温度测量数显控制仪的设计与实现3.docx
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温度测量数显控制仪的设计与实现3
电子电路实验设计总结报告
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摘要：
温度测控是日常生活和工程领域经常需要解决的问题，在冷库、制冷设备、粮食储备等精度要求不特别高的场合，经常采用铂电阻来实现温度的采集与控制调节。
本系统采用Pt100做为传感元件进行温度检测，由运放将电阻变化转换为电压的变化，同时利用电位器作为控制电压输入，最终通过ICL7107显示控制与测量的温度。
本系统具有控制方式简单，通过按键即可进行测量温度与控制温度的切换的优点。
同时，实现了超过控制温度进行声光报警和启动风扇降温措施两种动作，对于测量温度精度不太高的场所完全满足实用需求。
关键词：
温度测量；Pt100；
1、方案论证
1.1、设计题目及要求
1、设计题目：
温度测量数显控制仪的设计实现
2、设计任务与要求：
总体要求：
设计一个可在一定温度范围内进行温度测量与控制的温度测量数显控制仪
具体要求：
1、测量温度的范围为-50～200℃
2、能够对温度进行数字显示（可显示温度测量值和设定温度值两种）
3、实现测量误差为±1℃
4、当温度超过某一温度上限值时（如30℃）能声光报警，并启动小风扇降温
5、将仪器测量温度的范围改为-40～50℃，重新设计
2、系统概述与方案分析
2.1、设计方案及比较
方案一：
利用STC89C51作为主控制器进行系统设计。
该方案由以下几个模块组成：
温度采集模块、电阻电压转换模块、控制模块、MCUSTC89C51最小系统模块、显示模块、声光报警及风扇启动模块。
STC89C51自带AD可以直接进行电压采集，将控制温度与检测温度采集到单片机内，在数码管显示部分可利用动态扫描显示。
声光报警与风扇启动可通过程序设定。
该方案的功能模块图如下：
优点：
电路简单，控制灵活，精度高
缺点：
需要进行程序编写，经济性差，显示模块需要外加驱动电路
方案二：
该方案中电路可由温度采集、电阻/电压转换器、A/D转换器、控制电路和显示电路组成。
温度采集传感器采用热敏类电阻铂Pt100，A/D转换器用ICL7107（双电源±5V供电,适合驱动发光二极管显示），采用共阳极数码管显示。
该方案功能模块图如下：
优点：
电路简单，不需要程序的编写，调试简单
缺点：
精度较差，稳定性较差
经过比较，由于方案二容易实现，不需要编程，只需硬件部分即可，同时由于实验室提供器件限制，选择方案二。
2.2、工作原理
铂Pt100作为温度传感元件，随着温度的增加阻值变大，并且近似为线性关系，利用这种近似关系可组成温度测量电路。
经过放大电路可以将微弱阻值的变化转换为变化明显的电压的变化,通过A/D转换器ICL7107进行电压采集后显示，ICL7107能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件。
在控制电路中采用变阻器分压来设置控制温度，也是用ICL7107进行采集电压并显示。
温度测量与控制是通过开关的切换来实现的。
在声光报警与风扇启动电路中，通过电压比较器将测量电压与设置电压进行比较，当测量电压高于设置电压后比较器输出低电平使声光报警与风扇启动电路进入工作状态。
3、模块电路设计与分析
3.1、温度采集及电阻电压转换模块
Pt100在-50℃~200℃内电压范围变化为80.31Ω~175.84Ω，其电阻与温度的关系如表1所示，线性度由曲线图可以看出Pt100有较好的线性度，电阻的变化可以较准确的反映出温度的变化。
温度℃
-50
-25
0
25
50
75
100
125
150
175
200
电阻
80.31
90.19
100
109.73
119.4
128.98
138.5
147.94
157.31
166.61
175.84
表1.
图1.温度——电阻变化曲线
运放采用正向比例放大电路（与反向比例放大电路相比具有输入阻抗大的优点），运放正极端输入为0.3V，
Uo=（1+Rpt100/R7）×Uin+
采用电阻R7=33Ω，由上式计算得出输出电压为1.03V（温度-50℃时）和1.90V（温度200℃时）。
在电阻电压转换电路后增加电压跟随器加强电阻电压转化器的带载能力。
电路形式如下图。
图2.温度采集及电阻电压转换电路
3.2、控制模块
控制模块通过电阻分压电路实现，控制信号经开关切换电路输出到A/D转换芯片ICL7107进行显示。
电路形式如下：
图3.控制电路
3.3、A/D转换器
A/D转换器电路采用三位半双积分型A/D转换器ICL7107，其显示最大示数范围为±1999，最小分辨率为0.1mV，转换精度为0.05±1个字，完全满足实验的要求指标。
同时ICL7107还具有直接驱动共阳极数码管的能力，无需另加驱动器件，使整机电路简化，采用±5V两组电源供电。
典型电路如下：
图4.ICL7107典型电路
图5.A/D转换器7107电路
A/D转换电路主要调节Vref-与Vin-的电压值，通过公式
；
带入（Vin，COUNT）=（1.03，-50）,（1.90,200）以及Vref-=0，
可以计算出Vref-=1.204V；Vin-=3.48
Vref-以及Vin是通过电阻分压得到。
电阻阻值选择为500Ω.
3.4、显示模块
由于本系统采用A/D转换器ICL7107实现LED的驱动显示功能，因此显示部分只能用4*一位共阳极数码管。
阳极通过限流电阻接到+5V电压。
LED点亮时流过电流约为10mA~30mA，
因此电阻选用200Ω.
图6.显示电路
3.5、声光报警及风扇启动模块
控制电压与温度测量电压经过电压比较器，电压比较器输出的高低点平控制声光报警及风扇的动作。
实验室提供三极管为PNP型，因此输出低电平时进行声光报警与风扇启动。
具体电路如下：
图7.声光报警及风扇启动电路
4、装调测试过程
4.1、安装过程及对安装过程中出现的问题进行解决
在设计好整体电路后，进行焊接调试。
4.11、电路焊接
由于数码管由四个1位共阳极数码管组成，引脚较多，因此不可避免的需要飞线，但飞线昌盛的干扰较小，可以直接进行飞线，减少布置线路的工作量。
其他电路较简单焊接较容易。
4.12、显示电路部分测试
在焊接好显示电路部分后进行测试。
利用万用表的短路档，正极端接ICL7107的电源引脚，负极端分别与2~20，22~25引脚接触，测试数码管的相应段是否变亮，经测试发现A2与B2段一起亮，检查电路后发现A2,B2短路。
4.13、温度采集电路部分测试
焊接好温度采集部分后进行测试，由于实验室条件限制，难以制造-50℃以及200℃的环境，因此用200Ω的电位器代替Pt100，将变阻器调节到Pt100在-50℃时对应的电阻值80.31Ω，经测量电阻电压转换运放的输出电压为1.067V，跟随器输出电压也为1.067V，与理论值1.03接近，电路正确。
将电阻值调节到Pt100在200℃时对应的阻值175.84Ω，经测量输出电压为1.845V，与理论值1.90V接近。
由此得出温度采集部分电路正确。
4.14、控制电路部分及比较器电路部分测试
焊接好控制电路后，给系统接电源，控制部分输出电压0~5V电压变化，符合理论，控制电路部分正确。
将控制部分输出电压调节为1.4V，然后调节200Ω电阻，使电压比较器输出高低电平，经测量输出高电平3.84V，输出低电平为0.806V，输出电平状态正确。
4.15、声光报警及风扇启动电路测试
在比较器输出高低电平的状态下对电路进行测试，经测试后发现无论比较器输出高电平还是低电平蜂鸣器均不响。
经测量比较器输出低电平时，三极管基极电压为3.62V，分析得知，蜂鸣器为压控器件，将蜂鸣器接在集电极与地之间会出现电压拉高的情况，因此将蜂鸣器改接在正电源与三极管发射极之间，在经过测试问题解决。
4.16、各模块的联调
将各模块焊接调试正确后进行连接，连接后通电数码管有显示，且ICL7107输入电压与运放输出电压相同。
4.2、测试数据及调试过程
将各模块调试好后，进行数据的测量。
将200Ω电阻调节为80.31Ω，测的ICL7107输入电压为1.067；将200Ω电阻调节为175.84Ω，测的ICL7107输入电压为1.845V。
根据公式
，将测量数据
（Vin，COUNT）=（1.067，-50）,（1.845,200）以及Vref-=0，代入公式得：
Vin-=1.223V；Vref+=3.112V
经调节电位器将Vin-调节到1.223V，将Vref+调节到3.112V显示为200，再将电阻调节到109.73Ω，显示为27，误差有2℃。
将200Ω电阻换为Pt100上电显示为32，在经过调节Vin-和Vref+将温度调节实际室温，最终实现功能。
4.3、将仪器测量温度的范围改为-40～50℃，重新设计
将仪器测量范围改为-40～50℃，只需对Vref+和Vin-进行修正。
通过温度—电压曲线计算出-40℃对应的阻值
得出Pt100对应电阻值为84.667Ω。
将Pt100换接为200Ω电阻，同时将阻值调节为84.667Ω，测量输出电压为1.094V，将阻值调节为50℃对应的阻值119.40Ω，经测量输出电压为1.315V
根据公式
，将测量数据
（Vin，COUNT）=（1.094，-40）,（1.315,50）以及Vref-=0，代入公式得：
Vin-=1.239V；Vref+=3.62V
经调节电位器将Vin-调节到1.239V，将Vref+调节到3.62V显示为50，再将电阻调节到100Ω，显示为1，实际理论应显示0，误差为+1℃。
实现了仪器测量温度的范围改为-40～50℃的实现。
5、实验结果分析
5.1、实验结果分析
本系统实现了利用Pt100对温度采集，并利用ICL7107对测量及控制温度进行测量，实现了超过控制温度进行声光报警与启动风扇的设计要求，达到了设计的目的。
虽然系统没有对温度进行精确测量，但在一般场合完全适用，实验结果虽然有一些误差，但这些误差在一定范围内是允许的。
5.2系统评估、遇到的问题和解决方法
1、系统评估
该系统将设计任务全部完成，实现用Pt100与电位器分别进行温度测量与控制温度设定；温度值通过数码管显示；当实际温度超过设置温度进行声光报警与启动风扇能降温的保护动作。
该系统误差较大，续作进一步的改善。
2、遇到的问题、产生的原因和解决方法
1）、问题：
在测试显示部分时发现A2与B2一起亮
解决方法：
经过检查电路，发现A2、B2短路，经重新焊接后问题解决。
2）、问题：
电路整体焊接完成后，进行显示的调节，感觉调节无从下手，联调Vin-和Vref+难以达到实验要求。
解决方法：
查看ICL7107的PDF文档，找到调试关键点即：
，然后代入两组数据，求解出Vin-和Vref+应该设置的值，调节后基本显示正确，微调Vin-和Vref+后显示正确，完成实验设计要求。
5.3实验心得
通过此次试验，我亲自查阅资料，锻炼了我完成一个工程项目的能力，并且对电路系统的制作调试都有了更全面的了解。
在这过程中我明白了要想把一件事做好就要坚持，也明白在科研的道路上要有耐心，要认真仔细。
同时感谢老师给与我的鼓励，也感谢那些在这过程中给我帮助的同学。
希望今后可以多一些类似的学习机会，让我们在实践中巩固理论。
附录一、整体电路
附录二：
元件清单
元器件清单表
实验项目
元器件名称
型号
数量
温度测量数显控制仪的设计与实现
万用板
1
A/D转换器
ICL7107
1
DIP40
1
集成运放
LM324
1
DIP14
1
自锁开关
1
电位器
500
3
电位器
200
1
电阻
470K
1
电阻
1K
1
电阻
33
1
电阻
200
2
电阻
4.3K
1
电阻
100K
1
电容
100pF
1
电容
100nF
2
电容
47nF
1
电容
220nF
1
风扇
1
热敏电阻
Pt100
1
二极管
IN60
1
蜂鸣器
1
发光二极管
1
共阳极数码管及座
4
三极管
8550
2
附录三：
参考文献
1.《信号检测与转换技术》马忠丽．哈尔滨工业大学出版社．
2.《模拟电子技术基础》陈艳峰．北京机械工业出版社
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