溫度的檢測顯示與控制器的設(shè)計制作

1、、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 學(xué)習(xí)溫度傳感器的原理、特性及基木使用方法。 2. 熟悉集成運(yùn)算放大器在測量電路中的實(shí)際運(yùn)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(shí)驗(yàn)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。 基準(zhǔn)電壓 檢測對象鼻 傳感囂 一

2、放大謂整一 驅(qū)動加熱 控制電路 溫度設(shè)定 系統(tǒng)原理方框圖 1、溫度傳感器 木設(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 C LM35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

3、范圍 0到100C,其輸出電壓范圍為 0到lv。 LM35 一一 Ucut 0mv+10. Omv/ +Vs (4-20v) 4-Vs Uout RVs/50uA （b）収電煙程式 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(yùn)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)（

4、被控量）自動的按照預(yù)定的要求運(yùn)行。下圖為溫度自動控制系統(tǒng)的工作 原理圖。 給足値ut 比較 運(yùn)算調(diào)整 驅(qū)動加熱 測量值ut 溫度白動控制系統(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(qiáng)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(shí)現(xiàn)基木的系統(tǒng)調(diào)控。如下圖所示。遲滯比較器的優(yōu)點(diǎn)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?yàn)樗荒芊直嫘∮趥€輸入電壓值。另外，遲滯比較器的正反饋很強(qiáng)，遠(yuǎn)比模擬電路中的寄生耦 ？u的兩 合強(qiáng)

5、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。 Tec 遲滯比較器工作電路及電壓傳輸特性 U_k 三 Rf Ur Rf+R2 R2 UOL R2+Rf Rf Hr Kf+E2 (Tioo c,測量精度為0.1 c的溫度檢測轉(zhuǎn) 三、實(shí)驗(yàn)任務(wù): 1選用合適的溫度檢測傳感器，設(shè)計一個能實(shí)現(xiàn)測量范圍 換電路。 2、選用合適的集成基準(zhǔn)電壓源，設(shè)計一個能實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)溫度

6、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、電路制作、功能調(diào)試等步驟的書而小結(jié)。 四、實(shí)驗(yàn)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0=100 C, LM35的輸出電壓為（Tlv, 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(yùn)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

7、，且誤差可正可負(fù)，所以通過三排針根據(jù) 實(shí)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，后而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 OlOOC,測量電路的輸出是 0lvo 2、控制驅(qū)動電路的設(shè)計 PID 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, （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

8、值是, 執(zhí)行器件工作，滿負(fù)荷輸岀；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 Url和血2,且UrlUr2,當(dāng)測量值低于設(shè)定值 Url Ur2是，執(zhí)行器件停止工作，沒有輸出；當(dāng) 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 量值介于設(shè)定值Url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(yùn)算控制器，用功率電阻做加熱器，對一個封閉的環(huán)境實(shí)行溫度控 制。根據(jù)這個要求可設(shè)計岀運(yùn)算控制和執(zhí)行電路的原理圖。 設(shè)計運(yùn)算控制與執(zhí)行電路 GND 控制

9、端放大圖 Ur由R43和電位器R39分壓給定，控制溫度的電壓為OXv,所以輸入電壓5v經(jīng)R43和R39分壓后在 R33上可輸出Olv的溫度設(shè)定電壓。運(yùn)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(yùn)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。回差的 大小應(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(shí)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

10、+5 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(shí)驗(yàn)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Uro 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

11、驅(qū)動器件。其內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨(dú)立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動、自動調(diào)零功能等。 UE旻 用I單 8 SS 在木電路中，由于輸出電壓的范圍為 6LM06CPL 0L707CPL D 一 PA0 REFHI REFLO CREF4 8D B2 TKT （T1V,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IV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(diǎn)后一位則在第二個（十位）加小數(shù)點(diǎn)，當(dāng)溫 度為28

12、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lv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。 112沁 ICL7107溫控顯示 五、安裝和調(diào)試 C5 OJ-ni 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