溫度的檢測與控制

1、 題 目：溫度的檢測與控制 學(xué)院（系、部）： 研究生院 專 業(yè)： 電路與系統(tǒng) 學(xué) 生 姓 名： 胡 群 學(xué) 號(hào)： 2012080912 二一三年六月一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)研究中，經(jīng)常需要對(duì)某一系統(tǒng)的溫度進(jìn)行測量，并能自動(dòng)地控制、調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的溫度。下面設(shè)計(jì)并制作對(duì)某一系統(tǒng)的溫度進(jìn)行測量與控制的電路。電路要求為：被測溫度和控制溫度均可數(shù)字顯示。測量溫度范圍為0120，精度為0.5。控制溫度連續(xù)可調(diào)，精度為1。溫度超過額定值時(shí)，產(chǎn)生聲、光報(bào)警信號(hào)。二、硬件設(shè)計(jì)1、總電路圖系統(tǒng)框圖如圖1所示，溫度傳感器用來測量被測體的實(shí)時(shí)溫度并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)

2、過濾波放大電路，成為有用信號(hào)分兩路進(jìn)入后續(xù)電路：一路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)顯示；電壓信號(hào)的另一路進(jìn)入電壓比較器，與輸入控制溫度電壓信號(hào)進(jìn)行比較，比較結(jié)果信號(hào)將驅(qū)動(dòng)溫度控制裝置工作，對(duì)被測體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，電壓比較器的比較結(jié)果將決定是否發(fā)出聲光報(bào)警。此方案是將測量溫度與輸入控制溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)了溫度的控制。圖1整體構(gòu)思：總體設(shè)計(jì)框圖如下圖2所示，從溫度的采集到與設(shè)定溫度的比較，再到控制過程都是模擬信號(hào)，在顯示電路中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)顯示。主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、控制電路（溫控電路）、聲光報(bào)警器、轉(zhuǎn)碼電路、顯示電路

3、、加熱電路。圖22、各模塊設(shè)計(jì)：1）溫度傳感器：a)鉑測溫金屬：常見鉑測溫電阻的標(biāo)稱電阻值為100，溫度系數(shù)是385010-6/。標(biāo)稱值的誤差影響偏置，而溫度系數(shù)的誤差影響增益。溫度跨度越大誤差也越大。標(biāo)稱值的誤差可用一點(diǎn)調(diào)整，而溫度系數(shù)的誤差要由間隔溫度的兩點(diǎn)調(diào)整。當(dāng)要求很細(xì)微的調(diào)整溫度時(shí)，要選用溫度系數(shù)一致的傳感器。b)測溫基本電路:電路的輸出: Eout=R1RVIN /(R1 +R0 +R)(R1 +R0 )由于分母中有R項(xiàng)的存在，在恒定條件下工作除了傳感器的非線性誤差外，還有恒壓電路產(chǎn)生的誤差，使得誤差變得更大。為此在恒壓下工作必須要有線性校正電路。線性校正電路：恒壓工作時(shí)，在傳感器

4、自身的非線性誤差上還有一個(gè)由恒壓工作帶來的非線性誤差，不進(jìn)行校正就無法實(shí)現(xiàn)該精度測量。校正的方法采用正反饋線性校正。如圖4，在電路中，把運(yùn)算放大器A2 的輸入反饋到輸入端Vin，反饋量由R3、VR3、R4 決定，而且是串聯(lián)加到Vin。這樣Vout 大，對(duì)傳感器所加的電壓VB 也大，結(jié)果使得Vout 變小，實(shí)現(xiàn)了線性校正。圖32）A/D轉(zhuǎn)換器利用集成芯片AD574，再結(jié)合兩片74LS283（）構(gòu)成。該方案工作原理是先將模擬量轉(zhuǎn)換成9位二進(jìn)制數(shù)，再將最低一位和前八位相加這樣就可以將測量精度提高到0.5。圖43）電壓比較器LM324是運(yùn)放集成電路，電路模型如圖5所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)

5、算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用圖7所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端；Vi+（+）為同相輸入端。 LM324的引腳排列見圖7。 圖5 圖64）控制電路（溫控電路）由于通過溫度傳感器測得溫度后，將溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值，因此，利用電壓值之間的大小關(guān)系就可以控制溫度的大小。我們調(diào)節(jié)溫度是將其轉(zhuǎn)化為電壓的形式，通過改變電壓值來實(shí)現(xiàn)控制溫度與被測溫度的比較。所以，利用剛才介紹的LM324電壓比較器來完成控制電路的核心控制，由于比較器最小輸入電壓差

6、為40mV，而溫度測量中輸出電壓精度在5mV，因此需要加大電阻以提高電壓值，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電壓的正常比較。控制電路圖如下：圖7溫度控制選擇可通過電位器W2來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)W2可使其中間頭的電壓在01.2V之間的范圍內(nèi)變換，對(duì)應(yīng)的控制溫度范圍為0120，完全可以滿足一般的加熱需要。將開關(guān)K打在2的位置，電位器W2中間頭的電壓經(jīng)過電壓跟隨器A后送到數(shù)顯表頭輸入端來顯示控制溫度數(shù)值。調(diào)節(jié)電位器W2，數(shù)顯表頭所顯示的數(shù)值隨之變化，所顯示的溫度數(shù)值即為控制溫度值。電位器W1為預(yù)控溫度調(diào)節(jié)，其電壓調(diào)節(jié)范圍為00.27V，對(duì)應(yīng)可調(diào)節(jié)溫度范圍為027此電位器調(diào)整后，其中間頭的電壓與電位器W2中間頭的電壓分別送入比

7、較放大器B(放大倍數(shù)為1）的反相及同相輸入端，B輸出端的電壓為二輸入電壓之差。此電壓對(duì)應(yīng)兩個(gè)設(shè)定的溫度值之差。當(dāng)溫度傳感器輸出的電壓小于B的輸出電壓時(shí)，C輸出高電平。當(dāng)溫度傳感器輸出的電壓大于B的輸出電壓而小于A的輸出電壓時(shí)，表明實(shí)際溫度已接近控制溫度，C輸出低電平，電壓比較器D輸出高電平。當(dāng)實(shí)際溫度上升到100以上時(shí)，溫度傳感器的輸出電壓大于1V，電壓比較器D輸出低電平。5）聲光報(bào)警器該報(bào)警裝置如圖8所示，主要構(gòu)成器件為555定時(shí)器集成芯片。它組成的多諧振蕩器再加上發(fā)光器件和揚(yáng)聲器，就構(gòu)成了此聲光報(bào)警器，當(dāng)前置電路產(chǎn)生的邏輯信號(hào)為高電平時(shí)，則該聲光報(bào)警裝置工作，發(fā)出聲光報(bào)警。該設(shè)計(jì)的發(fā)聲頻率

8、為： f=1.44/(R1+2R2)C1 10KHZ所以，發(fā)聲持續(xù)時(shí)間： T=1/f110-4s圖8當(dāng)測溫電路測量出溫度時(shí)，信號(hào)傳送至RST端即可，電路如圖9：圖96）轉(zhuǎn)碼電路當(dāng)電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后變成了8位二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，而后續(xù)電路需要的是8421BCD碼，所以需要進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換。我們選用集成芯片74185來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,如圖10是74185的元件圖：圖107）顯示電路如圖11所示，為控制溫度的顯示電路。這里采用的是七輸入數(shù)碼管，即七段顯示數(shù)碼管，這種數(shù)碼管有共陰極和共陽極之分。應(yīng)用此種數(shù)碼管時(shí)，必須前置譯碼電路，即7448N七段數(shù)碼顯示譯碼器。 圖118)加熱電路圖12加熱電路如圖12，當(dāng)溫度傳感器輸出的電壓小于B的輸出電壓時(shí)，C輸出高電平，可控硅T1因獲得偏流一直導(dǎo)通，交流220V直接加在電熱元件兩端，進(jìn)行大功率快速加熱。當(dāng)溫度傳感器輸出的電壓大于B的輸出電壓而小于A的輸出電壓時(shí)，表明實(shí)際溫度已接近控制溫度，C輸出低電平，可控硅T1因無偏流處于截止?fàn)顟B(tài)，電壓比較器D輸出