温度测量与控制.docx
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温度测量与控制
第一章概述
1.1选题背景
在工农业生产和科学研究中，经常需要对某一系统的温度进行测量，并能自动地控制、调节该系统的温度。
在系统温度过高时要能通过报警电路来发出报警信号。
同时所测量的温度以及加热温度门限值和报警温度门限值要能通过一定的显示电路来进行显示。
这就需要有温度的测量、控制与显示电路。
本设计电路可以准确的实现上述功能，为许多系统的控制提供了依据与方便。
以下便是本电路的详细论述。
1.1.1课题相关问题阐述
（1）温度
温度是表征体系中物质内部大量分子,原子平均动能的一个宏观物理量。
物体内部分子,原子平均动能的增加或减少,表现为物体温度的升高或降低。
物质的物理化学特性,无不与温度有着密切的关系,温度也是确定物体状态的一个基本参量。
因此,准确测量和控制
温度,在科学实验中十分重要。
温度是一个很特殊的物理量,两个物体的温度不能像两个物体的质量那样互相叠加,两个温度间只有相等或不相等的关系。
为了表示温度的数值,需要建立温标,即温度间隔的
划分与刻度的表示,这样才会有温度计的读数。
国际温标是规定一些固定点,对这些固定点
用特定的温度计做精确测量,在规定的固定点之间的温度的测量是以约定的内插方法及指定的测量仪器以及相应的物理量的函数关系来定义。
确立一种温标,需要有以下三条:
1）选择测温物质
2）确定基准点
3）划分温度值
实际上,一般所有物质的某种特性,与之间并非严格呈线性关系,因此,用不同物质做
温度计测量同一物体时,所显示的往往不完全相同。
（2）温度测量
测量温度传统所用的方法是用水银或酒精温度计来测量，不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一，已经不能满足人们在数字化时代的要求。
于是我们提出，测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化，通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化，实现模拟信号到数字信号的转换，然后利用数字信号处理方法计算得出温度值，实现温度的测量；并利用单限比较器来实现对加热的控制，从而实现对温度的控制；再者还加载了报警装置，使它的功能更加完善，使用方便起来。
（3）报警电路及其控制类型
目前最常用的报警方式是光电报警。
本设计中用高电平驱动三极管导通，使蜂鸣器产生报警信号，实用有简单。
基本工作原理简介如下：
先利用电位器与大电阻分压提供基准电压Vmax，当温度高于最大值时，Vx>Vmax,Vo2输出高电平，二极管和三极管导通，蜂鸣器发声报警。
否则输出第电平，二极管和三极管截止，蜂鸣器不工作。
1.1.2课题技术要求
本设计电路要求能够实现以下功能，能够达到以下基本要求：
（1）被测温度和控制温度均可数字显示
（2）测量温度为01200C，精度为0．50C
（3）控制温度连续可调，精度1OC
（4）温度超过额定值时，产生蜂鸣器报警信号
1.1.3课题设计指导思想
利用数字电路及模拟电路的基本知识，如放大电路，A/D转换器，D/A转换器等来实现上述功能。
要实现上述要求，则需先将测量到的温度信号转换成为电信号，以控制电路进行温度调节。
并要将模拟量的电信号，通过放大、滤波后送A/D转换器转换成为相应的数字信号，再通过译码驱动显示电路显示对应的温度值。
（1）传感器可以采用铂电阻、精密电阻和电位器
组成测量电桥，电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器双端输入信号，将信号放大后由低通滤波器将高频信号滤去。
图1．1所示。
在0oC,调节
，使显示器显示0oC。
在50oC时，调节放大器的增益（调节电位器
），使显示器显示50oC。
注意放大的输出电压不允许大于A/D转换器的最大输入电压值。
（2）被测温度信号电压加于比较器（Ⅰ）与控制温度电压VREF进行比较，比较结果通过调温控制电路控制执行机构的相应动作，使被控系统升温或降温。
（3）当控制电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度对应值
，用声、光报警电路发出警报，值班人员将采取相应的紧急措施。
（4）开关S1可分别闭合系统温度、控制温度电压VREF和报警温度电压
，通过A/D转换器将模拟量转换成数字量，显示器显示出相应的温度数值。
图1.1
1.2设计思路
简述如下：
要实现上述要求，则需先将测量到的温度信号转换成为电信号，以控制电路进行温度调节。
并要将模拟量的电信号，通过放大、滤波后送A/D转换器转换成为相应的数字信号，再通过译码驱动显示电路显示对应的温度值。
电路共分为三部分，即恒温控制部分，报警部分和测量显示部分。
下面分别对三部分的设计思路及原理进行说明。
（1）对温度进行测量、控制并显示，首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，
然后采用电子电路实现题目要求。
可采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。
（2）恒温控制：
将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压VREF，用实际测量值
与VREF进行比较，比较结果（输出状态）自动地控制、调节系统温度。
（3）报警部分：
设定被控温度对应的最大允许值Vmax，当系统实际温度达到此对应值Vmax时，发生报警信号。
（4）温度显示部分采用转换开关控制，可分别显示系统温度、控制温度对应值VREF，报警温度对应值Vmax。
第二章方案设计论述
2.1几种方案设计原理及其特点
2.1.1方案一设计原理及特点
利用555构成的双门限温度控制及显示电路
本方案利用555的双门限比较电压，通过调节555门限值（调电位器）来控制连接在555上的电磁继电器来达到温度控制的目的，把温度锁定在两个设定值之间。
然后通过三极管和A/D转换器驱动数码管来进行显示。
本方案使用的器件简单，不仅原理简单而且电路中也不曾用到一些不常用的器件，在器件的选择方面可行性较高，而且整个电路用220V电压通过降压进行供电。
不用电池或其他污染较大、成本较高、极易消耗的稳压源，在应用方面简单且广泛。
但是Rt（热敏电阻）并非都是线性的，使得只能在实际温度下来调节门限电压（通过调电位器）也就是在Rt重复性好的情况下，只利用其中的两个值，这就使得显示出的温度只有两个精确值，剩下的都为近似温度，而且不能进行报警。
所以本方案由于过于简单不精确达不到要求，故放弃。
2.1.2方案二设计原理及特点
温度的测量显示及控制电路
本方案是利用运放来进行电压比较从而使电路加入报警部分。
且通过查找资料，对热敏电阻进行线性化，而且利用运放进行比较简单且易于调试。
用于温度测量的元件是通过对热敏电阻的线性化来保证温度与电压之间的线性转化。
应用7106三位半模数转化集成模块进行译码及驱动的功能。
集成度高，且易于调试，显示的准确性和调零都可以通过调节7106的外围器件来完成。
此方案原理简单，而准确度高元件应用少。
用220V降压供电在实际应用上会由于节省成本、维修容易等优点被广泛应用。
但是热敏电阻线性化可行性不能保证，而且本次课设是在学校有这种器件的基础上来进行设计的，考虑到器件原因所
以本方案放弃。
2.1.3方案三设计原理及特点
温度的测量与控制电路
部分一：
本方案利用AD590来进行精确的温度测量然后进行电压信号放大。
因为AD590是每升高1℉将会在电路上多出1uA电流，精确度非常高，而且线性度也非常的好。
在它
所在的电路上加上1K的电阻把电流信号转化成电压信号而且进行第一步的粗略信号放大。
由于用的A/D转化器只接收0～2V的电压信号而温度显示为0～120℃所以每升高1℃就必须有10mV的电压信号。
第二次精确放大利用运算放大器接成负反馈电路，通过调节电位器来达到精确放大的目的。
此时利用公式（2-1）
（2-1）
因为AD590是华氏温度每升一度就增加1uA电流也就是它在0℃时，仍然有约273.5uA的电流。
通过上述转化后变成2.735V的电压信号，应想办法消去华氏与摄氏温度不同造成的干扰。
本方案再利用电位器分压的来提供相减电压。
应用公式（2-2）：
（2-2）
为了使运算放大器不由于接入负反馈而将模拟部分中的信号电压拉下来。
本方案在每个运放前信号输入部分加上了电压跟随器以增加信号的输出阻抗，来保证信号不丢失。
调试时容易测出准确的电压值。
而且整个电路都应用的是负反馈的线性部分，使得放大过程线性程度好，信号准确，为以后的准确显示打下稳固基础。
部分二：
本方案按照题目要求在电路中加入控制及报警部分。
方案中用5V电压来进行分压以求分压精确。
电路用常用的电阻和电位器简单的设定一个限值而且可调节在应用上极为顺手。
第一次消值分压要分出2.735V的电压，为了保证电路中毫安级的电流应用1K电阻和5K电位器分压。
第二次加热值分压首先预设为50℃，所以应分出电压信号0.5V。
所以采用4.7K电阻与1K电位器进行分压，使得加热的温度可调范围为0～88℃。
第三次报警部分分压预设100℃，应分出1V电压信号，所以选择用2K电阻和1K电位器进行分压，使报警温度的可调范围为0～167℃。
符合实际与课设的要求标准。
而且电路工作时有小绿灯亮，在温度加热时有小黄灯亮，报警时有小红灯亮。
加热用12V-220V电磁继电器达到低压控制高压而且提高加热速度和工作效率。
加热用各种市面上加热的器件均可。
根据实际情况选购。
若环境是自动升温（如发酵罐）则只需要将加热器改成电磁阀来进行自动放水冷却。
这使的本方案在实际应用上更广泛。
部分三：
本方案采用14433三位半的双积分式A/D转化集成模块和译码器CD4511反向驱动器1413和数码管来完成显示部分。
其中14433在数据输出上为低电平有效，而信号输出上为高电平为有用信号，所以必须用4511来完成译码工作。
而因为数据输出变成了高电平为有用信号，所以用共阴极数码管，因此也需要反向驱动器1413来完成数码管的驱动。
为了不烧了数码管，在CD4511数据输出处各加100欧姆的电阻。
CD4511的真值表见表2-1：
表2-1CD4511的真值表
响应
输出
LE'
Bi'
LT'
D
C
B
A
abcdefg
L
H'
H'
BCD码
相应的BCD码
×
×
L
×
×
×
×
输出高阻态
×
L
×
×
×
×
×
空白
H'
H'
H'
×
×
×
×
输出高阻态
其拥有温度显示的功能使电路中测量的信息时刻显示出来。
在实际应用中使得人可以随时知道温度的情况。
而且无须任何测量工具，调整加热限值与报警限值都在调整过程中显示出来。
使应用更为方便。
部分四：
本方案采用两入三出的变压器和7812、7805及7912等器件很好的将220V电压稳成12V、5V和-12V。
而并非由于需要太多的电源使得成本和电路体积大大增大。
而且稳出的电源稳定、干净，以后在应用上更为简单容易。
2.1.4最优方案选择及其优势
通过比较，我觉的第三个方案具有结合了前两种方案的全部优点，而且在很多方面都改进了，尤其是考虑了很多实际使用时的方便，符合课程设计的要求。
也是经过修改前两种方案一步一步走过来的，所以我选择第三种方案。
2.2工作原理及系统总体框图
2.2.1工作原理
用传统的水银或酒精温度计来测量温度，不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一，已经不能满足人们在数字化时代的要求。
于是我们提出，测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化，通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化，实现模拟信号到数字信号的转换，然后利用数字信号处理方法计算得出温度值，实现温度的测量；并利用单限比较器来实现对加热的控制，从而实现对温度的控制；再者还加载了报警装置，使它的功能更加完善，使用方便起来。
本设计是采用了温度的测量、温度的显示、温度的控制、报警装置四部分来具体实现上述目的。
工作
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