简易数字温度控制器设计制作论文 2Word格式.docx
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此时放大器的输出电压为：
若要求U0的灵敏度等于10mV/℃，可选R2=9.1kΩ，RP2=2kΩ。
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温度传感器选择集成温度传感器LM35
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3LM35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，转换公式如式，0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）。
该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），就成为一个测温仪。
所以采用LM35温度传感器。
2.2采样电路及校准电路
2.2.1LM324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（3～30V），也可接双电源使用（±
1.5～±
15V），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4LM324引脚图
2.2.2当输入信号变化太快时，要求输出信号能快速而准确地更谁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。
当电信号来时Uo对C充电，Uo=U1=Uc及输出电压跟随数入电压的变化，电信号中断时，电路处于保持周期，因为电容元件五放电电路，故U1=Uc，这种将采集到的数值保持一定时间。
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
电路的电压放大倍数Au也仅由外接电阻决定：
Au=1+Rf/R1，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
（a）上限采集电路（b）下限采集电路
图6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。
根据电工学知识：
Vcc=5V
（1）上限采集电路
R`=R2+R3+R4=20k+5K+500=25500
U1`=I·
R4=0.000196×
500=98mV
U2`=I·
（R4+R3）=0.000196×
（5000+500）=1078mV
所以有U2：
U1`=<
U2=<
U2`
（2）下限采集电路
R`=R5+R6=20k+5K=25000
U3`=I·
0=0V
U4`=I·
R6=0.0002×
5000=1000mV
所以有U3：
U3`=<
U3=<
U4`
根据LM35的输出电压与摄氏温度成正比例的关系，即0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。
下限调节范围为0～100摄氏度，上限调节范围为9.8～107.8摄氏度。
由于线路关系影响调节准确精度，所以范围有一定的误差。
2.4温度比较电路
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V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、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：
2～36V，双电源:
±
1～±
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=0～Vcc-1.5V；
输出与TTL，DTL，MOS，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7LM393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0～t1时，VA>
VB；
在t1～t2时，VB>
VA；
在t2～t3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。
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
74LS00是常用的2输入四与非门集成电路，其引脚如下图：
图1174LS00引脚图
74LS00真值表
A
B
Y
1
RS触发器 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12RS触发器电路
基本RS触发器的逻辑功能入下表如下：
R
S
Q
逻辑功能
置0
置1
不变
保持
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13
图13电平输出图
2.6执行机构及报警电路
光电耦合器
是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。
在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。
双向可控硅晶闸管
晶闸管是一种大功率半导体器件，主要用于大功率的交直流变换、调压等。
双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）、控制极G三个引脚。
它能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等特点，它是大功率形状型半导体器件，广泛应用于电力、电子线路中。
图14执行机构电路
（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、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500电阻接通。
OSC1～OSC3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16ICL7107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。
（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。
从正面看①②③引脚从左向右按顺序标注，接入电路时①脚电压高于②脚，①脚高电位，②脚接地，③脚为输出位，其引脚图如图21所示。
图217805引脚图
2.8.2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信号，电信号通过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。
当前温度与上限温度送入LM393进行比较输出高低电平信号，当前温度与下限温度送入LM393进行比较输出高低电平信号，高低信号在送入RS触发器进行转化，输出相应的信号给光电耦合器，光电耦合器的开断与接通控制晶闸管从而控制加热器的加热与停止。
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一发光二级管，从而实现下限报警。
高低信号在送入RS触发器进行转化，输出相应的信号给光电耦合器，同时接一发光二级管实现加热显示。
结论
设计总结如下:
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触发器后去控制光电耦合器去控制晶闸管儿控制加热设备。
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，但是本人设计目的是控制最低温度为0℃，所以要求控制环境的环境湿度不能低于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。
如在控制对象上加入制冷装置，效果定然更佳。
本次设计制作的数字温度控制器能实时显示当前温度，误差在0.2摄氏度内。
能通过转换开关调节上下限温度及显示，从而实现加热器的加热范围。
致谢
本次设计共经历了三个多星期的时间，在各位老师和小组的关心帮助下才得以顺利完成。
在这段时间里，不仅大大提高了我的实践经验，也使我学到了许多书本上不曾接触的知识，开拓了视野，增广了知识面，最重要的是学会了如何利用信息资源帮助自己寻找资料，提高了自己的自学能力。
我对本课题涉及的内容本来知道的很少，经过了这次的学习和指导老师的悉心教导，现在已经对它有了深刻的认识，虽然无法达到专业水平，但也是有了巨大的收获，感觉自己受益匪浅。
参考文献
【1】王学军电子技术基础贵州电力职业技术学院
【2】秦曾煌电工学电子技术
高等教育出版社
附表一:
元件清单
序
号
元件
名称
符
型号
规格
数
量
备
注
01
三端
稳压器
7805
直
流
稳
压
电
源
11
座子
8座
温
度
控
制
器
14座
2
02
瓷片
电容
C
103
12
13
电阻
500
20k
3
03
电解
2200uF
14
电位器
5K
1100uF
15
瓷片电容
04
桥堆
16
光电
耦合器
05
变压器
T
2200/10
晶闸管
06
温度
传感器
LM35
17
18
发光
二级管
黄
绿
07
蜂鸣器
红
08
集成运放
LM324
19
开关
09
电压
比较器
LM393
20
表头
21
三极管
10
与非门
74LS00
22
电路板
附表二：
整机电路图
升级会员 