溫度的檢測顯示與控制器的設計制作

裝訂線一、實驗目的裝訂線1.學習溫度傳感器的原理、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.學習并掌握對非電量信號的檢測與控制及其電路的設計與調試。二、實驗原理溫度檢測電路是由溫度傳感器、調整放大電路等構成，溫度值的數字顯示由A/D轉換器級相應的顯示電路等構成，檢測電路與顯示電路構成溫度的測量系統。根據溫度的測量值與預先設定的值進行比較，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定值附近就構成了溫度控制系統，溫度的控制系統由溫度設定電路，比較控制電路和驅動加熱電路構成。如下圖所示為測量與控制系統的系統原理方框圖。系統原理方框圖溫度傳感器本設計采用的是集成溫度傳感器LM35，LM35是美國國家半導體公司生產的，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系，非線性溫度誤差低于0.25℃，線性的溫度系數為+10mv/℃,無需其外部校準或微調。輸出電壓與溫度的表達式為Uout=10mv/°C×t°CLM35的典型應用如下圖，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動電路系統控制就是為了克服各種擾動的影響，對系統中的某一個或某一物理量進行偏差糾正的運行，已達到預期的系統穩(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動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)時的性能，歸結為三個字：穩(wěn)、快、準。自動控制系統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（被控量）自動的按照預定的要求運行。下圖為溫度自動控制系統的工作原理圖。給定值Ut被控對象驅動加熱運算調整比較給定值Ut被控對象驅動加熱運算調整比較測量值Ut測量值Ut溫度自動控制系統工作原理圖在模擬電路系統中，如果被控參數單一，系統的擾動強度較弱，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)器作為控制器實現基本的系統調控。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速度。當輸出的狀態(tài)一旦轉換后，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三、實驗任務：1、選用合適的溫度檢測傳感器，設計一個能實現測量范圍0~100℃，測量精度為0.1℃的溫度檢測轉換電路。2、選用合適的集成基準電壓源，設計一個能實現可調輸出的基準電壓源。3、設計一個溫度加熱控制電路，實現用電位器調節(jié)電壓值的方式來設定控制溫度值，當檢測溫度值低于設定值時，加熱電路工作；當檢測溫度值高于設定值時，加熱電路停止加熱。4、綜合以上設計，完成一個能實現溫度檢測、控制和加熱等功能的電路，繪制相應的電路圖，同時完成相應器件的選擇和參數計算，制作電路板，進行器件安裝和功能調試。5、完成設計方案、電路制作、功能調試等步驟的書面小結。四、實驗電路設計1、測溫電路設計測溫電路設計圖如上圖，溫度傳感器采用LM35，采用單電源5V供電，在溫度為0~100℃，LM35的輸出電壓為0~1v,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電路，電路微調電路是由運算放大器構成的反向加法器，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，所以通過三排針根據實際誤差，輸入正或者負5v的電壓，再經過電位器和電阻分壓，產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電壓，后面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0~100℃，測量電路的輸出是0~1v?？刂乞寗与娐返脑O計根據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）調節(jié)控制方式是最后的選擇，它可以使系統快速地達到預設定的要求，并穩(wěn)定在設定值上。在控制要求精度不高的情況下，可選擇二位式或三位式調節(jié)控制方式。二位式調節(jié)控制方式的原理是當測量值低于設定值是，執(zhí)行器件工作，滿負荷輸出；當測量值達到或高于設定值是，執(zhí)行器停止工作，沒有輸出。三位式調節(jié)控制方式的原理有兩個設定值Ur1和Ur2，且Ur1<Ur2，當測量值低于設定值Ur1時，執(zhí)行器工作，滿負荷輸出；當測量值達到或高于設定值Ur2是，執(zhí)行器件停止工作，沒有輸出；當測量值介于設定值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。本設計采用二位式調節(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，對一個封閉的環(huán)境實行溫度控制。根據這個要求可設計出運算控制和執(zhí)行電路的原理圖。設計運算控制與執(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R43和R39分壓后在R33上可輸出0~1v的溫度設定電壓。運放U4B的6接線端接測量電路的輸入電壓，5接線端接溫度設定電路的設定電壓。運放U4B構成遲滯比較器，調整R33和R36的阻值可以調節(jié)遲滯比較器的回差，從而調節(jié)控制精度?；夭畹拇笮暠豢刂茖ο蟮囊蠖?，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三極管T1放大后，驅動電位器K1，由繼電器K1實現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，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，數碼管顯示測量值Ut；將3、4腳連接，數碼管顯示設定值Ur。A/D轉換與顯示電路本電路采用ICL7107進行A/D轉換。ICL107是一塊應用非常廣泛的集成電路，它包含3位半數字A/D轉換器，可直接驅動LED數碼管，無須另加驅動器件。其內部設有參考電壓、獨立模擬開關、邏輯控制、顯示驅動、自動調零功能等。在本電路中，由于輸出電壓的范圍為0~1V，所以將ICL7107設置成量程為2V的模式，如下圖所示，即將AD轉換器的基準電壓設置為1V即可。數碼管顯示部分由于ICL7107能夠直接驅動數碼管，所以，只要將共陽數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位顯現管，由于要精確到小數點后一位則在第二個（十位）加小數點，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R20和R16分壓后提供，Header2為調試時測量VIN+電壓的端口。ICL7107溫控顯示五、安裝和調試1、按照原理圖安裝電路板，經調試后發(fā)現數碼管顯示的數值很小（只有個位與小數位顯示），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電阻本應該是100K，但焊上了10K的電阻；控制電路中的VT1E、B、C接反了，導致繼電器與LED一直不工作。2、繼續(xù)調試電路，發(fā)現當Ut<Ur下限瞬間，執(zhí)行器工作，電流突然增大，直接導致數碼管顯示的值發(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。經過討論，小組決定將原本1M的R36換成12M的大電阻。經過調試，發(fā)現溫度顯示值連續(xù)變化，不管是測