温度测量控制(模拟表头显示)

第一节引言1・1设计任务与要求:目的掌握温度传感器的选择和接口电路的设计，能够针对被测信号的特点设计相应的信号处理电路，理解对测量系统的一般要求(精度、测量范围、响应速度),了解闭环(反馈)控制原理与应用。考核要求测量：测量范围：0~100°C；测量精度:±1C；响应速度：＞1SPS；控制：加热容量：100ml水；速度：10C/10min可以用电位器(数码电位器更好)设定温度值。提示需要选择线性良好的传感器，或者通过电路将其线性化;需要一支高精度的温度计来调试和校准电路允许采用搅拌结构；注意传感器与加热元件的隔离；需要采用PID控制，至少需要采用P控制第二节：前期准备中涉及到的相关技术资料简介2.1 温度传感器AD590说明：集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K,温度0C时输出为0,温度25C时输出2・982V。电流输出型的灵敏度一般为ImA/K。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流(mA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数流过

器件(AD590)的电流：I=(273+T)pA(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)pAx10K=(2・73+T/10O)V。2、 AD590的测温范围为-55匕~+150*€。3、 AD590的电源电压范围为4V~30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化IK。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、 输出电阻为710MW。5、 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55C~+150*C范围内，非线性误差为±0・3C。Q用于测量摄氏温度的电路Q用于测量摄氏温度的电路AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。AD590的简易测温电路:2.2运放741使用说明:2管脚为反相输入端3管脚为同相输入端

4管脚为负电压供电7管脚为正电压供电6管脚为输出端2.3 SG3525的使用说明SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。SG3525的工作原理SG3525的工作原理m締入匚1161Vref刚川儘入匚2二Vsl冋少抽匚3二］抵腐跆输Hl匚413二］人、cr匚512二1迪KT匚<511二］A9TE放的玳匚7IU二］制枷用牧门型瑞匚9二］补愷SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。

SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。2.5 SG3524的使用说明PINCONFIGURATIONWVERTINPUTNON-INVINPUTOSCOUTPUT(+)CLSENSEHCLSENSECTGROUNDD,F,NPackagesVreFVinEMITTERPINCONFIGURATIONWVERTINPUTNON-INVINPUTOSCOUTPUT(+)CLSENSEHCLSENSECTGROUNDD,F,NPackagesVreFVinEMITTERBCOLLECTORBCOLLECTORAEMITTERASHUTDOWNCOMPENSATIONTOPVIEWSL00174BLOCKDIAGRAMN91SS3514-91UREFCAEACBEB♦SENSE-SENSESHUTDOUNFigure1.PinConfiguration2.6LED发光二极管、功率放大管使用说明1、 LED发光二极管：长管脚为正极，短管脚为负极，由于允许电流较小，使用时要接适当阻值的保护电阻，2、 功率放大管：功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器

来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。第三节：系统设计方案3・1系统总体设计框图3.2 单元电路设计及相关参数计算①测温部分电路:■wl■wl0功能:通过温度传感器将温度的变化转化为电流的变化，再将温度传感器AD590输出电流转化成摄氏度电压量输出。相关参数的计算:

图中AD590输出的是热力学温度的电流，I=(273+T)*1uA,R4和电位器R5串联，使R4,R5串联后阻值为10K,则A点电压VA=I*(R4+R5)=(273+T)*0.000001*10000=(273+T)/100=2.73+T/100U1(741)为跟随器是同相放大器的一个特殊形，其增益为1,即输出电压等于输入电压：VQ=VA跟随器通常接在信号源和负载之间，因为其输入阻抗非常高，不从信号源索取电流，对信号源无负载效应，而输出阻抗近似为零，输出电压可以无损的加载到负载上，通过输入和输出的阻抗变换，很好的发挥了隔离缓冲作用。此处的跟随器的作用为防止分流对电压的比较,R1和R2在电路中起平衡和限流保护作用图中R6和R7构成了一个分压电路，U2(741)，R8,R9,R10,R3构成一个差动输入减法运算电路：VO1=(1+R3/R8)*R10/(R9+R1O)*VA-R3/R8*VP=10(2.73+T/100-VP)因为VA为热力学温度所对应的电压值，所以调节R7使P点电压值为2.73V，则可得到实际的摄氏度温度，此时VO1=T/10之所以选择R4和电位器R5的组合形式，是为了提高系统的精度②反相求和部分电路:vo2vo2功能：实现一个放大测量电压和标准值电压差值的PID调节中的PI调节电路,可以使系统在进入稳态后无稳态误差PID控制器参数的整定步骤如下:首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 比例积分微分调节器的简称。利用比例微分环节的领前作用来对消调节对象中的大惯性，提高精度，加快动态响应速度。在此电路中的PI参数是引用的经验值当去掉R3,保留C1时，电路为单纯的积分放大电路，当去掉C1,保留R3时,电路为单纯的比例放大电路相关参数计算：从测温电路可知，当水温达到设定温度时，相应的电压值为6V,调节R2使反相输入端输入电压为-6V此处采用电位器的目的是为了保证在电路中反相输入端的输入电压始终稳定为-6V,确保其精度R4在此电路中的作用是使电路输入输出阻抗能够匹配:R4=R1/ZR2//(R3〃1/CS)v5K＞故选择4K的电阻③PWM电路:104因为SG3524的振荡频率为10000Hz，所以1/T=CR，取C=0.01uF则R=10KSG3524的7管脚输出三角波,14管脚为输出，其有效输入电压为0.8至3.8V,当电压从0V增长占空比从0%增至50%三极管TIP122的作用相当于开关，当SG3524的14管脚输出的波形为高电平三极管导通，产生电流，使加热棒开始工作加热，当三极管接收的波形为低电平时，三极管截止，无电流产生，加热棒停止加热图中两个电容的作用是保护三极管④报警电路：

<1Ukflv0tfLM339ADIP^LEDI2丄<1Ukflv0tfLM339ADIP^LEDI2丄LM339为比较电路，调节R3使反相输入端输入电压为6V；当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。发光二极管的可通过最高电流为10mA。R2的作用为上拉电阻其作用就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，同时起限流作用，保护电路。上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流；弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分；对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。R1取值为经验值3.3 整体电路接线图:C1-II-100nF10RIHOOkQ—V'-A——C1-II-100nF10RIHOOkQ—V'-A——VEE-12V第四节系统实际测试4.1 系统的逐步调试和改善对测温部分电路修改及调试因网上电路供电过于复杂，我们将测温电路改为如下电路:VCC12Vvcc昭>2-10丄一一R210kQA2°vcc昭>2-10丄一一R210kQA2°2•因实验原件限制，以及方便元件统一，我们将20K的电位器换成了10K的电位器，电路如下：VCC12VVCCR615kQF1AD590J10kQSVCC12VI—VCCVCC12VR10100k0R3100kQ—VA VEE-12VR9VCC12VVCCR615kQF1AD590J10kQSVCC12VI—VCCVCC12VR10100k0R3100kQ—VA VEE-12VR9LW'L1OkQA-'OlR45kQR510kO5U1QR1亠10kQVEE_VEE—-12V \AA R21OkQ各相关参数已在前面写出，此处不再重复系统测试步骤：在面包板上搭好电路检査无误后打开电源，对整个系统进行分块测试;断开AD590和U2在A点直接接入+4V，观察跟随器特性：理想电路U1的3管脚输入电压为+4V，6管脚输出电压为+4V实际测得的电路值与理想电路相同调节R7使P点电压为2.73V断开AD590和U1在Q点直接接入+4V，观察差动减法电路特性:理想电路VO1=(4-2.73)*10=12.7V实际电路值为11.98分析原因：因为741为正负12V供电，其输出值达不到12V以上的值，当输出值＞12£电路饱和在Q点接入+3V电源：理想电路VO1=(3-2.73)*10=2.7V实际电路值为2.67V5•连接AD590对电路进行检测当在室温的时候，测得A点电压为2・89・，U13管脚输入电压为2.89V，6管脚输出电压为2.89VU2的4管脚输入电压为2.89V，6管脚输出电压为1.6V对反相求和电路部分进行修改及调试：因PWM电路输入有效电压为0—3V，故反相求和电路的输出电压也要控制在0—3V之内，R2和R6构成分压电路，R2和R6为假设值，目的在于使B点电压值为-3V,VO2=3-VO1/2检査线路无误后打开电源，对系统进行测试；断开测温电路，和PWM电路，在VO1处输入+4V理论值VB=-3VVO1=4VVO2=3-4/2=1V实际值VB=-2.87V，VO1=3・99VVO2=0・88V分析原因：因电阻阻值并不是每一个都是理想对应的，所以分压电路中B点的电压会不准确解决方法：为了提高精度，我们将R2和R6所构成的串联电阻换为了10K的电位器，电路图如下：丄m2丄m23••连接测温电路，断开AD590,在A点输入+3V电源，测量VO2的值理论值VB=-3V，VO1=2.7V，VO2=1.65V实际值VB=-3V，VO1=2・68V,VO2=1.66V与理论值相符

因希望PWM电路能反应的更为迅速，使得测量电压与标准电压相差的信号放得更大，并且使电路精度更好，所以希望使反相求和电路构成一个PI调节器，因此将电路最终改为了如下的电路：vo2vo2相关参数的计算与各元件功能已在前面给出，此处不再做重复对PWM电路部分进行修改及调试：由于所有人SG3525的缺乏经验，在老师的建议下，最终我们弃用了SG3525,改用了SG3524芯片，其电路图如下：SG3524的7管脚输出三角波，14管脚为输出，其有效输入电压为0.8至3.8V，当电压从0V增长占空比从0%增至50%报警电路:

VCC12VVCCU1A廿LM339ADVCC12VVCCU1A廿LM339AD乂去LED12调节电位器R3使C点电压值为6V,在VO1加一可变电压，测试报警电路功能实验结果：当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。发光二极管不发光,当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。发光二极管发光对整个系统进行测试：最终的PWM电路如下图所示:第五节结论5.1 改进设想.1、 由于AD590不易放入水中，只能测容器外壁，所以可改用别的温度传感器,例如ptlOO、18B204D7416等，可以提高系统精度和灵敏度。2、 在电路的测试中，VO1输出的电压值与理论上所应得到的值相差很多，误差很大，这个问题还有待于解决与继续深入研究。3、可以使对系统的控制部分进行改善，采用单片机，软硬件结合来控制温度,提高系统的灵敏度。5.2收获体会通过这两周的实验，我学习和接触到了很多以前没有涉及过的知识与训练,使我开拓了眼界也锻炼了自己亲自动手的能力，这基本上可以算是自从我进入大学校园以来，第一次自己亲自的尝试去设计一个电路来实现自己需要的功能,这完全是我自己连想都不敢去设