基于测温二极管传感器的温度测控电路设计.docx

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基于测温二极管传感器的温度测控电路设计

四川理工学院成人教育学院

毕业设计（论文）

题目：

基于测温二极管传感器的温度测控电路设计

教学点：

重庆科创职业学院

专业：

机电一体化

班级：

机电一体化ZB421101　

****************************************

学号：

**********

指导老师：

黄武凯

基于测温二极管传感器的温度测控电路设计

摘要

本系统主要介绍对测温二极管传感器的温度测控电路的设计和使用，测温二极管传感器的选择和特点，通过单片机对湿度传感器的检测和控制，从而对湿度的检测和控制，主要阐述了本系统的研究过程和研究方法，在程序设计中运用了模块化与结构化结合的程序设计技术提高了效率节省了空间也方便了程序的调试和使用维护。

采用全隔离工作方式,故整个检测监控系统自动化程度高,抗干扰性好,工作状态稳定,可靠,使用方便,直观性强.可根据用户实际要求配制,检测系统内部使用单片机,实现了干温球法自动测量湿度,大大降低了湿度检测成本,使推广该系统成为可能.检测警系统性价比高,操作简单,可以帮助用户管理温室,解决了湿度的测量问题。

生产制造、现代电路、科学研究以及日常生活中被广泛应用。

关键词：

单片机；湿度；检测

Temperaturemeasurementandcontrolcircuitdesignbasedondiodesensor

Abstract

Thissystemismainlytointroducethedesignanduseoftemperaturemeasurementandcontrolcircuitofdiodesensor,selectionandcharacteristicsofdiodesensor,thedetectionandcontrolofthehumiditysensorchip,therebythehumiditydetectionandcontrol,mainlyelaboratedtheresearchprocessandresearchmethodofthissystem,theprogramdesignintheuseoftheprogramdesigntechnologymodularandstructuralcombinationtoimprovetheefficiencyofsavingspacealsofacilitatestheprocessofdebuggingandmaintenance.Theisolationmode,sothewholemonitoringsystemofhighdegreeofautomation,goodanti-interference,stable,reliable,easytouse,intuitive,canbeformulatedaccordingtotheactualrequirementsofusers,detectionsystemforinternaluseSCM,realizetheautomaticmeasurementofhumiditydryWenqiumethod,greatlyreducingthecostofhumiditydetection,theextensionofthissystempossible.Detectionalarmsystemhighperformancepriceratio,simpleoperation,canhelpusersmanagethegreenhouse,resolvestheproblemofmeasuringhumidity.Widelyusedinmanufacturing,moderncircuit,scientificresearchanddailylife.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;humidity;detection

总目录

第一部分：

任务书

第二部分：

课程设计报告

第一部分

任

务

书

《传感器与测控电路课程实习》课程设计任务书

课题：

基于测温二极管传感器的温度测控电路设计

温度是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关，也是仪器科学和各类工程设计中必须精确测定的重要物理量。

随着科学技术的发展，使得测温技术迅速发展，测温范围不断拓宽，测温精度不断提高，新的温度传感器不断出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器等。

由于检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式不同，所以相应的硬件和软件也就不同。

但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很有必要的。

由于所涉及的知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的《传感器原理及应用》，《测控电路》，《模拟电子技术基础实验与课程设计》，《电子技术实验》等书的有关章节。

一、基于测温二极管传感器的温度测量控制电路设计简介

应用1N4148二极管的温度传感器与集成运放设计温度测量与控制控电路，测量温度的范围为-65℃～200℃，工作电路输出二值输出；电路输出控制继电器工作，实现加热与制冷的转换控制，把控制对象温度控制在要求的范围之内（40℃～60℃）。

要求测控电路具有加热和制冷的指示功能。

二、基于测温二极管传感器的温度测控电路设计的工作原理

本课题中测量控制电路组成框图如下所示：

电路工作过程为：

由二极管IN4148作为温度传感器采集温度信号，经差动放大后，送到预先调试好的相关温度控制比较电路进行比较，当温度低于控制温度下限值时，红色发光二极管亮，继电器1动作，控制加热器开始加热。

当温度高于控制温度上限值时，绿色发光二极管亮，继电器2动作，控制制冷器开始制冷。

当温度在设定温度上下限之间时，红色和绿色发光二极管全熄灭，继电器全断开，不加热也不制冷。

因此从以上不同的状态显示就可以知道温度情况及温度控制情况。

注意事项

为避免测温二极管本身通电产生的温度升高对测温的影响，电路设计时注意不要使通过

测温元件的电流超过1mA。

三、设计目的

通过设计了解如何运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试，学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。

1、掌握传感器选择的一般设计方法；

2、掌握模拟IC器件的应用；

3、掌握测量电路的设计方法；

4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力。

四、设计要求及技术指标

1、设计、组装、调试测控电路；

2、温度控制范围：

40～60℃；

3、使用环境温度：

常温

4、输出信号：

二值输出控制继电器工作；

5、温度范围控制，制热和制冷指示功能；

6、非线性误差：

±1％。

五、设计所用仪器及器件

1．直流稳压电源

2．万用表

3．运放LM324

4．电阻、电容若干、红、绿发光二极管

5．温度传感器1N4148

6．万能电路板

7．电烙铁等

六、日程安排

1．布置任务、查阅资料，方案设计；　　（2天）

根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出电路图。

2．上机用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试；（2天）

要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。

3．电路的装配及调试；　　（3天）

在万能板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。

4．总结撰写课程设计报告。

（1天）

七、课程设计报告内容：

总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：

1．课程设计的目和设计的任务

2．课程设计的要求及技术指标

3．总方案的确定并画出原理框图。

4．各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性（结合设计图写）

5．总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。

6．电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。

7．实验结果分析，改进意见及收获。

8．体会。

八、电子电路设计的一般方法：

1．仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。

（1）设计总体方案。

（2）设计单元电路、选择传感器、测量电路元器件、根据需要调整总体方案

（3）计算电路（元件）参数。

（4）绘制总体电路初稿

（5）上机在EDB（或EDA）电路实验仿真。

（6）绘制总体电路。

2．明确电路图设计的基本要求进行电路设计。

并上机在EDB（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。

3．掌握常用元器件的识别和测试。

电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。

需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。

对于常用元器件，不少手册有所介绍。

4、熟练使用仪表，了解电路调试的基本方法。

通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。

5、独立撰写课程设计报告。

第二部分

课

程

设

计

报

告

一、课题简介………………………………………………………………

（1）

1关于温度测控………………………………………………………………

（1）

2温度测量的主要方法和分类………………………………………………

（1）

二、设计要求及技术指标………………………………………………

（2）

1设计的目的和设计的任务…………………………………………………

（2）

1.1课程设计的目的…………………………………………………………

（2）

1.2课程设计的任务…………………………………………………………

（2）

2课程设计的要求及技术指标………………………………………………（3）

2.1课程设计的要求…………………………………………………………（3）

2.2课程设计的技术指标……………………………………………………（3）

3总方案及原理框图…………………………………………………………（4）

3.1设计总方案………………………………………………………………（4）

3.2原理框图…………………………………………………………………（4）

4电路各组成部分的工作原理………………………………………………（5）

4.1温度转换电路的工作原理………………………………………………（5）

4.2差动放大电路的工作原理………………………………………………（6）

4.3比较电路的工作原理……………………………………………………（7）

4.4驱动电路的工作原理……………………………………………………（8）

4.5总电路图…………………………………………………………………（9）

4.6电路的参数选择及计算…………………………………………………（11）

5电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用………………………（11）

5.1传感器测控电路设计的一般步骤………………………………………（11）

5.2设计方案的选择…………………………………………………………（11）

5.3传感器工作原理的分析、参数的计算与选择、传感器误差分析……（11）

5.4基于传感器测控电路的结构设计………………………………………（14）

6电路安装调试步骤及方法…………………………………………………（15）

6.1总电路的安装与调试……………………………………………………（15）

6.2电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法………………………（15）

7实验结果分析………………………………………………………………（16）

7.1实测数据记录及图形……………………………………………………（16）

7.2误差分析及改进方法……………………………………………………（17）

8改进意见、收获、体会与总结……………………………………………（18）

9仪器仪表清单………………………………………………………………（19）

参考文献………………………………………………………………………（20）

一、课题简介

1关于温度测控

温度是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关，也是仪器科学和各类工程设计中必须精确测定的重要物理量。

随着科学技术的发展，使得测温技术迅速发展，测温范围不断拓宽，测温精度不断提高，新的温度传感器不断出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器等。

由于检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式不同，所以相应的硬件和软件也就不同。

温度与温标温度不能直接加以测量，只能利用冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性进行间接测量。

为了定量描述温度的高低，必须建立温度标尺，即温标。

它是温度的数值表示。

温度不仅是热学中主要热学量，而且也是国际单位制（SI）中七个基本量之一。

国际温标规定热力学温度（T）单位为开[尔文]（K），1K等于水三相点热力学温度的1/273．16。

而习惯上把水的冰点定为0℃，它比水三相点低0．01℃，所以摄氏度（t）与热力学温度（71）的关系为

t=T-273.15

2温度测量的主要方法和分类

温度传感器由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成。

温度测量方法按感温元件是否与被测介质接触分成接触式测温和非接触式测温两大类。

接触式测温是使测温敏感元件和被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。

这类温度传感器结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用广泛。

非接触式测温是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。

它可测高温、腐蚀、有毒、运动物体和固体、液体表面的温度，但精度偏低。

二、设计要求及技术指标

1设计的目的和设计的任务

1.1课程设计的目的

通过设计了解如何运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试，学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。

1、掌握传感器选择的一般设计方法；

2、掌握模拟IC器件的应用；

3、掌握测量电路的设计方法；

4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力

1.2课程设计的任务

应用1N4148二极管的温度传感器与集成运放设计温度测量与控制控电路，测量温度的范围为-65℃～200℃，工作电路输出二值输出；电路输出控制继电器工作，实现加热与制冷的转换控制，把控制对象温度控制在要求的范围之内（40℃～60℃）。

要求测控电路具有加热和制冷的指示功能。

2课程设计的要求及技术指标

2.1课程设计的要求

通过设计了解如何运用电子电路来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路

的连接和调试，学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，

提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。

2.2课程设计的技术指标

1、设计、组装、调试测控电路；

2、温度控制范围：

40～60℃；

3、使用环境温度：

常温

4、输出信号：

二值输出控制继电器工作；

5、温度范围控制，制热和制冷指示功能；

6、非线性误差：

±1％。

3总方案及原理框图

3.1设计总方案

如图1所示，电路的总体设计思路为：

将二极管因为温度不同而不同的电流值通过转换电路转换成电压值，再通过差动放大器，之后分成两路。

一路通过同相比较器，当电压值大于设定值，则绿色指示灯亮，并通过驱动电路使制冷继电器带动电器工作。

而另一路通过反相比较器，当电压值小于设定值时红指示灯亮，通过驱动电路带动制热继电器工作。

使输出电压和温度维持在一定的范围之内。

3.2原理框图

图3-2-1总原理框图

4电路各组成部分的工作原理

4.1温度转换电路的工作原理

图4-1-1温度转换电路原理图图4-1-2IN4148电流随温度变化特性曲线

如图4-1-1，该电路将二极管IN4148随温度变化的电流值转换为电压值。

该电路为反向输入型转换电路，LM243为运算放大器，其输出电压

正比于二极管电流，从而实现I/V转换。

为保证一定的转换精度和适应范围，要求该转换电路有低的输入阻抗和输出阻抗。

转换后的电压值与输入电流值成线性关系

4.2差动放大电路的工作原理

图4-2-1差动放大电路原理图

如图4-2-1所示为差分比例放大电路，输入电压

、+12V的Vcc分别加在运放的反相端和同相端，为了保证运放输入平衡，要求输入电阻相等，故在实际操作时应当调节RP1使其左边电阻加上R6与R4相等，右边电阻加上R7与R5加上RP2的值相等。

该电路的放大倍数为

，这个值可以通过调节RP2来变化。

电路的输出与两个输入端电压的差值成比例，实现差分比例运算。

差分输入电路可有效地抑制共模干扰电压的影响。

4.3比较电路的工作原理

图4-3-1同相比较器电路原理图图4-3-2反相比较器电路原理图

如图4-3-1所示为同相比较器，所设定进行检测的门限电平由RP3调节，接至比较器的反相输入端，用来和同相输入端的输入电压

进行比较，当输入电压大于设定值时输出正电压。

图4-3-2所示为反相比较器，所设定进行检测的门限电平由RP4调节，接至比较器的同相输入端，用来和反相输入端的输入电压

进行比较，当输入电压小于设定值时输出正电压。

4.4驱动电路的工作原理

图4-4-1驱动电路原理图

如图4-4-1所示电路，当输入电压

为一定的正值时，发光二极管发光，同时使得三极管9013导通，带动继电器打开开关使设备开始工作。

4.5总电路图

图4-5-1

图4-5-2

4.6电路的参数选择及计算

4.6.1方案一见图4-5-1标注

4.6.2方案二见图4-5-2标注

5电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用

5.1传感器测控电路设计的一般步骤

图5-1-1设计一般步骤框图

5.2设计方案的选择

根据设计任务给定的被测参数（被测量）的种类及类型及精度要求和使用条件等因素，选择完成此设计任务的传感器的种类并组成框图，如图1－l所示。

图5-2-1设计传感器测控电路组成框图

需要确定以下环节的种类及类型：

（1）了解敏感元件的种类及类型；传感（转换）元件的种类及类型；

（2）测量、控制电路的种类及类型及其要求；

（3）测控电路、主电路电源的种类及类型；

（4）辅助电源的种类及类型。

以上几个环节，每种电路设计时不一定全用，可根据任务确定所需要的组成环节。

5.3传感器工作原理的分析、参数的计算与选择、传感器误差分析

5-3-1传感器工作原理的分析

根据测量的传感器性质，利用相关理论或数据推导或拟合出所设计传感器的数学模型。

（1）对于拟合的数学模型可采用如下方法：

①采用数学归纳法找出实验数据的数学规律并用已知函数表示数学模型。

②将实验数据绘成光滑曲线与已知函数的曲线相对比，找出误差最小的已知曲线并用该已知曲线的函数作所求传感器的数学模型，该方法称经验模型法。

③采用高次多项式作所设计传感器的数学模型的方法。

设：

设计传感器的数学模型为

（1－1）

再用判别法则（参见式（1－1）~式（1－6））确定多项式的方次数，并要注意使用时次数和系数对曲线的影响。

（2）利用相关理论推导数学模型的方法：

将传感器的结构原理图，简化成物理模型（或力学模型），根据物理（力学）模型应用相关理论建立数学模型的方法（见磁电式传感器建立数学模型的方法）。

5-3-2传感器参数的计算与选择

根据所建立的数学模型，设计、计算数学模型中的结构系数及相关系数。

（1）对于用实验数据拟合的数学模型式（1-1）中的结构系数

的确定，可采用最小二乘法求得其值的大小。

（2）对于通过相关理论建立的数学模型，一般情况下都是动态数学模型，且通常为二阶系统模型，即

（1-2）

式中：

为结构系数。

其求法是，先求式（3-2）的传递函数：

（1-3）

式中

——固有频率，

——阻尼比，

再求出频率传递函数：

（1-4）

式（3-4）的幅值比为

（1-5）

由题目给定的线性度±△%F·S，则式（3-5）应满足∣y/x∣≤±△%F·S则有

（1-6）

因此当

时，求得

（数值）

因此当

时，求得

（数值）

通常有A>B，理论分析可知：

当ω/ω0≥3，且ξ=0.6~0.7时，y≈x，取A，B中大于3的那个值，如取A，则有ω/ω0=A，因ω为输入x的变化角频率是已知的，故求得

ω0=ω/A（1-7）

再由

及

，求得结构系数

各值。

5-3-3传感器误差分析

根据以上求得的数学模型，将其进行线性化处理得到线性数学模型，再进行下面的误差分析：

（1）非线性误差（线性度）

（2）零位误差

（3）静态误差

（4）动态误差

（5）综合静态误差

（6）温度误差

以上误差的计算按教材中定义或计算公式进行。

5,.4基于传感器测控电路的结构设计

根据以上误差分析的结果，来确定所设计的测控电路是否需要采用差动式、补偿式或闭环式等结构形式，或采用电路补偿或软件处理等方式来消除误差因素的影响，最后确定所设计测控电路的结构形式。

在结构设计中还要通过结构的稳定性（主要是温度的影响）的分析设计，求得结构中各组成元件满足温度补偿条件的各种材料的温度系数值，按计算出的温度系数各值，来确定结构中各组成元件的材料种类。

6电路安装调试步骤及方法

6.1总电路的安装与调试

1）安装U1A及外围电路。

注意二极管VDl需要焊接两根长线，引出电路板。

分析：

为什么随着温度的升高，UO1降低。

2）安装U1B及外围电路。

在室温下调整RPl，使U1B的输出UO2为室温时的电压输出（当量为10mV／℃）。

将VDl

放入热水（40～50~C）中，调整RP2，使U1B的输出UO2正确。

注意应反复调整电位器RPl、

RP2，使UO2输出正确。

3）安装U1C和U1D及它们控制的继电器。

调整RP3，使a点的电位对应控制温度上限值y1；调整RP4，使b点的电位对应控制温度下限值y2，U1C和U1D分别控制继电器K1和K2。

当温度低于控制温度下限值y2时，红色发光二极管亮，K2继电器吸合，控制加热器开

始加热。

当温度高于控制温度上限值y1时，绿色发光二极管亮，Kl继电器吸合，控制制冷器开

始制冷。

当温度在设定温度上下限之间时，红色和绿色发光二极管全熄灭，K1、K2继电器全断

开，不加热也不制冷。

因此从以上不同的状态显示就