温度的检测显示与控制器的设计制作

装订线一、实验目的装订线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°CLM35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。给定值Ut被控对象驱动加热运算调整比较给定值Ut被控对象驱动加热运算调整比较测量值Ut测量值Ut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：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。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。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。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。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。ICL7107温控显示五、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VT1E、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