E型热电偶0到300度毕业设计

1、O温M幟逮技殆摩喘Wenzhou Vocational & Technical College毕业综合实践文档题目数字式温度测量控制电路的设计系 另电气电子工程系专 业： 电子信息工程技术班 级： 电子0903学 号： 09034338作者：指导老师： 专业技术职务： 2012年3 月浙江温州温州职业技术学院毕业综合实践开题报告姓名:学号：专业：电子信息工程技术课题名称：数字式温度测量控制电路的设计指导教师:2011年12月19 日本课题意义及现状、需解决的问题和拟采用的解决方案本课题的意义：在科研工作和成产过程控制中，往往需要对温度进行测量，数字式温度计是 采用“温度传感器”进行测量，数码管

2、 LED直接显示出被测温度值。这种数字显 示不仅直观、测量精度高，而且便于控制。现状：传统的温度计有反应数度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点。所 以出现数字温度表。它与模拟式温度表相比较，归纳起来有：准确度高、测量范 围广、灵敏度高、测量速度块、使用方便、自动化程度高、读数清晰直观方便。需解决的问题：将温度量转换为成比例的模拟信号。将模拟量转换成数字信号。通过数字电路显示出被测温度值。实现温度控制。解决方案：1、传感器可以采用E型热电偶，通过电桥实现温度补偿。整流电桥的输出电 压作为运放构成的差动放大器双端输入信号。2、A/D转换器以9V作为基准电压VREF ,差动放大器输出的电压与基

3、准电 压VREF进行比较，输出相应的二进制数。3将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压VREF，用实际测量值与VREF进行比较，比较结果（输出状态）自动地控制、调节系统温度。4、通过译码后，由4个7段数码管显示出温度值。指导教师意见：指导教师：年 月 日专业教研室审查意见：教研室负责人：温州职业技术学院毕业综合实践任务书专业 _ 班 级 学生姓名一. 课题名称：_ _ 数字式温度测量控制电路设计（配用E型热电偶，测量、控制范围 0 300C，控制精度0.5级）二. 原始资料要求： 了解测温控制电路的类型及目前温度测量控制仪表的发展 趋势。要求所选用的电路为数字集成电路，选用的元器件较为先进且

4、市场上可以购 买。参考资料较为新颖。三. 课题要求：在给定的条件下，完成数字式温度测量控制电路的设计，并根据所设计的内容编写设计说明书。四课题内容：（1）完成数字式温度测量控制电路的方案图，确定设计方案。（2）分析各单元电路的工作原理和特性，并有必要的计算。（3）说明主要集成电路芯片的功能、 特点和基本工作原理。（4）简述测量控制电路的调试方法。（5）画出完整的电路图。（6）编写设计说明书。五课题完成时间：2011年 12 月19日至 2012 年4月6日指导教师：教研室主任：系主任：温M幟逮技殆摩喘Wenzhou Vocational & Technical College毕业综合实践课题名

5、称：数字式温度测量控制电路的设计作者：学号：系 另电气电子工程系专 业：电子信息工程技术指导老师：专业技术职务2011年3月浙江温州课题摘要本文主要设计是以E型热电偶的温度测量系统。温度是一个基本物理量，也是 一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。测量温度的器件有热电 阻，热敏电阻，热电偶，二极管等都。热电偶的特点：热电动势之大，灵敏度之高属 所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不 甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。E热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康 铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性气氛中，广泛为采用。本设计采用了 7

6、809、7909稳压三极管，固态继电器，ICL7107CPL译码显示集 成芯片，0P07和LM324放大器，E型热电偶和4位数码管组成的系统，来实现温度 的实时显示。关键词：E型热电偶温度测量放大器A/D转换译码显示1引言12设计内容及要求22.1任务设计框图23电源电路33.1三端电源稳压管7809,790934热电偶E型热电偶55运算放大器的设计76运算放大器（OP07 87温度控制及报警电路97.2四运算放大器（LM324） 108译码显示电路 128.1 A/D 转换芯片 ICL7107CPL128.2积分电路148.3 温度译码显示电路 158.4温度零位校准电路 168.5 ICL

7、7107的电源供应 188.6 8421 BCD 码对应的显示 188.6.1 共阴4位数码管189固态继电器21结论23致谢24参考文献25附录A26附录B271引言在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，在温度测量中， 热点偶的应用极为广泛，它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性 小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时 不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子，管道内的气体或液体的温 度及固体的表面温度。热电偶作为一种温度传感器，热电偶通常和显示仪表，记录 仪表和电子调节器配套使用。热电偶可以直接测量各种生产中从0C到13

8、00 r范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。本文所要设计的是基于运算放大器的 具有冷端补偿的热电偶测温。所要设计包括三部分，热电偶，冷端补偿，运算放大 器。热电偶选用的为E型热电偶，补偿采用是桥式补偿电路，运算放大器则用的是 运放比例较大而输出阻抗比较小的仪器仪表放大器。热电偶冷端补偿计算方法：从 毫伏到温度：测量冷端温度，换算为对应毫伏值，与热电偶的毫伏值相加，换算出 温度。从温度到毫伏：测量出实际温度与冷端温度，分别换算为毫伏值，相减後得 出毫伏值，即得温度。热电偶具有以下特点：装配简单，更换方便压簧式感温元件，抗震性能好测量范围大（200C1300C ,特殊情况下270C2800

9、C）机械强度高，耐压性能好耐高温可达2800度以上优点，是制作温度传感器最合适的材料2设计内容及要求1) .配用E型热电偶，测量、控制范围为300C。控制精度0.5级2) 将温度量转换为成比例的模拟信号。3) .将模拟量转换成数字信号。4) .通过数字电路显示出被测温度值。5) .实现温度控制。2.1任务设计框图图1设计任务原理框图3电源电路R2 2767809470UF/25VR2 276A11R5C1C3 4D1233UF/16V2X16V-V6MFO633RI D105V39kT13V，因此Ui(+) Ui(-)，比较器输出高电平， 经过R11分压使Q2导通，继电器线圈得电吸合，红灯亮，

10、说明温度过高，停止加 热。7.1小功率三极管90139013 结构：NPN集电极-发射极电压25V集电极-基电压45V射极-基极电压5V集电极电流0.5A耗散功率0.625W结温150 C特怔频率最小150MHZ放大倍数：D64-91 E78-112 F96-135 G122-166 H144-220 I190-3007.2四运算放大器(LM324)集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种集成器件，早期主要用来实现对 模拟量进行数学运算的功能，目前随着器件性能的改进，它已成为通用的增益器件， 应用范围非常广泛。从电特性来看，集成运放接近理想的电压放大器件，它不仅有 很大的输入电阻和很小的输出电

11、阻， 而且还有很高的电压增益，此外，静态工作时, 它的输入和输出电位均为零，这样，在与其它集成运放连接时，就不需要考虑它们 之间的电平配置问题。LM324是四通道的低功耗运算放大器，它的内部包含四组形 式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立，其性能参数有以下 几个方面：单电源工作方式，工作电平 3V30V低消耗电流：约0.8 mA低输入偏移：输入电压偏移：3 mv (Typ);输入电流偏移：2 nA (Typ)开环增益：100V/mv = 100 dB (Typ)宽响应频带8译码显示电路+5V11a7 8 91 1 1 3 4 1 6 1 8 1 00 9TCL7107CPL9

12、 8 7 6 5 4 3 2 1k/4C142c0AORO.Oluf51cf DnMVR65R64,1 III K91k1M-5V图11译码显示电路8.1 A/D 转换芯片 ICL7107CPLICL7107是高性能、低功耗的三位半 A/D转换器电路。它包含有七段译码器、 显示驱动、参考源和时钟系统。ICL7107可直接驱动发光二极管（LED ）。ICL7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有地域10uF的自动校零功能，零漂小于1Uv/C，低于10PA的输入电流，极性转换误差小于一 个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元压力规管和其它桥式传

13、感器时会有更突出的优点f D3(1F3 E3 (1003G3丿BP.GND图12 ICL7107CPL管脚图U18.2积分电路3132VIN+ACOM0.1UFR41LC47K C4|0F U3028273433363537LR1 1393800K_IIC11 140100PF图13积分电路图OSC2OSC3VIN-VBUFFCAZVINTCREF+CREF-VREF+VREF-TESTOSC1A1，B1C1D1 E1 F1G1 A2 1B2C2D2E2F2 G2 1A3B3 C3 D3E3F3 1G3AB4POLGND5432867121110914132523162415181722192

14、021在信号积分阶段，自动校零回路断开，内部短接点也脱开，内部高端输入和低端输入与外部管脚相连。转换器将IN HI和IN LO之间输入的差动输入电压进行一 固定的积分，此差动输入电压转换器的电源电压没有回转，可将IN LO连接到模拟公共端上，已建立正确的共模电压。此积分阶段的最后，积分信号的极性也已经确 定了。最后一个阶段是反向积分阶段、低端输入在芯片内部连接到模拟公共端，高端 输入通过先前已充电的参考电容进行连接，内部电路能使电容的极性正确的连接以 确保积分器的输出能回到零。积分器的输出回到零的时间正比于输入信号的大小，Vin对应的数字输出为：显示值=1000XVrefICL7107芯片的3

15、3、34脚接基准电容，27、28、29脚组成积分电路，27脚接积分电容，29脚接自动调零电容（此元件宜选用无感式涤纶电容）。28脚接积分电阻（注意：积分电容和积分电阻应保证质量）。38、39脚的电阻和电容共同构成IC内 部振荡器的RC电路。该电路的时钟频率为45kHz。30、31脚为模拟量输入端，两脚 间的电容为输入滤波电容。31脚外接的电阻为限流分压电阻。该电路 35脚接地， 36脚作为基准电压输入，也称作定标系数调节电压，36脚电压至关重要。我们可以 通过公式N=1000V/Vnef,来计算它的定标系数。N表示数码管显示数值，表示 31脚 输入电压的变化值。例如：设36脚的电压为223mV

16、被测电压（即A B两点间电压） 有1V变化时，31脚电压有2.23V的变化，那么根据公式 N=1000X 2.23m 2.23mV 计算可得N=1Q即显示值每10个字对应测量电压1V。ICL7107的20脚为负极性指 示。8.3温度译码显示电路+5V图14温度译码显示电路8.4温度零位校准电路313230R315KR2RPIIK2927C2-II0. luh33眩VIH-VBUFFCAZVI NTCREF+CREF-VREF+VREF-J7403938丸C1C2C3TEOSCECE/JB1C1D1E1F1G 理B3Q边E2F2G2越B3C3功E3F3G3曲图15数字温度计电路图自动较零阶段:在

17、自动较零阶段做三件事。第一，内部高端输入和低端输入与外部管脚脱开， 在内部与模拟公共管脚短接。第二，参考电容充电到参考电压值。第三，围绕整个 系统形成一个闭合回路，对自动校零电容 Caz进行充电，以补偿缓冲放大器、积分 器和比较器的失调电压。由于比较器包含在回路中，因此自动校零的精度仅受限于 系统噪声。任何情况下，折合到输入端的失调电压小于10uV。差动输入：输入端能承受输入放大器允许的共模电压范围内的差动电压。即在比正电源低0.5V和比负载电源高1V的范围。在此范围内。电路有86dB的共模抑制比。然后必 须注意的是积分器的输出不能进入饱和区，一种最坏的情况可能是在输入端有一接 近满量程的负向

18、差动电压，同时又有一个较大的共模正向电压，负向的差动电压似 的积分器的输出向正方向走，而此时积分器输出的正向摆幅又正被正向共模电压所 挤占，在这种严格的应用条件下，可适当地牺牲一些精度，将积分器的输出电压摆 幅降低到低于所推荐的2V满量程。积分器的输出可在比正电源低 0.3V的范围内摆 动而不影响线性度。差动参考源：参考电压能够在转换器的电源电压范围内的任意位置上产生。共模误差的主要 来源是翻转电压，这是由于参考电容对其接点上的分布电容充电或者放电造成的。 如果有一较大的共模电压，在正电压输入下进行反向积分时，参考电容回得以充电（电压增加）。反之，在负电压输入下进行反向积分时， 参考电容会失去

19、电荷。这种 由于正负输入电压而在参考电容上早场的电压差异会导致翻转误差。然而通过选择 参考电容，使得它比分布电容大许多，则最坏情况下的误差可以控制在0.5个显示字之内。模拟公共端：此管脚主要是为在电池供电的应用场合或者输入信号相对于供电电源是浮动的 系统中建立一个公共电压而设置的。COMMON脚设置的电压比正电源约低 2.8V，这 样的选择可以使电池电压低至接近 6V时仍然能工作。然而，此模拟公共端有一些参 考电压的特征。只有当总的供电电压足够高使得稳压管能工作时（7,此公共点的电压才有较低的电压系数（0.001%和较低的输入阻抗（15Q ），典型情况下 的温度系数小于80ppm/C。另外，片

20、上参考源的一些不足也必须充分予以重视。在ICL7107中，由于驱动LED数码管而导致的内部发热会使性能下降。由于塑料的热阻比陶瓷的大，因此塑 封电路比瓷封电路在这方面的性能要差，由于参考源的温度系数、片上功耗和封装 的热阻原因，会使接近满量程时的噪声从 25uVp-p上升到80uVp-p。另外ia，高功 耗（例如显示值为1000, 二十段显示）与低功耗（例如显示值为 1111,八段显示） 使得线性度之差会达到一个字，甚至更多，参考源有正温度系数的电路量程溢出时 会多出几个字。这是因为溢出时三个低位数字均不显示，而处于低功耗状态。相似 的，参考源为度温度系数的电路会在溢出和非溢出读值之间来回交替

21、变化。这是由于芯片不断被加热和冷却的结果。所有这些问题在使用外部参考源时自然就解决了模拟公共端在自动校零和反向积分期间与低端输入回路相连。如果IN LO不同于模拟公共端，就会在系统中产生一共模电压并会被电路有一的共模抑制特性所抑制， 然而在某些应用场合，IN LO会被设置成一已知的固定电压（比如电源的公共端）， 这时，模拟公共端也应接至此同一点，以消除电路上的共模电压。此问题对于参考 电压也同样重要。如果参考源方便地接至模拟公共端，就必须要接。因为只有这样 才可以消除由于参考源系统而引入的共模电压。在芯片内部，模拟公共端连接至一N沟道场效应管，该管子有约30mA的陷电流 能力，以使模拟公共端的

22、电压维持在此电源电压低至 2.8V （当有衣服在将此公共电 网正上端拉时）。但是该模拟公共端只有10uA的源电流能力。由于此，COMMON 端可方便地连接至负电压而不必考虑内部的参源。8.5 ICL7107的电源供应ICL7107设计工作于+-5V的电源电压，如果负载电源没有时，可利用时钟输出信 号i ,外接2只二极管，2只电容和一块廉价的集成电路来产生这个负电源。 事实上, 有些系统是可以不用负电源的，用单一 +5V供电的前提是：1）输入电压可以共模方式的中心电压为参考。2）输入信号电压小于+-1.5V3）采用外接参考源。8.6 8421 BCD 码对应的显示n U3Sbi8 A图16 CD

23、4511对应BCD码8.6.1共阴4位数码管数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。如图16所示。数码管分类：数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“ 8”可分为1位、2位、4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是 指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COMS到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有 发光二极管的阴极接

24、到一起形成公共阴极（COM的数码管。共阴数码管在应用时应将 公共极COM接到地线GNDk，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段 就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。驱动方式：数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我 们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类：1. 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片 机的I/O端口进行驱动，或者使用如 BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态 驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要

25、5X 8= 40根I/O端口来驱动，要知道一个 89S51单片机可用的I/O 端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动， 增加了硬件电路的复 杂性。2. 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。动态驱动 是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，每个数码管的公共极COM曾加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当输出字 形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但是哪个数码管会显示出字形，位选 通CO朗电路的控制，我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示 出字形，没有选通的数码管就不会亮。

26、通过分时轮流控制各个数码管的的COM端就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管 的点亮时间为12ms由于人的视觉暂留现象及发数码管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。A5461AH4位共阴数码管介绍：所谓4位数码管，就是将4个数码管显示段的管教连在一起，以及 4个位驱动的管脚。如图17所示，工作原理和单个1位数码管一样1 10 5 3图:17 4位共阴数码管内部逻辑图ESSESAC3 3 f0b C3OLCD.D DP叵回叵叵叵巨图18 4位共阴数码管管脚分布图9固态继电器固态继电器有三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出电路。按输入电

27、压的不 同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有 些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电 器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器 的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流 输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或 功率场效应管。固态继电器的优点：高寿命，高可靠：固态继电器没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由 于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器 的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿

28、命长，可靠性高。灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较宽，驱动 功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了 电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电 流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。固态继电器的缺点：导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达12V，大功率晶体管的饱和压降也在12V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点的接触电 阻大。半导体器件关断

29、后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔 离。由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大 于同容量的电磁继电器，成本也较高。电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰 能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或 RC阻尼电路对其进行过 载保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关， 温度升高，负载能力将迅速下降。主要不足是存在通态压降（需相应散热措施），有断态漏电流，交直流不能通用，触 点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标差。图19固态继电器实物图结论以前对自己学的专业

30、了解的仅仅是一个概念，或者是说是一个框架，没有任何 实在的内容。通过这次课程设计了解到了网络、信息和电气设备基本工作情况。也 对自己在数字和模拟电子方面的能力有了更客观的评价，在这次设计过程中，从最 基本的查元件，找资料做起，了解了完整的电子设计的一般步骤，也和同学们共同 探讨研究，学到了很多课堂上学不到的东西，也遇到了各种各样从没想过的问题， 并认真的解决了它们，这些知识为我今后的学习奠定了基础，激发了我继续学习的 和探索真知的热情。致谢在这2个月的时间里，从对课题的理解，方案的设计，至V电路的制作，再到论文 的写作，中间有着自己的努力，更有着老师和同学的关心和巨大的帮助。感谢王瑞 阳老师在很忙的情况下，还经常抽出时间来为我们讲解课题的要点，弓I领设计的思 路。王老师本身就是一个严格要求学生的人，他对学生认真负责的态度让我由衷地 敬佩。感谢同学们给予我无私的帮助，他们对我