溫度控制器設(shè)計(jì)

1、溫度控制器設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)可以驅(qū)動 1kW加熱負(fù)載的水溫控制器，具體要求如下：1、能夠測量溫度，溫度用數(shù)字顯示。2、測量溫度范圍0100 C,測量精度為05C。3、 能夠設(shè)置水溫控制溫度，設(shè)定范圍4090 C,且連續(xù)可調(diào)。設(shè)置溫度用數(shù)字顯示。4、水溫控制精度w 2C。5、當(dāng)超過設(shè)定的溫度 20 C時(shí)，產(chǎn)生聲、光報(bào)警。二、設(shè)計(jì)方案分析根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該溫度控制器是既可以測量溫度也可以控制溫度，其組成框圖如圖1所示。圖1溫度控制器原理框圖因?yàn)橐髮囟冗M(jìn)行測量顯示，所以首先采用溫度傳感器， 將溫度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并通過放大、濾波后送 A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后進(jìn)行譯碼顯示。若要求

2、溫度被控制 在設(shè)定值附近，則要求將實(shí)際測量溫度的信號與溫度的設(shè)定值（基準(zhǔn)電壓）進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果（輸出狀態(tài)）來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動地控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度。測量的溫度可以 與另一個(gè)設(shè)定的溫度上限比較器相比較，當(dāng)溫度超過上限溫度值時(shí)， 比較器產(chǎn)生報(bào)警信號輸出。1、溫度檢測及信號處理溫度檢測是溫控系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，它只接影響整個(gè)系統(tǒng)的測量、控制精度。目前檢測 溫度的傳感器很多，其測量范圍、應(yīng)用場合等也不盡相同。例如熱電偶溫度傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中已得到了廣泛的應(yīng)用，它是將溫度信號轉(zhuǎn)化成電動勢。目前熱電偶溫度傳感器已形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，主要優(yōu)點(diǎn)是：它屬于自發(fā)電型傳感器，測量溫度時(shí)可以不

3、需要外加電源；結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，熱電偶的電極不受大小和形狀的限制；測量溫度范圍廣，高溫?zé)犭娕紲y溫高達(dá)1800 C以上，低溫?zé)犭娕伎蓽y -260 C以下，目前主要用在高溫測量工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中。熱電阻溫度傳感器是利用電阻值隨溫度升高而增大這一特性來測量溫度的， 目前應(yīng)用較為廣泛的熱材料是銅和鉑。在銅電阻和鉑電阻中，鉑電阻性能最好，非常適合測量-200+960 C范圍內(nèi)的溫度。國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用鉑電阻常用的分度號有Pt25、Pt100等，Pt100即表示該電阻的阻值在 0 C時(shí)為100Q。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，各 種類型的集成溫度傳感器應(yīng)用越來越多。 集成溫度傳感器的工作原理是利用 P

4、N 結(jié)的溫度特 性制成的， 同熱電偶、熱電阻等傳統(tǒng)的溫度傳感器相比， 集成溫度傳感器主要特點(diǎn)有： 靈敏 度高；線性度好，一般不需要線性補(bǔ)償；測量重復(fù)性好；響應(yīng)速度快。但不足之處是測量溫 度較窄，通常為-55+150 C。根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的要求，可選用集成溫度傳感器。由于溫度傳感器的直接輸出信號一般都非常微弱，為了更好的測量和顯示，需要放大 器、濾波器等電路對信號進(jìn)一步處理。 對放大器的要求是精度要高， 輸入失調(diào)電壓和輸入失 調(diào)電流要小，同時(shí)要求抑制共模干擾信號的能力要強(qiáng)。2、A/D 變換及顯示A/D 轉(zhuǎn)換器的主要功能是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換的方法很多， 常用的有雙積分

5、式 A/D 轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器和并行比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器等。雙積 分 A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高、抑制干擾信號的能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，可廣 泛用于數(shù)字儀表和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。另外，這類轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)常以BCD 碼或二進(jìn)制碼格式輸出， 所以 數(shù)字顯 示方便。 常 用 的 雙 積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器集 成 器件 有 ICL7106/7107/7109/7135 、MC14433 等。 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種轉(zhuǎn)換速度較快， 轉(zhuǎn)換 精度較高的轉(zhuǎn)換器。 一次轉(zhuǎn)換時(shí)間在數(shù)微秒到百微秒范圍內(nèi)， 廣泛應(yīng)用于中高速數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)、在線自動檢測系統(tǒng)、動態(tài)測控系統(tǒng)等領(lǐng)域中

6、。與雙積分式A/D 轉(zhuǎn)換器相比，逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力較差。目前常用的逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器集成電路有ADC0808/0809 、AD574A 、AD 1 674 、ADC1210/1211 等。并行比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種轉(zhuǎn) 換速度最快的轉(zhuǎn)換器， 它最適合應(yīng)用在數(shù)字通信技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)中。 缺點(diǎn)是電路復(fù) 雜，價(jià)格高。目前出現(xiàn)了一種串、并行 A/D 轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行折衷，使電路結(jié)構(gòu)簡化，但速度 有所下降。由于本設(shè)計(jì)用于檢測顯示溫度信號，而溫度信號變化比較緩慢，所以選擇雙積分式集成 A/D 轉(zhuǎn)換器比較合適。3、溫度控制及驅(qū)動電路 本設(shè)計(jì)要求溫度可以設(shè)定，并要求溫度被控制在

7、設(shè)定的值附近，所以該系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè) 閉環(huán)控制系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)對溫度控制的方法很多， 有采用模擬電路實(shí)現(xiàn)的， 也有采用計(jì)算機(jī)構(gòu)成 的智能控制。 模擬控制溫度的方法主要有開關(guān)式控制法、 比例式控制法和連續(xù)式控制法。 開 關(guān)式控制是將檢測的溫度信號和設(shè)定的溫度值通過比較器比較后，驅(qū)動一開關(guān)器件 （一般是繼電器） 控制加熱器的通斷。 如當(dāng)測量的溫度低于設(shè)定的溫度值時(shí)， 驅(qū)動電路使繼電器接通 加熱器的電源， 使溫度上升； 當(dāng)溫度高于設(shè)定的溫度時(shí)， 驅(qū)動電路使繼電器斷開加熱器的電 源，停止對加熱器的加熱， 溫度將下降。 這樣繼電器反復(fù)動作， 溫度將被控制在設(shè)定值附近。 開關(guān)式溫度控制方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單， 缺

8、點(diǎn)是控制精度較低， 并且在設(shè)定溫度附近， 頻繁 啟動繼電器，影響繼電器的使用壽命。比例式控制是選擇一個(gè)固定的時(shí)間T 作為控制周期，選擇控制周期的長短一般根據(jù)加熱的熱容量選取， 熱容量大的可選擇控制周期長一些， 一般 選擇 T=1015 秒。當(dāng)溫度低于設(shè)定的溫度較多時(shí)，在一個(gè)控制周期 T 內(nèi)接通加熱器電源的 時(shí)間就比較長（假設(shè)為 t），隨著溫度的升高，加熱時(shí)間t逐漸減少；當(dāng)溫度高于設(shè)定的溫度時(shí)，加熱時(shí)間t等于零，溫度逐漸下降，最后使溫度接近穩(wěn)定。該方法控制溫度精度將大 大提高。 連續(xù)控制是根據(jù)測量溫度的大小自動連續(xù)調(diào)節(jié)加熱器電流的大小，當(dāng)溫度大于設(shè)定的溫度時(shí)， 可自動的控制減小加熱器的電流， 反

9、之則增大電流， 可使溫度自動的保持在設(shè)定 的溫度上， 該方法控制穩(wěn)定的精度最高， 電路也比較復(fù)雜， 同時(shí)要求一個(gè)可控的功率器件實(shí) 現(xiàn)對加熱器電流大小的控制。本設(shè)計(jì)要求溫度的控制精度不高，可采用控制線路較簡單的開關(guān)式控制方法。三、主要單元電路參考設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)1、溫度測量及顯示電路溫度傳感器選擇集成溫度傳感器AD590。AD590的外形采用TO 52金屬圓殼封裝結(jié)構(gòu)，其管腳排列如圖（a）。它是一種二端元件，屬于一種高阻電流源，其典型的電流溫度靈敏度是1卩A/K,溫度為0C時(shí)，AD590輸出的恒流值為 273.15訕 當(dāng)溫度升高或降低1C時(shí)，AD590的輸出電流就增大或減小1訃。AD590測量溫度范圍是

10、-55+ 150 C;在整個(gè)測溫范圍內(nèi)的非線性誤差小于 ）.3C；工作電壓范圍430V。由AD590組成的測溫電路如圖（b）所示。AD590組成的溫度測量電路MC1403提供的電流io為:fUo圖2Vref2.5Vi0 RP1R1RP1R1在圖（b）電路中，由基準(zhǔn)源調(diào)節(jié)Rp1即可改變io的大小。AD590輸出電流的溫度靈敏度為1A/K，絕對溫度與攝氏溫度的關(guān)系為K= C +273.15。設(shè)要測量的溫度為 T （攝氏溫度），則流過 AD590的電流it為：it =1 (T 273.15) =T 273.152 5流過反饋支路的電流：if -it -i。=T 273.15 -RP1 + R1可見若

11、要使if二T，只要調(diào)節(jié)電位器 Rp1即可。此時(shí)放大器的輸出電壓為:U。Rp2）I fRp2）T若要求U0的靈敏度等于10mV/C，可選R2=9.1k Q Rp2=2 k Q電位器Rp1是調(diào)零作用，Rp2 是調(diào)節(jié)滿量程輸出。集成運(yùn)算放大器要選取高精度型器件。這里選用OP07。測量顯示電路選用雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107完成。ICL7107具有功耗低、精度高、 功能完整、使用簡單等特點(diǎn)，是一種集三位半A/D轉(zhuǎn)換器、段驅(qū)動器、位驅(qū)動器于一體的大規(guī)模專用集成電路，其主要特點(diǎn)為： 能夠直接驅(qū)動共陽極 LED數(shù)碼管，不需另加驅(qū)動電路和限流電阻。 采用交V雙電源供電。 功耗小于15mW，最大靜態(tài)電流

12、為 1.8mA。 段驅(qū)動電流的典型值為 8mA，最小值為5mA。 顯示器可采用7段共陽數(shù)碼管。由ICL7107組成的三位半數(shù)字電壓表電路如圖所示，該電路即可作為溫度顯示電路。Vcc、Vss分別為電源的正、負(fù)端。 COM 模擬信號的公共端，簡稱“模擬地”，使用時(shí)通常將該端與輸入信號的負(fù)端、基準(zhǔn)電壓的負(fù)端短接。TEST為測試端。此端有兩個(gè)功能，一是作“測試指示”，將它與V+短接后，LED顯示器顯示全部筆畫 1888,據(jù)此可確定顯示器 有無筆段殘缺現(xiàn)象。第二個(gè)功能是作為數(shù)字地供外部驅(qū)動器使用，構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)、標(biāo)志符顯示電路。al g1、a2 g2、a3 g3分別為個(gè)位、十位、百位筆畫驅(qū)動端，依次接 LE

13、D顯示器的 個(gè)、十、百位的相應(yīng)筆段。bc4為千位（即最高位，也稱 1/2位）筆段驅(qū)動端，接千位 LED的b、c段。POL是負(fù)極性指示驅(qū)動端， 接千位LED的g段。GND為數(shù)字地，與37腳（TEST） 經(jīng)過內(nèi)部500門電阻接通。OSC1OSC3為時(shí)鐘振蕩器引出端，外接阻容元件可構(gòu)成兩級反 相式阻容振蕩器。Vref+是基準(zhǔn)電壓的正端，簡稱“基準(zhǔn) + ”，通常從內(nèi)部基準(zhǔn)電壓獲取所需 的基準(zhǔn)電壓，也可采用外部基準(zhǔn)電壓，以提高基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。Vref-是基準(zhǔn)電壓的負(fù)端，簡稱“基準(zhǔn)-”。Cref+、Cref-是外接基準(zhǔn)電容端。IN+、IN-為模擬電壓的正、負(fù)輸入端。Cza是外接自動調(diào)零電容端。INT是積

14、分器輸出端，接積分電容Cint。BUF是緩沖放大器輸出端，接積分電阻 Rint。ICL7107顯示的滿量程電壓與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系為 ：Vm = 2Vref。若將Vret選擇1V，則可 組成滿量程為2V的電壓表。只要把小數(shù)點(diǎn)定在十位， 即可直接讀出測量結(jié)果。 由于ICL7017 沒有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動信號，使用時(shí)可將共陽極數(shù)碼管的公共陽極接+5V，小數(shù)點(diǎn)接 GND時(shí)點(diǎn)亮，接5V或懸空時(shí)熄滅。在圖 中，尺、0分別為振蕩電阻和振蕩電容。R2與R3構(gòu)成基準(zhǔn)電壓分壓器，調(diào)整R2的值可以改變基準(zhǔn)電壓，使Vref=1V , R2宜采用精密多圈電位器。R4、C3為模擬信號輸入端高頻濾波電路，以提高儀表的抗干擾能力

15、。C2、C4分別為基準(zhǔn)電容和自動調(diào)零電容。撿C5為積分電阻和積分電容。圖3ICL7107組成的溫度顯示電路2、溫度控制及超溫報(bào)警電路溫度控制電路如圖所示?？刂品椒ú捎瞄_關(guān)方式。測量的溫度信號被輸入到滯遲比較器，設(shè)定溫度由電位器 Rpi給出。根據(jù)溫度靈敏度10mV/C及設(shè)定溫度在 4090 C的要求，當(dāng)電位器Rp調(diào)在最下端時(shí)，設(shè)定電壓應(yīng)等于 0.4V;當(dāng)電位器Rp調(diào)在最上端時(shí)，設(shè)定電壓應(yīng)等于0.9V。為了能夠指示出設(shè)定溫度的大小，最簡單的方法是在電位器調(diào)節(jié)旋鈕上均勻的 刻上溫度值。超溫報(bào)警溫度信號取自放大器A2的輸出，放大器輸出信號的大小等于設(shè)定溫度信號電壓加上0.2V，當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度信號時(shí)，超

16、溫報(bào)警信號將自動跟蹤變化。由Ai組成的滯遲電壓比較器的上、下門限電壓Vt+、Vt-為：R2R-iR2VtVrefVz ,VtVre fRr + R2Rj + R2Rr + R2其回差電壓.：V =VT . -VTR2RrR2VZ，根據(jù)控制要求，溫度控制精度要求小于2 C,可以使AV =20 (mV)。假設(shè)穩(wěn)壓管電壓 Vz=3V，則選擇Ri=5.1k莒R2=1M Q即可滿足要 求。超溫報(bào)警電路選擇 A3組成的單限比較器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)溫度小于超限溫度時(shí)，比較器輸出為零， 當(dāng)溫度大于超限溫度時(shí)， 比較器輸出電壓為高電平， 驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲，同時(shí)發(fā)光二極管被點(diǎn) 亮。加熱驅(qū)動電路選用繼電器控制，繼電器的常開觸點(diǎn)

17、接入加熱器主回路中，當(dāng)被測溫度超 過設(shè)定溫度時(shí)，滯遲比較器輸出低電平，三極管T截止，繼電器不得電，繼電器的常開觸點(diǎn)斷開加熱器電源， 停止加熱；反之當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，滯遲比較器輸出高電平， 三極管飽和，繼電器得電，繼電器的常開觸點(diǎn)接通加熱器電源，進(jìn)行加熱。本設(shè)計(jì)選用電磁式額定電壓12V、觸點(diǎn)負(fù)荷容量交流 220V/5A的直流繼電器。R5R73.3kVo2 R8 5.1kA2LM324CDLM324A3+12V aVo3+5V甲R3RpiR4R95.1kRiiLED+5V RP2100kR6 10kTrD11N4148溫度信號ViIIfVref R1 5.1k75 Q+5VLM324VolR1

18、01k200 QDW3V/0.5WR2 1MX 2d2I1N40018050A1圖4溫度控制及超溫報(bào)警電路四、溫度控制器的調(diào)試1、在進(jìn)行安裝電路前，仔細(xì)查閱所用集成電路、電子元器件的參數(shù)及管腳排列圖。并畫出 單元電路、系統(tǒng)電路的安裝電路圖。2、 溫度檢測電路調(diào)試。首先準(zhǔn)備溫度等于0C的冰水和溫度等于 100C的沸水各1000mL。 將溫度傳感器 AD590放入0C的冰水中（注意 AD590的引腳不要短路），調(diào)節(jié)電位器 Rpi, 使測溫電路輸出電壓為 0V ;然后將AD590放入100C的沸水中，調(diào)節(jié)電位器 Rp2，使測溫 電路的輸出電壓為 1V ;反復(fù)調(diào)試幾次。3、 溫度顯示電路調(diào)試。將 2V的直流電壓輸入到圖電路中，調(diào)節(jié)圖中電位器Rp,使數(shù)碼管顯示 199.9。4、 溫度控制比較器及超溫報(bào)警比較器調(diào)試。在電路 中，調(diào)節(jié)Rpi將溫度設(shè)定在一定值上 （例如Vref=0.5V ）,調(diào)節(jié)RP2使A2放大器的輸出高于設(shè)定溫度值0.2V。用一可變電壓模擬輸入溫度信號，調(diào)節(jié)溫度信號從 0V 起逐漸增大，測量溫度控制比較器輸出從高電平到低電平對 應(yīng)的輸入電壓大小; 然后在減小溫度信號的大小， 再