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多路温度巡检仪参赛队员：王超（05级）、魏军（06级）、王玉（06级）指导老师：周百新、郭爱琴学校院系：南京师范大学 电气与自动化工程学院摘要本系统用AD590电流型温度传感器对温度，温度差进行测量和数字显示。利用TI公司OPA2335低温漂精密放大器完成电流到模拟电压的转化，从而保证较高的测量精度，模拟电压用ICL7107集成数字表头实现精度0.1的数字显示。采用多路模拟开关、NE555定时器和编码器完成多路温度巡回检测和定点显示功能。当温度超过设定范围，可以进行报警。此系统主要采用模拟电子电路实现，成本低廉，性能稳定，抗干扰性能强，具有较强的实用价值。AbstractThis system can measure and display the temperature and temperature difference with the current mode temperature sensor AD590. With low temperature floats the precision amplifier OPA2335 from TI Corporation. The system completes the electric current to the analogue voltage transformation. The amplifier can guarantee the high measuring accuracy. The simulation voltage is displayed with the digital meter ICL7107 to realize the precision 0.1 digit demonstration. A use the multi-channel analog switches, the NE555 timer and the encoder completes the multi-channel tour examinations and the fixed-point demonstration function. When the temperature surpasses the hypothesis temperature range, it carries on the warning. This system is mainly form of the simulation electronic circuit. It has inexpensive cost, the stable property, resistance to interference and the strong use value.1.作品简介该温度巡检仪采用纯模拟电路实现。装置中采用线性度较好的温度传感器，进行多路检测，能将所测环境温度进行定时巡回数字显示，同时能巡回显示所测温度与外围当前环境的温度差值，并且显示误差能保证在。本巡检仪可应用于需要对温度实时监控的环境，如温控箱、医院病房、蔬菜大棚和粮仓等场所，具有实际的应用价值。具体指标如下：（1）四路温度数字显示，显示分辨率。（2）四路温度巡回，定点，实时显示；（3）四路测定点温度与外围环境的温度差巡回，定点，实时显示。（4）报警功能，上下限温度可任意设定，高于上限温度红色发光二极管亮，低于下限温度，绿色发光二极管亮。（5）测量温度范围为。（6）温度误差范围内。2.方案设计2.1 方案论证（1）温度检测单元方案一：采用热敏电阻或者热电偶作为温度检测元件，热敏电阻精度较高，但需要标准的电阻匹配才能使用，热电偶价格便宜，但精度低，需热端补偿，两者应用时的外围电路复杂，调试麻烦。方案二：使用一线式温度传感器，但是该传感器的使用是与单片机紧密联合一起的，对于纯模拟电子电路，不适合使用。方案三：采用作为温度传感器，它作为电流型集成温度传感器，在一定的温度范围内，它相当于一个恒流源，不易受到接触，引线电阻，噪声的干扰，能实现较远的距离的传输，并且它的线性特性十分优秀，因此采用方案三进行电路设计。（2）温度差检测单元方案一：将两路的温度检测单元输出的电压信号通过减法电路，求出其差值，其电压差值送入显示单元，作为温度差的显示。但任两路温度检测单元电路的元件参数不可能完全一致，误差无法有效地减小。原理示意图见图1。一路温度检测单元电路一路温度检测单元电路减法电路电压差值数字显示温度差图1：温度差方案一框图方案二：利用一个单元电路检测，使用两个芯片工作在一个独立的电路中，利用电流差值温度差的测量，搭接方便且利于校准，电路误差较小，故采用方案二。原理示意图见图2。两个同时检测不同温度的电流差值运放将电流差值转化为电压差值数字显示温度差图2：温度差方案二框图（3）数字显示单元方案一：采用常用的芯片，将模拟量转化为数字量，进行译码和灯管显示数值。这种方案的外围电路复杂，成本不低，精度也不高。方案二：使用数字表头。数字表是广泛使用的集成电路，它包括位数字转换芯片，可直接驱动数码管。据有自动调零，量程设置等功能，满足显示精度，使用也较为方便。本设计采用方案二。2.2 理论计算和分析（1）温度检测单元电路原理图见图3，图中运算放大器为TI公司的芯片，由于温度范围变化较广，对运算放大器的温度特性要求较高，TI公司的运算放大器为低温漂精密的型放大器，避免了FET运放温度每升高10度，电流的温度系数加倍的弊端。的失调电压的最大值为，零点漂移电压最大值，它适用于温度测量，传感器应用等场合，满足系统设计要求。图3：温度检测单元电路具体计算如下：稳压芯片输出电压，放大器反相输入端电位，故由基准源提供的电流为：输出电流的灵敏度是，摄氏度与绝对温度的关系，因此的电流为：反馈支路的电流为：，为使，调节电位计即可，为了将电流变化转换为电压，调节电位计，可得到放大器输出电压为：。这样将电流信号转换为电压信号，得到的灵敏度输出。（2）温度差检测单元电路原理图见图4，电路中用运放把输出的电流差变换为电压，输出的电压为为：电路中的电位计用于校准，当两路的温度相等时，对应电压值为零。温度差信号转化为电压信号，由数字表头显示。图4 温度差检测电路3.系统实现3.1.1 系统框图多路选择开关四路温度检测四路温度差检测单元巡回定时电路定点控制电路数字表头显示报警单元图5：系统框图系统框图见图5，温度检测的电路用电流型的温度传感器，使用TI公司的精密低温漂运算放大器将电流信号转化为电压信号，同时可以测定当前外围环境与被检测点的温度的温度差值；由于没有采用单片机，巡回功能采用了555定时器和分频电路完成；由多路模拟开关选通某一通道，模拟电压信号送入表头数字显示；并作为报警电路的输入信号，当测试点的温度超过设定温度范围时，发光二极管发光，达到报警功能。3.1.2 不同功能单元之间的接口设计本电路的单元电路较多，功能切换也较麻烦，必须要考虑各功能单元接口问题，采用的方案是继电器完成切换，由于需要同时切换四路功能，仅需将几个继电器的控制信号由一个电平控制，控制方便。3.1.3 电路设计（1）温度检测单元参考电压电路见图6，温度检测单元需要2.5V的参考电压，采用了TI公司的稳压芯片TL431，因为温度检测要对不同温度环境测量，这就对稳压芯片的温度特性有高要求，精密可调基准电源的重要特点是，全温度范围温度特性平坦典型，低输出电压噪声，保证测量精度，经过计算，滤波电容C电容值取值合适，没有使电路出现自激现象。图6：参考电压电路 图7：多路温度检测电路电路原理图见图7，模块采用的是电流型温度传感器，由将电流转化为模拟电压，具体原理上面已经计算论证。要进行四路温度巡检，可以采用4个相同的温度检测放大电路，并且由多路模拟开关控制各个通道轮流导通，由于OPA2335的输出电流很小，所以 CD4051上输出电阻的影响可以忽略不计，使测量精度得到保证。 （2）温度差检测单元电路原理图见图8，温度差显示与温度检测一样需要巡检，所以也是由多路模拟开关控制某一通道的导通。实际搭接电路中，运算放大器TL072的输出电压与理论计算值出现差异，模拟电压信号出现很大纹波信号，经分析是电路中存在数字电路和很多继电器电路会带来噪声电压，在原运算放大器的反馈电阻并联一个的滤波电容，利用负反馈原理，去除高频的纹波、噪声电压。图8 多路温度差检测电路（3）巡检及定点温度显示功能电路原理图见图9，定时功能采用定时器构成的多谐振荡器发生方波的方案，定时器内部比较器灵敏度高，振荡频率受温度影响很小，保证定时的精确性,定时为8秒钟，即8秒从一路巡检到下一路；巡回功能由触发器将分频的电平信号控制多路模拟开关的通道轮流导通。定点温度显示，即将送入地址端的电平信号锁定不变，可以直接控制的、端，使的地址端置位需要的通道号。图9 巡回检测控制电路（4）报警单元电路原理图见图10，该报警电路根据设定上下限的温度进行报警。设定温度通过分压电位器调节，并可以由数字表头显示设定的电压值，当测量的温度值比上限温度高时，放大器输出高电平，驱动红色发光二极管发光；当测量温度比下限温度低时，放大器输出高电平，驱动黄色发光二极管发光。图10 报警单元电路（5）数字显示单元数字显示部分使用的数字表头作为显示器件，电路原理图如图11。它是模拟数字转换的简单低价的方法，并且精度满足设计指标。输入电压范围是，故量程选。图11数字显示单元（6）电源滤波及接地在实际电路板设计焊接时，对电源和滤波予以充分考虑。电路中虽没有高频的信号输入输出，但存在数字电路和继电器线圈等，而数字电路的脉冲信号通常是高频信号，这对模拟电路有很大影响，同时模拟电路的电流波动对数字电路也是有影响，因此为保证电源不受其干扰，我们对每个运算放大器的工作电源都进行了滤波，通过与地之间并接一个电解电容和的独石电容。数字地和模拟地应该隔离。处理方式是单点接地，然后数字地和模拟地只有一个很小的点是连在一起。4.性能调试与测试分析4.1 系统调试方法（1）温度检测放大电路调试将的金属壳部分放入的冰水中，调节电位计，测量运算放大器输出电压为0V；然后将放入沸水中，调节运算放大器输出电压为，反复调节几次。（2）温度差检测电路调试将测温度差的两个保持在同一温度中，调节电位计，使其放大器输出电压为，同样的也是在不同环境中调节几次。（3）数字表头电路调试将直流电压信号输入到组成的数字电压表电路中，调节电位计。使其输出电压显示为199.9。（4）逻辑控制电路调试首先进行脉冲信号调试，将脉冲信号发生器输出连接到示波器中，观测输出波形。然后将信号引入计数器中，观测数码管的变化，同时测量模拟开关输出信号。4.2 作品测试方法4.2.1 测试仪器示波器一台直流稳压电源 微机电源 一台水银温度计 二支数字万用表 一台秒表一个4.2.2 测试方法测试方法是以水温作为测量介质，用水银温度计测量某一时刻的水温，同时读出显示的温度值，记录数据分析，温度差的检测方案同样以水温验证，将两个放入不同水温的水中，读出显示温度差值，记录数据分析；开启温巡检功能或者定点显示功能，用秒表记录巡回时间；报警电路测试：调节报警电路电位计分别设定上下限温度，对水温升温或者降温，观测报警是否正常工作。4.2.3 作品测试性能数据各项功能数据如下：表1为温度检测功能时，测得多组数据记录。表1：温度显示数据编号测量点实际温度（）数字显示温度（）温度误差（）10.0-0.2-0.2285.184.0-1.1375.574.7-0.8469.770.40.7556.557.00.5636.937.30.4表2为温度差检测功能时，测得多组数据记录。表2：温度差显示数据编号测量点1温度（）测量点2温度（）温度差显示温度差（）温度差误差（）189.70.089.3-0.4283.078.14.9-0.2378.375.33.00.0470.568.42.10.1558.050.78.5-0.2649.543.24.40.14.3误差分析实验数据的误差达到设定指标要求，温度显示功能时，其温度误差在左右，满足要求，同时观察数据发现在测高温时，温度值