溫度的檢測顯示與控制器的設(shè)計制作

裝訂裝訂線1.學(xué)習(xí)溫度傳感器的原理、特性及基本使用方法。2.熟悉集成運算放大器在測量電路中的實際運用。3.學(xué)習(xí)并掌握對非電量信號的檢測與控制及其電路的設(shè)計與調(diào)試。二、實驗原理溫度檢測電路是由溫度傳感器、調(diào)整放大電路等構(gòu)成，溫度值的數(shù)字顯示由A/D轉(zhuǎn)換器級相應(yīng)的顯示電路等構(gòu)成，檢測電路與顯示電路構(gòu)成溫度的測量系統(tǒng)。根據(jù)溫度的測量值與預(yù)先設(shè)定的值進行比較，決定被控制對象是否進行加熱從而使被控制對象的溫度維持在設(shè)定值附近就構(gòu)成了溫度控制系統(tǒng)，溫度的控制系統(tǒng)由溫度設(shè)定電路，比較控制電路和驅(qū)動加熱電路構(gòu)成。如下圖所示為測量與控制系統(tǒng)的系統(tǒng)原理方框圖。系統(tǒng)原理方框圖P.P.溫度傳感器本設(shè)計采用的是集成溫度傳感器LM35，LM35是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，具有很高的工作精度和較寬的的線性工作范圍，工作電壓范圍為4~30v。其輸出電壓與攝氏溫度成線性比例關(guān)系，非線性溫度誤差低于0.25℃，線性的溫度系數(shù)為+10mv/℃,無需其外部校準或微調(diào)。輸出電壓與溫度的表達式為Uout=10mv/°C×t°CLM35的典型應(yīng)用如下圖，其供電模式有單電源與正負雙電源兩種模式。正負雙電源模式可提供-55℃到150℃的全程范圍測量；單電源供電模式在25℃下的電流約為50uA。溫度傳感器LM35測量溫度的范圍0到100℃，其輸出電壓范圍為0到1v。LM35兩種供電模式控制驅(qū)動電路系統(tǒng)控制就是為了克服各種擾動的影響，對系統(tǒng)中的某一個或某一物理量進行偏差糾正的運行，已達到預(yù)期的系統(tǒng)穩(wěn)定目標。最基本的的控制方式就是閉環(huán)控制，也稱反饋控制。其要解決的主要問題是系統(tǒng)動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)時的性能，歸結(jié)為三個字：穩(wěn)、快、準。自動控制系統(tǒng)簡單說是由被控制的裝置和被控制的對象組成，就是在無人直接參與的情況下，通過外加的裝置（控制器），使被控制對象的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動的按照預(yù)定的要求運行。下圖為溫度自動控制系統(tǒng)的工作原理圖。給定值Ut被控對象驅(qū)動加熱運算調(diào)整比較給定值Ut被控對象驅(qū)動加熱運算調(diào)整比較測量值測量值Ut溫度自動控制系統(tǒng)工作原理圖的環(huán)境實行溫度控制。根據(jù)這個要求可設(shè)計出運算控制和執(zhí)行電路的原理圖。設(shè)計運算控制與執(zhí)行電路控制端放大圖Ur由R43和電位器R39分壓給定，控制溫度的電壓為0~1v，所以輸入電壓5v經(jīng)R43和R39分壓后在R33上可輸出0~1v的溫度設(shè)定電壓。運放U4B的6接線端接測量電路的輸入電壓，5接線端接溫度設(shè)定電路的設(shè)定電壓。運放U4B構(gòu)成遲滯比較器，調(diào)整R33和R36的阻值可以調(diào)節(jié)遲滯比較器的回差，從而調(diào)節(jié)控制精度?；夭畹拇笮?yīng)視被控制對象的要求而定，太大控制精度低，太小控制精度高，但執(zhí)行器會頻繁啟動。遲滯比較器的輸出經(jīng)三極管T1放大后，驅(qū)動電位器K1，由繼電器K1實現(xiàn)對加熱控制電路通斷的控制。加熱電阻選擇10W的功率電阻。圖中LED用作指示燈，指示加熱電路的工作狀態(tài)。遲滯比較器執(zhí)行器電路原理當檢測值低于比較器的下限時,比較器輸出高電平,T1導(dǎo)通,LED指示燈亮,繼電器吸合,加熱器工作,溫度開始上升。當溫度的檢測值高于比較器時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，T1截至，繼電器器K1釋放，加熱器停止加熱。實驗設(shè)計電路中利用Header4，1腳接地，2腳接Ut，4腳接Ur，3腳接ICL7107的Vin+。用短路帽將2、3腳連接，數(shù)碼管顯示測量值Ut；將3、4腳連接，數(shù)碼管顯示設(shè)定值Ur。A/D轉(zhuǎn)換與顯示電路本電路采用ICL7107進行A/D轉(zhuǎn)換。ICL107是一塊應(yīng)用非常廣泛的集成電路，它包含3位半數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，無須另加驅(qū)動器件。其內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動、自動調(diào)零功能等。在本電路中，由于輸出電壓的范圍為0~1V，所以將ICL7107設(shè)置成量程為2V的模式，如下圖所示，即將AD轉(zhuǎn)換器的基準電壓設(shè)置為1V即可。數(shù)碼管顯示部分由于ICL7107能夠直接驅(qū)動數(shù)碼管，所以，只要將共陽數(shù)碼管連接限流電阻后再與ICL7107的顯示段連接即可。由于要顯示的量程為2V，所以需要4位顯現(xiàn)管，由于要精確到小數(shù)點后一位則在第二個（十位）加小數(shù)點，當溫度為28℃時輸出電壓為280mv，顯像管顯示為28.0。如下圖，顯示電路采用了ICL7107集成芯片，TC7107的供電電壓為正負5v，其基準電壓1v由5v電源電壓經(jīng)R20和R16分壓后提供，Header2為調(diào)試時測量VIN+電壓的端口。ICL7107溫控顯示五、安裝和調(diào)試1、按照原理圖安裝電路板，經(jīng)調(diào)試后發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的數(shù)值很?。ㄖ挥袀€位與小數(shù)位顯示），并且控制電路不工作。按照電路圖，從測量電路到控制電路一級一級的測量后，終于找到了2個安裝過程中的bug，分別是：測量電路R8電阻本應(yīng)該是100K，但焊上了10K的電阻；控制電路中的VT1E、B、C接反了，導(dǎo)致繼電器與LED一直不工作。2、繼續(xù)調(diào)試電路，發(fā)現(xiàn)當Ut<Ur下限瞬間，執(zhí)行器工作，電流突然增大，直接導(dǎo)致數(shù)碼管顯示的值發(fā)生了跳變（具體是從30跳變至60），這是不符合設(shè)計要求的。在葉老師的幫助下，我們小組決定在電源輸入端接上兩個1000uF的電解電容，起到穩(wěn)壓作用。換上電解電容后，跳變之變小為3左右，但是我認為誤差還可以變小，可以做到不發(fā)生顯示值的跳變。經(jīng)過討論，小組決定將原本1M的R36換成12M的大電阻。經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)溫度顯示值連續(xù)變化，不管是測量值還是設(shè)定值都可以通過數(shù)碼管讀取準確值。3、測量電路的閾值電壓回差。設(shè)定Ur為35攝氏度，此時測量室溫為27.9攝氏度，功率電