温度测量控制仪(用模拟表头显示).doc

温度测量控制仪（用模拟表头显示）1. 目的掌握温度传感器的选择和接口电路的设计，能够针对被测信号的特点设计相应的信号处理电路，理解对测量系统的一般要求（精度、测量范围、响应速度），了解闭环（反馈）控制原理与应用。2. 考核要求测量：（1）测量范围：0100；（2）测量精度：1；（3）响应速度： 1 SPS；控制：（4） 加热容量：100ml水；（5） 速度：10/10 min（6） 可以用电位器（数码电位器更好）设定温度值。3. 提示（1） 需要选择线性良好的传感器，或者通过电路将其线性化；（2） 需要一支高精度的温度计来调试和校准电路（3） 允许采用搅拌结构；（4） 注意传感器与加热元件的隔离；（5） 需要采用PID控制，至少需要采用P控制；所谓P方式是将温度测量值与设定温度的差值来控制加热的功率，即PWM的脉冲宽度与温度差值成正比。（6） 鼓励采用单片机来控制，但需要注意自己的时间与精力是否足够！水温自动控制系统【设计任务】设计一个水温自动控制系统，控制对象为一容器内的净水。水温在一定范围内由人工设定，受环境影响降低时可以自动调整并保持温度基本不变。【要求】1 基本要求（1） 稳定温度点为60，误差3。（2） 显示温度，误差2。2 提高部分（1） 温度过高（70）或过低（40）时分别声光提示。（2） 加热时有工作状态灯显示。（3） 提高显示精度（4） 改善控制方法，提高控制精度。（5） 自由发挥。【系统设计】一、 系统设计方案。设定温度净水（控制对象）执行单元（加热棒）PWM调节单元温度显示（数字表头）温度补偿温度测量（AD590）补偿电路图1.系统框图（1） 温度检测模块：使用AD590做为温度传感器进行温度检测。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，流过器件的电流（uA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：灵敏度为1uA/K。其测温范围为-55+150，电源电压范围为4V30V。（2） 处理计算模块：使用运算放大器组成的最基本的加减运算电路实现信号的处理。（3） 显示提醒模块：水的温度由数字表头显示，加热时有灯光提醒，不加热时小灯熄灭。（4） 基于PWM的控制执行模块：使用脉宽调制技术实现加热器的功率控制。SG3524是通用型脉宽调制器（PWM），属于数字、模拟混合型集成电路。输出方波占空比可在050%之间调节。二、 单元电路设计。（1）温度检测部分（供选择的温度传感器有Pt100和AD590）器件的选用：Pt100：铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。 表1.Pt100的分度表温度（）阻值（Ohm）温度（）阻值（Ohm）-5080.3180130.9-4084.2790134.71-3088.22100138.51-2092.1110142.29-1096.09120146.070100130149.8310103.9140153.5820107.79150157.3330111.67160161.0540115.54170164.7750119.4180168.4860123.24190172.1770127.08200175.86由上表可知，其阻值随温度的变化是非线性的，使得测量起来不是很方便。AD590：AD590温度传感器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。其规格如下： 1、 度每增加1，它会增加1A输出电流2、 可测量范围-55至1503、 供电电压范围+4V至+30VAD590的管脚图及元件符号如下图所示：图2.AD590的管脚图及元件符号AD590的输出电流值说明如下： 其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Iout=（273+25）=298A。 AD590基本应用电路：图3.AD590基本应用电路注意事项：1、 Vo的值为Io乘上10K，以室温25而言，输出值为10K298A=2.98V2、 测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。综上所述，温度传感器选用AD590。其基本的测温电路如下：图4.基本测温电路电路及相关参数分析：、 AD590的输出电流I=（273+T）uA (T为摄氏温度)，因而测量的电压V=（273+T）uA X 10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又不能使电流分流出来，这里使用电压跟随器，其输出电压等于输入电压。、 由于一般电源是带杂波的，因此，使用稳压二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，使其输出电压V5调整至2.73。、 接下来使用差动放大器，输出V10=V6V5=T/100,这样，如果现在温度为25，输出电压就为0.25V。（2）处理计算单元，图见附录一 放大器U3是一个电压跟随器，其输出电压对应着设定温度值。实验中U3的输出值为0.35V，对应的温度值为35。U4为一差动放大器，与实际温度对应的电压值相减，得到差值，输入到SG3524中。（3）控制执行单元：SG3524开关电源集成控制器采用了先进的脉宽调制（PWM）控制，工作频率高于100kHz；工作电压范围为640V，片内基准电压为5V，基准源负载能力达50mA；片内开路集电极、发射极驱动管的最大输出电流为100mA；工作温度范围为0十70。SC，SG3524引脚配置图与内部结构框图如图所示：图5.SG3524引脚图图6.SG3524内部结构框图SG3524的主要部分说明如下：（1）基准源。SG3524从脚输出5V基准电压，输出电流可达20mA，片内除“或非”门外，其他部分均由其供电，此外该电压还兼作误差放大器的基准电压。基准源的电压输入范围为840V，电压调整率为0.01，负载调整率为0.4，温度系数为210(-4)/，内设过电流和短路保护。（2）误差放大器。SG3524片内误差放大器由一对差分放大器和一级单管放大电路等组成，开环增益60dB以上，输出阻抗为5M。放大器由5V电压供电，其共模输入电压范围为1.83.4V，需要将输入基准电压分压送至误差放大器脚（正电源电压输出）或脚（负电源电压输出）。为使放大器能稳定工作，一般在脚对地之间接入RC网络，RC网络的电阻和电容的值可分别取50k和1000pF，以补偿系统的相移和频响特性。SG3524无专门的死区时间控制端子，而是靠基准电压分压至误差放大器的脚，通过限制脚的高电平数值来控制死区，为了不影响片内性能，可在脚与分压端之间串联二极管，使脚电位低于分压端电压时分压电路不起作用。（3）控制关闭端。误差放大器的输出端受片内关闭电路晶体管的控制，利用外部电路控制晶体管的导通与截止即可控制输出脉冲的工作与关闭。脚为控制晶体管基极的输入端子。利用SG3524的控制关闭功能可实现电源的软启动和过电压保护等。（4）电流限制电路。电流限制电路采用单管放大工作方式，其基极预先加一定偏置电压，当电流检测输入正端（脚）和负端（脚）之间电位差大于200mV时，放大器使脚电位下降迫使输出脉冲宽度变窄，限制电流的增加。该电路的共模输入电压范围为IV，因而可以从地线回路中取得过电流信号。因电流限制电路增益较低，控制脉宽时存在较大的过渡区，电流开始限制值与实际工作值相比应有一定的裕量，利用该电路可限制主变换器的输入电流（输入与输出电气不隔离时），同时将脚接地，脚可作为附加关闭输入端子。（5）比较器。锯齿波的电压与误差放大器的输出电压经比较器比较，当锯齿波电压高于误差放大器输出电压时，比较器输出高电平，“或非”门输出低电平，使输出晶体管截止；反之，锯齿波电压低于误差放大器输出电压时，比较器输出低电平，使输出晶体管导通。（6）触发器。经触发脉冲触发，触发器两输出端分别交替输出高低电平，以控制输出级“或非”门的输入端。两个“或非”门各自的三个输人端分别受触发器、振荡器和比较器（脉宽调制器）的输出脉冲控制。（7）输出晶体管。它是由两个中功率NPN型晶体管构成，每管的集电极和发射极都单独引出，其中还包含抗饱和电路和过电流保护电路，每管可输出100mA电流。 在本系统中SG3524的外围电路如下：图7.SG3524的外围电路3.电路连接图。图8.系统电路连接图【实验调试过程】1、 稳压管D1不稳压。在调试过程中发现稳压管D1不稳压，初步怀疑是稳压管不在正常工作状态，可能是R1太大，开始R1阻值为1.2K欧姆。于是进行实验，电路图如下：图9.稳压管测试电路通过调节R2的阻值，使稳压管D1上端电压逐步上升，发现其电压到达6V时不再变化，然后测量R2阻值，为105欧姆。结论：与稳压管D1串联的电阻应小于205欧姆，才能使稳压管D1工作在稳压状态。于是选取R1=200欧姆。2、 电压U5一直无法稳定在2.73V。在调试中发现U5在总在变化，没有按预想的稳定在2.73V。将R3换了很多阻值也无济于事，最后将电位器R10换了后，电压才稳定在2.73V。应该是电位器R10有问题。3、 SG3524的调试。调试过程花时间最多的单元就是PWM脉宽调制单元。最开始用的是SG3525，由于资料不充足，对SG3525的使用不甚了解，以至于没有出现方波。后来换成了SG3524，在老师的帮助下才调出了预想的方波。4、 加热电路。加热电路是由功率三极管TIP122，加热器，保护电路和电源组成。功率三极管作为开关使用。一开始，功率三极管没有加保护电路，刚接通表面温度就非常高，这样会烧坏功率三极管。在老师的提议下，加上了保护电路，并且还加上了散热片，进一步减小对功率三极管的损坏。5、 差动电路的调试。此次实验中，差动电路的调试很顺利，电路实现的功能和预想的功能一样，只是在调试过程中发现电压倍数有点问题。调试过程中才知道SG3524的输入电压范围是1-4V，而从U4输出的电压总是小于1V的，这样无法到达目的。于是，让U4的放大倍数为10倍（之前是1倍关系）,这样就能实现PWM调制了。6、 AD590的放置。首先想到用一个薄的塑料包住AD590，以防止其两个管脚在水中短接。但是在实际测温过程中发现，这样用塑料包住AD590，不能很好的散热，水温降下来了，但是AD590感应到的温度一直居高不下，这样是不可取的。后来采取了测杯壁的温度，这样效果比较好，因为玻璃杯导热性能好。【结果及分析】实验结果：表2.水温随时间变化表水温（）时间(分：秒)水温（）时间(分：秒)2630:00346:54270:25339:04280:4232.411:36291:043312:31301:293413:01311:543514:46322:023416:36332:313318:41343:1132.421:2134.85:043322:11图10.水温随时间变化曲线实验结果分析：开始记时时，水温为室温26.3。开始加热时，加热器功率比较大，加热速度快，温度上升很快。随着温度的上升，加热器功率慢慢降低，加热速度也减慢，加热到34就停止加热，此时温度由于惯性还会进一步上升，第一次测量最高温度为34.8。之后温度开始缓慢下降，下降到34时，加热器又开始工作，但是温度还是会下降，下降到最低的32.4。之后便一直在这之间循环变化。第二次测量最高温度为35。【结论】由实验结果可知，此系统能实现课程的设计任务，达到设计要求，水温稳定在35，误差在3，并且能显示实时水温，还有加热状态灯提示。通过此次课程设计，使我进一步了解了1、 电子电路设计的相关步骤：进行任务分析，方案论证，设计单元电路，计算参数和选择元器件，电路仿真，实验和调试，实验结果记录，分析结果，整理资料。2、 相关仪器的使用方法：万用表、双通示波器、教学电源、面包板、数字表头等。3、 基本电路单元的设计：差动放大电路、PWM产生电路、稳压电路、4、 基本器件的使用：稳压二极管、功率三极管、uA741、SG3524、发光二极管。将设计提示中的单元电路组合在一志便于工作构成图127 所示的温控电路。温控电路的控制过程是：电路刚接通时UA-UB小，VCUTH1，E点为高电平U2，T1、T2饱和导通，15V电源对100/2W加热，使加热器温度升高，Rr随温度的升高，阻值逐渐减小，UA-UB逐渐增大，UC随之增大，当UC=UTH1时，E点又由高电平跳变到低电平-Uz，T1、T2截止，加热器停止加热，温度降低，RT的阻值增大使UA-UB减小，当减小到UC=UTH2时，E点又由低电平翻转到高电平，再次加热，如止循环，使温度恒定。要求：根据电路中给定元件参数和电压，计算电路的其它参数。水温自动控制设计具有简单人工智能的温度控制电路，使用该电路进行温度控制时，只需将开关打在2的位置，通过设定控制温度，并通过3位半数显表头所显示的温度值，即可精确地控制温度，使得温控操作变得十分方便。一电路工作原理：1. 温度采集：电路中使用LM35电压型集成温度传感器，使得温度采集变得简单。LM35是一种内部电路已校准的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温度成正比，线性度好，灵敏度高，精度适中其输出灵敏度为10.0MV，精度达0.5其测量范围为-55150。2. 显示设置：根据LM35的输出特性可知，当温度在0150之间变换时，其输出端对应的电压为01.5V，此电压经电位器W1分压后送到3位半数字显示表头(由ICL7107及有关电路组成)的检测信号输入端在输入端输入的电压为1.5V时，通过调节电位器使显示的数值为150.0,经调整后数显表头显示的数值就是实测的温度值。3. 温度设置：温度控制选择可通过电位器W3来实现通过调节W3可使其中间头的电压在01.2V之间的范围内变换，对应的控制温度范围为0120，完全可以满足一般的加热需要。将开关K打在2的位置，电位器W3中间头的电压经过电压跟随器A后送到数显表头输入端来显示控制温度数值调节电位器W3，数显表头所显示的数值随之变化，所显示的温度数值即为控制温度值电位器W2为预控温度调节，其电压调节范围为00.27V，对应可调节温度范围为027此电位器调整后，其中间头的电压与电位器W3中间头的电压分别送入比较放大器B(放大倍数为1）的反相及同相输入端，B输出端的电压为二输入电压之差此电压对应两个设定的温度值之差例如将W1调至0.05V，对应温度5；将W调至O.80V，对应温度80B的输出电压为0.75V，表示温度75此电压与集成温度传感器输出的电压送到电压比较器C中进行电压比较4温度控制：1，当LM35输出的电压小于B的输出电压时，C输出高电乎，可控硅T1因获得偏流一直导通，交流220V直接加在电热元件两端，进行大功率快速加热。大功率加热灯（红，绿）灯亮。2，当LM35输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电乎，可