温度的检测显示与控制器的设计制作

一 实验目的一 实验目的 1 学习温度传感器的原理 特性及基本使用方法 2 熟悉集成运算放大器在测量电路中的实际运用 3 学习并掌握对非电量信号的检测与控制及其电路的设计与调试 二 实验原理二 实验原理 温度检测电路是由温度传感器 调整放大电路等构成 温度值的数字显示由 A D 转换器级相应的显 示电路等构成 检测电路与显示电路构成温度的测量系统 根据温度的测量值与预先设定的值进行比较 决定被控制对象是否进行加热从而使被控制对象的温度维持在设定值附近就构成了温度控制系统 温度 的控制系统由温度设定电路 比较控制电路和驱动加热电路构成 如下图所示为测量与控制系统的系统 原理方框图 系统原理方框图 装 订 线 P 1 温度传感器 本设计采用的是集成温度传感器 LM35 LM35 是美国国家半导体公司生产的 具有很高的工作精度 和较宽的的线性工作范围 工作电压范围为 4 30v 其输出电压与摄氏温度成线性比例关系 非线性温 度误差低于0 25 线性的温度系数为 10mv 无需其外部校准或微调 输出电压与温度的表达式为 Uout 10mv C t C LM35 的典型应用如下图 其供电模式有单电源与正负双电源两种模式 正负双电源模式可提供 55 到 150 的全程范围测量 单电源供电模式在 25 下的电流约为 50uA 温度传感器 LM35 测量温度的范围 0 到 100 其输出电压范围为 0 到 1v LM35 两种供电模式 2 控制驱动电路 系统控制就是为了克服各种扰动的影响 对系统中的某一个或某一物理量进行偏差纠正的运行 已 达到预期的系统稳定目标 最基本的的控制方式就是闭环控制 也称反馈控制 其要解决的主要问题是 系统动态过程和稳态时的性能 归结为三个字 稳 快 准 自动控制系统简单说是由被控制的装置和 被控制的对象组成 就是在无人直接参与的情况下 通过外加的装置 控制器 使被控制对象的某个 工作状态或参数 被控量 自动的按照预定的要求运行 下图为温度自动控制系统的工作原理图 P 温度自动控制系统工作原理图 在模拟电路系统中 如果被控参数单一 系统的扰动强度较弱 稳态性能要求不高 则可采用迟滞 比较器或滞回比较器 又称施密特触发器作为控制器实现基本的系统调控 如下图所示 迟滞比较器的 优点是加有正反馈 可以加快控制器的响应速度 当输出的状态一旦转换后 只要在跳变电压值附近的 干扰不超过 U 之值 输出电压的值就是稳定的 但随之而来的是分辨能力的降低 因为它不能分辨小于 U 的两个输入电压值 另外 迟滞比较器的正反馈很强 远比模拟电路中的寄生耦合强的多 因此 可 免除由于模拟电路寄生耦合而产生的自激振荡 增加了抗干扰性 迟滞比较器工作电路及电压传输特性 三 实验任务 三 实验任务 1 选用合适的温度检测传感器 设计一个能实现测量范围 0 100 测量精度为 0 1 的温度检测 给定值 Ut 测量值 Ut 比较运算调整驱动加热被控对象 P 转换电路 2 选用合适的集成基准电压源 设计一个能实现可调输出的基准电压源 3 设计一个温度加热控制电路 实现用电位器调节电压值的方式来设定控制温度值 当检测温度值 低于设定值时 加热电路工作 当检测温度值高于设定值时 加热电路停止加热 4 综合以上设计 完成一个能实现温度检测 控制和加热等功能的电路 绘制相应的电路图 同时 完成相应器件的选择和参数计算 制作电路板 进行器件安装和功能调试 5 完成设计方案 电路制作 功能调试等步骤的书面小结 四 实验电路设计四 实验电路设计 1 测温电路设计 测温电路设计图 如上图 温度传感器采用 LM35 采用单电源 5V 供电 在温度为 0 100 LM35 的输出电压为 0 1v 在 LM35 后连接电压跟随器 消除后一级电路对 LM35 测量输出的影响 由于 LM35 的输出存在一 定误差 且输出是线性的 之后可以连接电压微调电路 电路微调电路是由运算放大器构成的反向加法 器 一般情况下 LM35 的输出误差在几到几十毫伏 可以通过加法电路消除 且误差可正可负 所以通 过三排针根据实际误差 输入正或者负 5v 的电压 再经过电位器和电阻分压 产生消除误差所需要的电 P 压 由于反向加法器输出的电压是负电压 后面的显示电路和控制电路要求的是正电压 所以加法器后 连接反向器 从而保证温度为 0 100 测量电路的输出是 0 1v 2 控制驱动电路的设计 根据被控制对象的控制精度的不同要求 可选择不同的控制方式 在控制精度要求较高的场合 PID 比例微分积分 调节控制方式是最后的选择 它可以使系统快速地达到预设定的要求 并稳定在设 定值上 在控制要求精度不高的情况下 可选择二位式或三位式调节控制方式 二位式调节控制方式的 原理是当测量值低于设定值是 执行器件工作 满负荷输出 当测量值达到或高于设定值是 执行器停 止工作 没有输出 三位式调节控制方式的原理有两个设定值 Ur1 和 Ur2 且 Ur1 Ur2 当测量值低于设 定值 Ur1 时 执行器工作 满负荷输出 当测量值达到或高于设定值 Ur2 是 执行器件停止工作 没有 输出 当测量值介于设定值 Ur1 和 Ur2 之间时 执行器保持原来的状态不变 这种控制方式可避免执行 器频繁的启动或停止 但控制精度低 本设计采用二位式调节控制方式 用迟滞比较器作为运算控制器 用功率电阻做加热器 对一个封 闭的环境实行温度控制 根据这个要求可设计出运算控制和执行电路的原理图 设计运算控制与执行电路 P 控制端放大图 Ur 由 R43 和电位器 R39 分压给定 控制温度的电压为 0 1v 所以输入电压 5v 经 R43 和 R39 分压后 在 R33 上可输出 0 1v 的温度设定电压 运放 U4B 的 6 接线端接测量电路的输入电压 5 接线端接温度 设定电路的设定电压 运放 U4B 构成迟滞比较器 调整 R33 和 R36 的阻值可以调节迟滞比较器的回差 从而调节控制精度 回差的大小应视被控制对象的要求而定 太大控制精度低 太小控制精度高 但执 行器会频繁启动 迟滞比较器的输出经三极管 T1 放大后 驱动电位器 K1 由继电器 K1 实现对加热控 制电路通断的控制 加热电阻选择 10W 的功率电阻 图中 LED 用作指示灯 指示加热电路的工作状态 P 迟滞比较器 执行器电路原理 当检测值低于比较器的下限时 比较器输出高电平 T1 导通 LED 指示灯亮 继电器吸合 加热器工作 温 度开始上升 当温度的检测值高于比较器时 比较器翻转 输出低电平 T1 截至 继电器器 K1 释放 加热器停止加热 实验设计电路中利用 Header4 1 脚接地 2 脚接 Ut 4 脚接 Ur 3 脚接 ICL7107 的 Vin 用短路帽 将 2 3 脚连接 数码管显示测量值 Ut 将 3 4 脚连接 数码管显示设定值 Ur 3 A D 转换与显示电路 本电路采用 ICL7107 进行 A D 转换 ICL107 是一块应用非常广泛的集成电路 它包含 3 位半数字 A D 转换器 可直接驱动 LED 数码管 无须另加驱动器件 其内部设有参考电压 独立模拟开关 逻辑 控制 显示驱动 自动调零功能等 P 在本电路中 由于输出电压的范围为 0 1V 所以将 ICL7107 设置成量程为 2V 的模式 如下图所示 即将 AD 转换器的基准电压设置为 1V 即可 数码管显示部分 由于 ICL7107 能够直接驱动数码管 所以 只要将共阳数码管连接限流电阻后再与 ICL7107 的显示 段连接即可 由于要显示的量程为 2V 所以需要 4 位显现管 由于要精确到小数点后一位则在第二个 十位 加小数点 当温度为 28 时输出电压为 280mv 显像管显示为 28 0 如下图 显示电路采用了 ICL7107 集成芯片 TC7107 的供电电压为正负 5v 其基准电压 1v 由 5v 电源电压经 R20 和 R16 分压后提供 Header2 为调试时测量 VIN 电压的端口 P ICL7107 温控显示 五 安装和调试五 安装和调试 1 按照原理图安装电路板 经调试后发现数码管显示的数值很小 只有个位与小数位显示 并且控制电路不工作 按照电路图 从测量电路到控制电路一级一级的测量后 终于找到了 2 个安 装过程中的 bug 分别是 测量电路 R8 电阻本应该是 100K 但焊上了 10K 的电阻 控制电路中的 VT1 E B C 接反了 导致继电器与 LED 一直不工作 2 继续调试电路 发现当 Ut Ur 下限瞬间 执行器工作 电流突然增大 直接导致数码管显示 的值发生了跳变 具体是从 30 跳变至 60 这是不符合设计要求的 在叶老师的帮助下 我们小 组决定在电源输入端接上两个 1000uF 的电解电容 起到稳压作用 换上电解电容后 跳变之变小为 P 3 左右 但是我认为误差还可以变小 可以做到不发生显示值的跳变 经过讨论 小组决定将原本 1M 的 R36 换成 12M 的大电阻 经过调试 发现温度显示值连续变化 不管是测量值还是设定值都 可以通过数码管读取准确值 3 测量电路的阈值电压回差 设定 Ur 为 35 摄氏度