溫度地檢測顯示與控制器地設(shè)計制作

1、一、實驗?zāi)康?. 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。、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(jìn)行比較，決 定被控制對象是否進(jìn)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)原理方框圖檢測對象Z1、溫度傳感器本設(shè)計

2、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430v。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一 0.25 C,線性的溫度系數(shù)為 +10mv/C ,無需其外部校準(zhǔn)或微調(diào)。輸出電壓與溫度的表達(dá)式為Uout=10mv/ ° Cx t ° CLM35的典型應(yīng)用如下圖，其供電模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種模式。正負(fù)雙電源模式可提供-55 C到150C的全程范圍測量；單電源供電模式在25C下的電流約為 50uA。溫度傳感器LM35測量溫度的范圍0到100C，其輸出電壓范圍為 0到1v。+V

3、s (420v)LM35 UoutLW35 V UoutOmv+10.0mv/r=-vs/50uA（a>單電源館式<b）雙電漁櫃式LM35兩種供電模式2、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(jìn)行偏差糾正的運行，已達(dá) 到預(yù)期的系統(tǒng)穩(wěn)定目標(biāo)。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(zhǔn)。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

4、度自動控制系統(tǒng)的工作原理圖。溫度自動控制系統(tǒng)工作原理圖在模擬電路系統(tǒng)中，如果被控參數(shù)單一，系統(tǒng)的擾動強度較弱，穩(wěn)態(tài)性能要求不高，則可采用遲滯比較器或滯回比較器，又稱施密特觸發(fā)器作為控制器實現(xiàn)基本的系統(tǒng)調(diào)控。如下圖所示。遲滯比較器的優(yōu)點是加有正反饋，可以加快控制器的響應(yīng)速度。當(dāng)輸出的狀態(tài)一旦轉(zhuǎn)換后，只要在跳變電壓值附近的干擾不超過？ U之值，輸出電壓的值就是穩(wěn)定的。但隨之而來的是分辨能力的降低，因為它不能分辨小于？ U的兩個輸入電壓值。另外，遲滯比較器的正反饋很強，遠(yuǎn)比模擬電路中的寄生耦合強的多，因此，可免除由于模擬電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩，增加了抗干擾性。遲滯比較器工作電路及電壓傳輸特性R

5、2 Unit 晉R2+RUrRf-PR2UTBS =UolEf UrKf+K2三、實驗任務(wù)：1選用合適的溫度檢測傳感器，設(shè)計一個能實現(xiàn)測量范圍0100 C,測量精度為0.1 C的溫度檢測轉(zhuǎn)換電路。2、選用合適的集成基準(zhǔn)電壓源，設(shè)計一個能實現(xiàn)可調(diào)輸出的基準(zhǔn)電壓源。3、設(shè)計一個溫度加熱控制電路，實現(xiàn)用電位器調(diào)節(jié)電壓值的方式來設(shè)定控制溫度值，當(dāng)檢測溫度值 低于設(shè)定值時，加熱電路工作；當(dāng)檢測溫度值高于設(shè)定值時，加熱電路停止加熱。4、綜合以上設(shè)計，完成一個能實現(xiàn)溫度檢測、控制和加熱等功能的電路，繪制相應(yīng)的電路圖，同時 完成相應(yīng)器件的選擇和參數(shù)計算，制作電路板，進(jìn)行器件安裝和功能調(diào)試。5、完成設(shè)計方案、電

6、路制作、功能調(diào)試等步驟的書面小結(jié)。四、實驗電路設(shè)計1、測溫電路設(shè)計測溫電路設(shè)計圖如上圖，溫度傳感器采用LM35,采用單電源5V供電，在溫度為 0100 C, LM35的輸出電壓為01v,在LM35后連接電壓跟隨器，消除后一級電路對LM35測量輸出的影響。由于 LM35的輸出存在一定誤差，且輸出是線性的，之后可以連接電壓微調(diào)電路，電路微調(diào)電路是由運算放大器構(gòu)成的反向加法器，一般情 況下，LM35的輸出誤差在幾到幾十毫伏，可以通過加法電路消除，且誤差可正可負(fù)，所以通過三排針根據(jù)實際誤差，輸入正或者負(fù)5v的電壓，再經(jīng)過電位器和電阻分壓，產(chǎn)生消除誤差所需要的電壓，由于反向加法器輸出的電壓是負(fù)電壓，后面

7、的顯示電路和控制電路要求的是正電壓，所以加法器后連接反向器，從 而保證溫度為0100C，測量電路的輸出是 01v。2、控制驅(qū)動電路的設(shè)計根據(jù)被控制對象的控制精度的不同要求，可選擇不同的控制方式。在控制精度要求較高的場合，PID（比例微分積分）調(diào)節(jié)控制方式是最后的選擇，它可以使系統(tǒng)快速地達(dá)到預(yù)設(shè)定的要求，并穩(wěn)定在設(shè)定值 上。在控制要求精度不高的情況下，可選擇二位式或三位式調(diào)節(jié)控制方式。二位式調(diào)節(jié)控制方式的原理是 當(dāng)測量值低于設(shè)定值是，執(zhí)行器件工作，滿負(fù)荷輸出；當(dāng)測量值達(dá)到或高于設(shè)定值是，執(zhí)行器停止工作， 沒有輸出。三位式調(diào)節(jié)控制方式的原理有兩個設(shè)定值Ur1和Ur2，且Ur1<Ur2，當(dāng)測量

8、值低于設(shè)定值Ur1時，執(zhí)行器工作，滿負(fù)荷輸出；當(dāng)測量值達(dá)到或高于設(shè)定值Ur2是，執(zhí)行器件停止工作，沒有輸出；當(dāng)測量值介于設(shè)定值 Ur1和Ur2之間時，執(zhí)行器保持原來的狀態(tài)不變。這種控制方式可避免執(zhí)行器頻繁的啟動 或停止，但控制精度低。本設(shè)計采用二位式調(diào)節(jié)控制方式，用遲滯比較器作為運算控制器，用功率電阻做加熱器，對一個封閉GND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01v,所以輸入電壓 5v經(jīng)R43和R39分壓后在R33上可輸出01v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R

9、36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)。執(zhí)行器電路原理當(dāng)檢測值低于比較器的下限時 ，比較器輸出高電平，T1導(dǎo)通丄ED指示燈亮，繼電器吸合，加熱器工作，溫 度開始上升。當(dāng)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

10、，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。3、A/D轉(zhuǎn)換與顯示電路本電路采用ICL7107進(jìn)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。、s由3 二CXI) AB4 22匚«OL7106CPL oL'ofcpL D-p40zI- -z 8 £一NTGanoJf ea_>B *s帛十880- TEST Fm;F?EFI_

11、O s?在本電路中，由于輸出電壓的范圍為01V，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(zhǔn)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(dāng)溫度為 28 C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(fù) 5v，其基準(zhǔn)電壓1v由5v電1MGmk源電壓經(jīng)R20和R16分壓后提供，Header2為調(diào)

12、試時測量 VIN+電壓的端口。4 耳 L?+0TF：ihAIDLDiA3D311ELB3E3CLF3VDJ-GLVK-COM怕CHEF*A34亠PQLVRE7十VRET-VINTTESTVHUTFOSC1CAZcscaoscaGNDVhV-U235VI|GKD1-5©右dOM'ufICL7107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 VT1 E、B、C接反了，導(dǎo)致繼電器與 LED直不工作。2、 繼續(xù)調(diào)試電路，發(fā)現(xiàn)當(dāng) UtvUr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(rèn)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