简易数字温度控制器设计制作论文

1、电子发烧友论坛数字显示温度控制器设计制作论文作者：汪志兴【摘要】：在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。 本次任务是设计一个数字显示温度的测量与控制装置.应用温度敏感元件和二次仪表的组合,对温度进行调节、控制,且能直接读数.经实验验证此控制器的性能指标优异,所以本次设计为温度测量与控制的工业应用奠定了一定的基础。【关键词】： 温度传感器 数字电压表表头 温度控制 执行机构一、数字温度控制器设计方案 根据设计要求，该温度控制器是既可以

2、测量温度也可以控制温度的上下限，并且上下限可以调节，其设计方案组成框图如图1所示。温度传感器采样保持电路A/D变换及显示电路效准电路下限控制电路上限控制电路温度控制比较器上限报警（声、光）关断下限报警（光）驱动被控对象执行机构电路直流稳压电源 图1 温度控制器原理框图因为要求对温度进行测量显示，所以首先采用温度传感器，将温度转换成相应的电压信号，并通过效验、滤波后送入A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。对温度被控制在设定值范围的任务，则将实际测量温度采集的信号与温度的设定值(基准电压)进行比较，根据比较结果（输出状态）来驱动执行机构，实现自动地控制、调节被控对象的温度。被控对象的温度与

3、给定两个设定的温度上下限（比较器）相比较，当温度低于下限温度值时，控制器（RS触发器）通过驱动执行机构（继电器）来实现加热，同时比较器驱动报警电路报警（光信号黄色）。当温度超过上限温度值时，比较器驱动报警电路报警（声、光红色信号），同时控制器控制执行机构执行停止加热。加热时比较器驱动加热电路信号（光信号绿色）。二、温度控制器电路的设计2.1、温度传感器的选择1、温度传感器集成芯片AD590简介AD590的外形采用TO52金属圆壳封装结构，其管脚排列如图 (a)。它是一种二端元件，属于一种高阻电流源，其典型的电流温度灵敏度是1A/K，温度为0时，AD590输出的恒流值为273.15A，当温度升高

4、或降低1时，AD590的输出电流就增大或减小1A。AD590测量温度范围是-55+150；在整个测温范围内的非线性误差小于±0.3；工作电压范围430V。由AD590组成的测温电路如图(b)所示。(a) AD590外形图 (b) 温度测量电路图2 AD590组成的温度测量电路在图 (b)电路中，由基准源MC1403提供的电流i0为： 调节RP1即可改变i0的大小。AD590输出电流的温度灵敏度为 1A/K，绝对温度与摄氏温度的关系为K=+273.15 。设要测量的温度为T（摄氏温度），则流过AD590的电流it为： 流过反馈支路的电流： 可见若要使，只要调节电位器RP1即可。此时放大

5、器的输出电压为： 若要求U0的灵敏度等于10mV/，可选R2=9.1k，RP2=2 k。电位器RP1是调零作用，RP2是调节满量程输出。集成运算放大器要选取高精度型器件。这里选用OP07。2、 温度传感器集成芯片LM35简介LM35是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器，如图3所示：  (a) LM35外形图 (b) 温度测量电路图3 LM35组成的温度测量电路    LM35是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10mV/；工作温度范围为0-100；工作电压为4-30V；精度为±1。最大线性

6、误差为±0.5；静态电流为80uA。其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换关系，0度 时输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。该器件如塑封三极管（TO-92）。综合分析温度传感器AD590与温度传感器LM35的特点，LM35温度传感器最大的特点是是使用时无需外围元件，也无需调试和校正（标定），只要外接一个1V的表头（如指针式或数字式的万用表），就构成一个测温仪。所以本次设计采用LM35温度传感器。2.2采样电路及校准电路我1、LM324集成芯片简介LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用 (330 V)，也可接双电源使用(±1.

7、5±15 V)，驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。 LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图4。  图4 LM324引脚图2、温度采样电路设计 当输入信号变化太快时，要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样。在两次采样之间保持上一次采样结束的状态。当电信号输入时Uo

8、对C充电，Uo=U1=Uc及输出电压跟随输入电压的变化，电信号中断时，电路处于保持周期，因为电容元件无放电电路，故U1=Uc，这种将采集到的数值保持一定时间。所以温度采样保持电路如图5所示 （a）电路 (b) 输入输出信号波形图5 温度采样保持电路3、 温度校正电路方案电路的电压放大倍数Au也仅由外接电阻决定：Au=1+Rf/R1，电路如上图图5所示，通过改变Rf来改变Uo与U1之间的放大关系即校准标准温度。2.3 上下限采集电路上下限采集电路采用反相交流放大器电路，此放大器可代替晶体管进行交流放大，电路的电压放大倍数Au也仅由外接电阻决定，上下限采集电路的电压放大倍数Au=1。如图6上下限采

9、集电路： （a）上限采集电路 （b）下限采集电路图6 上下限采集电路根据电工学知识分析：已知：Vcc=5V1、上限采集电路R=R2+R3+R4 =20k+5K+500=25500U1=I·R4=0.000196×500 =98mVU2=I·(R4+ R3)=0.000196×(5000+500)=1078mV所以有U2：U1=< U2 = <U22、下限采集电路R=R5+R6 =20k+5K=25000U3=I·0=0VU4=I·R6=0.0002×5000=1000mV所以有U3：U3=< U3 = &l

10、t;U4根据LM35的输出电压与摄氏温度成正比例的关系，即0度时输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。下限调节范围为0100摄氏度，上限调节范围为9.8107.8摄氏度。由于线路本身存在电阻，所以调节准确精度与计算结果有一定偏差。2.4 温度比较电路1、 LM393电压比较器简介LM393是双电压比较器集成电路, 电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器、过零检测电路等。该电路的特点是工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源:±1

11、77;18V；消耗电流小，Icc=0.8mA；输入失调电压小，VIO=±2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V；输出与TTL，CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门, LM393是双电压比较器集成电路引脚图如下：图7 LM393双电压比较器引脚图电压比较器是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，如图8所示。图8 (a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及地，同相端输入电压VA，反相端输入VB。VA和VB的变化如图8(b)所示。在时间0t1时，VA&

12、gt;VB；在t1t2时，VB>VA；在t2t3时，VA>VB。在这种情况下，Vout的输出如图8(c)所示：VA>VB时，Vout输出高电平(饱和输出)；VB>VA时，Vout输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。图8 电压比较器工作分析    如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图8(b)所示，则Vout输出如图8(d)所示。与图8(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。2、LM393 温度比较电路 （a） 上限比较电路 （b）下限比较电路图9 温度比较

13、电路U4in接温度采集输出，UR接上限比较电路。当当前温度低于上限时U5out输出高电平，高于高限时U5out输出低电平;U6in接温度采集输出，UR2接下限比较电路。当当前温度低于下限时U7out输出低电平，高于下限时U7out输出高电平。分析如下图10 （a）低限电平输出 （b）高限电平输出图10 上限限电平输出比较2.5 温度控制电路1、74LS00芯片简介74LS00是常用的2输入四与非门集成电路，其引脚如下图： 图11 74LS00引脚图A、引脚功能表： 管脚位符号名称及功能1, 4, 9, 121A - 4A数据输入2, 5, 10, 131B - 4B数据输入3, 6, 8, 1

14、11Y - 4Y数据输出7GND接地(0V)14VCC电源电压B、74LS00真值表ABY001011101110 2、RS 触发器RS 触发器是把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS触发器，其逻辑电路如图12所示。它有两个输入端R、S和两个输出端Q、Q非。 （a）逻辑电路 （b）逻辑符号图12 RS 触发器电路 基本RS触发器的逻辑功能入下表如下：RSQ逻辑功能010置0101置111不变保持00不变禁止将上限U5输出接于R端，下限U7接于S端。输出为Q非端，电平输出图13R加热保持加 热低限电平SQ非n+1高限电平上限关断加热下限执行加热下限执行加热下限执行加热关断

15、 图13 电平输出图2.6 执行机构及报警电路1、 继电器简介继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器被所控制的输出电路导通或断开。 继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。 因为继电器是由线圈和触点组两部分组成的，所以继电器在电路图中的图形符号也包括两部分：一个长方框表示线圈；一组触点符号表示触点组合。2、继电器组成的执行机构电路输入是由

16、RS触发器控制的低电平信号，需要控制继电器，因此我在继电器前加了放大电路。三极管的放大倍数一般都是一个范围。三极管的选择：考虑到安全稳定，耐压大于5V，最大集电极电流：大于继电器吸合电流的两倍以上；功率：大于5V继电器电流的两倍，管子的饱和压降越小越好，本次设计使用的是小功率的继电器选8550 PNP 高频放大 40V1.5A1W100MHZ 三极管。保护二极管，大于50V的整流二极管，正向压降越小越好。选1N4001即可。 图14 继电器组成的执行机构电路3、报警电路 （a） 上限报警电路 （b）下限报警电路 （c）加热信号图15 报警电路2.7 显示温度电路A/D变换及显示A/D转换器的主

17、要功能是将模拟电压或电流转换成数字量。实现A/D转换的方法很多，常用的有双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行比较式A/D转换器等。双积分A/D转换器的特点是转换精度高、灵敏度高、抑制干扰信号的能力强，价格低廉，可广泛用于数字仪表和低速数据采集系统中。另外，这类转换器的输出数据常以BCD码或二进制码格式输出，所以数字显示方便。常用的双积分式A/D转换器集成器件有ICL7106/7107/7109/7135、MC14433等。逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快，转换精度较高的转换器。一次转换时间在数微秒到百微秒范围内，广泛应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统

18、等领域中。与双积分式A/D转换器相比，逐次逼近式A/D转换器的抗干扰能力较差。目前常用的逐次逼近式A/D转换器集成电路有ADC0808/0809、AD574A、AD1674、ADC1210/1211等。并行比较式A/D转换器是一种转换速度最快的转换器，它最适合应用在数字通信技术和高速数据采集技术中。缺点是电路复杂，价格高。目前出现了一种串、并行A/D转换方案进行折衷，使电路结构简化，但速度有所下降。由于本设计用于检测显示温度信号，而温度信号变化比较缓慢，所以选择双积分式集成A/D转换器比较合适。测量显示电路选用双积分式A/D转换器ICL7107完成。ICL7107具有功耗低、精度高、功能完整、

19、使用简单等特点，是一种集三位半A/D转换器、段驱动器、位驱动器于一体的大规模专用集成电路，其主要特点为： 能够直接驱动共阳极LED数码管，不需另加驱动电路和限流电阻。 采用±5V双电源供电。 功耗小于15mW，最大静态电流为1.8mA。 段驱动电流的典型值为8mA，最小值为5mA。 显示器可采用7段共阳数码管。由ICL7107组成的三位半数字电压表电路如图14 所示，该电路即可作为温度显示电路。VCC 、VSS 分别为电源的正、负端。COM模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时通常将该端与输入信号的负端、基准电压的负端短接。TEST 为测试端。此端有两个功能，一是作“测试指示”，将

20、它与V+ 短接后，LED显示器显示全部笔画1888，据此可确定显示器有无笔段残缺现象。第二个功能是作为数字地供外部驱动器使用，构成小数点、标志符显示电路。分别为个位、十位、百位笔画驱动端，依次接LED显示器的个、十、百位的相应笔段。为千位（即最高位，也称1/2位）笔段驱动端，接千位LED的b、c段。POL是负极性指示驱动端，接千位LED的g段。GND为数字地，与37脚（TEST）经过内部500W电阻接通。OSC1OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。VREF+是基准电压的正端，简称“基准+”，通常从内部基准电压获取所需的基准电压，也可采用外部基准电压，以提高基准电

21、压的稳定性。VREF- 是基准电压的负端，简称“基准-”。CREF+、CREF-是外接基准电容端。IN+、IN- 为模拟电压的正、负输入端。CZA是外接自动调零电容端。INT 是积分器输出端，接积分电容CINT。BUF 是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。ICL7107显示的满量程电压与基准电压的关系为: VM = 2VREF。若将VRET选择1V，则可组成满量程为2V的电压表。只要把小数点定在十位，即可直接读出测量结果。由于ICL7017没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接+5V，小数点接GND时点亮，接5V或悬空时熄灭。在图 中，R1、C1分别为振荡电阻和振荡电

22、容。R2与R3构成基准电压分压器，调整R2的值可以改变基准电压，使VREF=1V，R2宜采用精密多圈电位器。R4、C3为模拟信号输入端高频滤波电路，以提高仪表的抗干扰能力。C2、C4分别为基准电容和自动调零电容。R5、C5为积分电阻和积分电容。图16 ICL7107组成的温度显示电路2.8、 直流电源电路 2.8.1、稳压电源设计 一、工作原理小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图17所示，其整流与稳压过程如图18所示。图17 稳压电源系统方框图图16 整流与稳压过程图18 整流与稳压波形（1）电源变压器是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的

23、交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路桥式整流电路由四只二极管组成的一个电桥，电桥的两组相对节点分别接变压器二次绕组和负载这种电路如图19所示。在工作时，D1、D2与D3、D4两两轮流导通。图19 桥式整流电路(3) 滤波电路滤波电路的作用是滤除整流电压中的纹波。电容滤波电路是最简单的滤波器，它是在整流电路的负载上并联一个电容C，如图20（a）所示。IouoTru2abD3D2D4D1u1RLCtuoo （a）电路 （b）波形 图20 桥式整流电容滤波电路及波形(4)稳压电路7805集成稳压器是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路，使用时应配上散热板。从正

24、面看引脚从左向右按顺序标注，接入电路时脚电压高于脚，脚高电位，脚接地，脚为输出位， 其引脚图如图21所示：1278053图21 7805引脚图 2.8.2 、直流稳压电源电路设计本电路采用以7805为核心的稳压器, 输出5V电压。该电源电压稳定,设计电路原理图如图22所示。图22 稳压电源电路图三 、整机工作原理当LM35把温度信号转换为电压信号，电压信号通过LM324采集后输入A/D转换器将模拟电压量转换成数字量并通过数码管显示出当前温度。上限下限通过电位器的分压后通过LM324电压跟随器采集后，通过转换开关也送入A/D转换器将模拟电压量转换成数字量也通过数码管显示上下温度。当前温度与上限温

25、度送入LM393进行比较输出相应的电平信号，当前温度与下限温度送入LM393进行比较输出相应的电平信号，上限温度信号与下限温度信号再送入RS触发器进行比较，输出相应的电平信号给三极管，通过三极管（饱和、截止、放大）的驱动来控制继电器的开通与关断，从而控制加热器对设备的加热。 在当前温度与上限温度送入LM393进行比较输出高低电平信号后接三极管，三极管驱动蜂鸣器和发光二级管，从而实现上限报警。当前温度与下限温度送入LM393进行比较输出高低电平信号后接发光二级管，从而实现下限显示。送入RS触发器的电平信号进行比较后，输出相应的信号给发光二级管实现加热显示。结 论1、本设计由温度检测、数据处理、温度控制和执行机构四部分组成，根据LM35温度传感器良好的线性特点，对加热器温度进行检测，减少了传感器的非线性误差。同时利用LM324对数据进行采集，信号经A/D变换得到相应的数字量，送到LM393中进行电压判断得到相应的控制量，送入RS触发器后驱动三极管去控制继电器的开通与关断而控制加热设备。2、在温度测控系统中，由于控制对象是电热设备，因而没有制冷效果，但是本次设计目的是控制最低温度为0，所以要求控制环境的环境温度不能低于0，否则就算等的时间再久，它的温度也只是环境温度，所以，测控系统的工作环境要求不能低于0。这也是本设计一大弊端