温度测量.docx

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温度测量

摘要：

本选题名称为“温度测量数显控制仪的设计实现”，实验要求设计一个温度测量数显控制仪并且能够实现预定的测量目标。

温度测量时日常生活和工程领域经常需要解决的问题，温度测量数显控制仪能够满足对温度测量精度要求不高的场所的需求，其测量范围为-50℃~200℃，虽然精度不是很高，但设计简单且经济实用。

本实验中设计的度测量数显控制仪采用铂电阻来实现温度的采集与控制调节，其设计理念为应用铂电阻的阻值随温度的变化而呈现有规律的变化这一特性，当温度变化时，铂电阻的阻值发生变化，而铂电阻的每一个阻值都与温度一一对应，然后经过电阻电压转换、模数转换以及数码显示，将当前阻值所对应的温度显示出来，从而实现对温度的测量。

此外，本实验还要求当温度超过某一设定值时，控制仪能够发出报警并且触发散热装置工作进行降温。

报警用发光二极管和蜂鸣器，降温设备为小风扇。

当温度超出预定范围时，发光二极管亮并且蜂鸣器响，小风扇开始工作。

本实验对学生的综合实验素质及理论知识的要求不是很高，设计的温度测量数显控制仪也不是高精度的设备。

关键词：

温度测量，铂电阻，精度，报警

第一部分课题的任务与要求

一、设计选题

温度测量数显控制仪的设计实现

二、设计任务要求

设计一个可在一定温度范围进行温度测量与控制的温度测量数显控制仪。

该显示仪测量温度的范围为-50℃~200℃，能够对温度值进行数字显示（可现实温度测量值和设定温度值两种），其测量误差为±1℃。

当超过某一设定温度上限时（如30℃），能够声光报警，并启动风扇。

说明：

本实验中，测量显示室温和声光报警为必做内容，风扇降温为选作内容。

三、设计目的

1．了解温度采集传感器Rt100的工作原理，掌握其工程设计实用方法。

2.掌握模数转换、电阻电压转换及数码显示电路的设计构建方法。

3.掌握电子电路系统设计的基本方法，培养提高综合利用多学科相关知识进行初步工程设计与实际装调系统电路的能力。

第二部分系统概述

一、设计任务及要求分析

本实验要求温度测量数显控制仪的测量温度的范围为-50℃~200℃，能够对温度值进行数字显示（可现实温度测量值和设定温度值两种），其测量误差为±1℃。

当超过某一设定温度上限时（如30℃），能够声光报警。

实验中涉及到温度采集、电阻电压转换、A/D转换、数码显示等。

在设计实验方案时大体上按照上面的内容进行设计，根据设计任务及指标有以下两种方案可以实现实验要求。

二、设计方案及比较论证

方案一基于ICL7107的温度测量数显控制仪

本方案的设计电路由稳压电路、温度采集、电阻/电压转换器、控制电路和显示电路组成。

其中，温度采集传感器采用热敏电阻铂Rt100，A/D转换器用ICL7107（双电源±5V供电，适合驱动发光二极管显示），共阳数码管用ICL7107

控制。

本方案用到了ICL7107，电路中的A/D转换电路与数码显示电路都由其控制与组成，因而在设计具体电路时，要针对ICL7107进行合理的设计。

而电阻/电

压转换电路由运放电路组成，Rt100是电阻/电压转换电路的核心部分。

该方案的设计方框图表示如下

基于ICL7107的温度测量数显控制仪原理方框图

优点：

电路组成明确且设计合理，能够较为理想的实现实验设计要求。

缺点：

电路所用元器件较多，调试比较复杂。

方案二基于DS18B20的温度测量数显控制仪

DS18B20感应到对应温度值时会出输一个对应电压,对过AD采样模快对电压采样,得到对应值,数据给单片机计算然后输出显示就可以得要实测温度。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

DS18B20体积小，使用方便，但需要通过编程来实现对温度的测量，其外部供电要求也比较严格。

整体说来，我认为方案一比较适合本次实验。

原因有以下几点：

1、本次实验为综合性设计实验，实验的目的是考察学生的综合能力以及锻炼学生的思维动手能力，在这一点方案一比方案二要好。

2、方案一设计合理，电路构成明确且易于操作，不用编写调试程序；方案二虽然构成要比方案一简单，但涉及到编程及调试，对学生的软件知识要求较高。

综上所述，我认为采用方案一是合理的选择。

第三部分单元电路设计与分析

一、各单元电路构成及其原理分析

1、稳压电路

稳压电路原理图

稳压电路主要功能是将±220V的电压转换成为±5V的电压，用以控制仪各个部分的供电。

在实际的实验室操作过程中，我直接用±5V的电压进行供电，但考虑到实验产品的实用性，稳压电路的实际就成为了必须要考虑的一项内容。

2、温度采集及电阻/电压转换电路

温度采集主要用到了铂电阻Rt100的温度传感特性。

当温度发生变化时，铂电阻的阻值会发生变化，而铂电阻的阻值又与温度呈现一一对应的关系，具体对应关系见下表：

温度℃

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

阻值Ω

80.31

90.19

100

109.73

119.40

128.98

138.50

147.94

157.31

166.61

175.84

1、当t=-50℃时，运放的输出电压为Uo=（1+80.31/33）×0.3=1.03V

2、当t=200℃时，运放的输出电压为Uo=（1+175.84/33）×0.3=1.90V

3、在-50℃～200℃，输出电压在1.0～1.9V间。

在电阻/电压转换电路后，接一电压跟随器，提高带负载的能力。

电压跟随器电路示意图

电阻/电压转换电路将铂电阻的阻值转换为实时电压，从而实现了对温度的采集和信号的转换。

3、A/D转换器

A/D转换器采用美国Harris公司的ICL7107（双电源±5V供电），它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动发光二极管（LED）。

内部设有参考电压、七段译码器、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零、参考源和时钟系统等功能。

将高性能、低功耗和低成本很好的结合在一起，它有低于10µV的自动校零功能，零漂小于1µV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。

真正的差动输入和差动参考源广泛用于各种单片测量单元。

可用于组装成各种数字仪表或数控系统中的监控仪表，广泛用于电压、电流、温度、压力等各种物理的测量。

封装形式有DIP40、LQFP44或QFP44等。

C1为外接积分电容，R1为外接积分电阻，C2为自动调零电容，C4为基准电容，C5、R6为内部时钟振荡器的外接电容、电阻。

具体的元件参数已经在途中给出，在这里就不再赘述。

振荡频率f=0.45/R6C5

R6=100K、C5=100PF,则主振频率为45kHz,采样时间为每秒3次。

IN+为外加信号输入端；IN-为输入基准信号零点，VREF+为基准信号端子。

当基准信号调到0～2V时，外加信号的输入也在0～2V，LED对应显示0～1999，相当于1mV对应1个字。

当输入信号超过上限量程时，千位数码管显示1，而其余三位数码管全无显示；当输入信号超过下限量程时，千位数码管显示-1，而其余三位数码管全不显示.正电源通过R7限流电阻向共阳极数码管供电，改变R7可改变数码管的亮度。

A/D转换器可以说是整个设计电路的核心部分，而ICL7107则是A/D转换电路的核心部分。

了解ICL7107的使用方法及原理，对于整个电路设计直观重要。

因此在实验开始前，我就上网查阅有关资料，积累了一些针对ICL7107的知识，因此在实验过程中能够较为深入的理解具体电路的设计原理。

4、控制电路

这里，我主要讲述控制电路中的电压比较器电路

电压比较器电路

电压比较器主要用于控制加热设备或制冷设备的通断，其控制原理如下：

1、切换开关K置于1挡时，仪表显示测量温度值；

2、置于2挡时显示设定温度。

3、当测量温度值低于设定温度值时，8管脚输出高电平，二极管不工作。

当测量温度高于设定温度时。

8管脚输出低电平，二极管工作。

5、显示电路

当温度测量完之后，要通过显示电路将测量值显示出来。

显示电路由ICL7107以及数码管构成。

其中，数码管是LG5011BSR,采取共阳极接法，即阳

极接到电源正极，其余的各个管脚与ICL7107的管脚一一对应连接。

6、声光报警电路

声光报警电路主要由发光二极管、PNP三极管、蜂鸣器和小风扇组成。

其中小风扇和蜂鸣器并联接在三极管的集电极（c极），三极管可以放大电流，从而驱动小风扇和蜂鸣器工作。

其工作原理如下：

1当测量温度低于设定温度时，发光二极管截止不工作，三极管也处于截止状态，小风扇和蜂鸣器不工作；

2当测量温度高于设定温度时，二极管导通，三极管导通，b极的电流经过放大驱动蜂鸣器和小风扇工作。

以上便是整个系统的单元电路设计与分析。

第四部分安装调试及测量数据分析

一、安装与调试

本实验在万能板上进行元件的焊接与调试，因此在完成电路设计之后，如何进行电路安装布局成为了首要的工作。

在备齐所有元器件之后，如何按设计图组装成电路图，各部分应放在什么位置，电路元件在板上应如何布置，这些问题都属于电路安装布局的问题。

电子电路安装布局分为电子装置整体结构布局和电路板上元器件安装布局。

1、整体结构布局

整体结构布局应注意以下几点：

a、注意电子装置的重心平衡与稳定

b、注意发热部件的通风散热

c、注意不见得热干扰

d、注意电磁干扰对电路正常工作的干扰

e、注意电路板的分块与布置

f、注意连线的相互影响。

强电流线与弱电流线应分开走，输入级的输入线应与输出级的输出线分开走。

g、操作按钮、调节按钮、指示器与显示器等都应安装在装置的面板上

h、注意安装、调试和维修的方便，并尽可能注意整体布局的美观

2、元件在电路板上的布局

元件在电路板上的布局应遵循以下原则：

a、首先布置电路的集成块和晶体管的位置

b、其他电路元件的位置安排原则是按级就近布置

c、连线布置，强电流线与弱电流线应分开走，输入级的输入线应与输出级的输出线分开走。

d、合理布置接地线

在焊接元器件之前，我首先认真阅读了电子电路安装布局原则，并根据实验

所用的元器件进行了整体的布局。

实验中用到了LM324和ICL7107这两个管脚较多的器件，并且有3个电位器（各有3个管脚），还有一个开关按钮。

在整体布局上，我以ICL7107为中心，其余的元器件分布在其下方及两侧，整体视图

效果较好。

在安装焊接元器件时，我首先将ICL7107和数码管连好，并测试数码管能否正常工作。

当数码管能够正常工作后，我又开始焊接其他元器件。

在焊接完所有元器件后，我开始了电路的调试。

一个组装好的电子系统不可能不经过调试即可满足设计要求，所以焊接好的电子电路应经过认真、细致的调试，以满足性能要求。

调试步骤有以下几点：

1、检查电路

我首先用万用表进行焊点检查，检查是否有虚焊及漏焊、错焊。

同时结合电路原理图检查是否存在错接、漏接现象。

经仔细检查，我发现了一处错误，立即进行了改正。

2、通电观察

实验室提供有±5V的稳压源，将电路的阳极导线、地线、阴极导线分别于电源的正极、地级、负极相连，观察电路是否有异常情况，如元器件发热、冒烟等，如出现异常，应立即关闭电源，检查并排除故障后继续进行操作。

经观察，未出现异常。

3、静态调试

先不加输入信号，测量电路有观点的点位是否正常。

4、动态调试

加上输入信号，观