溫度的檢測顯示與控制器的設(shè)計(jì)制作

裝訂線一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康难b訂線1.學(xué)習(xí)溫度傳感器的原理、特性及基本使用方法。2.熟悉集成運(yùn)算放大器在測量電路中的實(shí)際運(yùn)用。3.學(xué)習(xí)并掌握對非電量信號的檢測與控制及其電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。二、實(shí)驗(yàn)原理溫度檢測電路是由溫度傳感器、調(diào)整放大電路等構(gòu)成，溫度值的數(shù)字顯示由A/D轉(zhuǎn)換器級相應(yīng)的顯示電路等構(gòu)成，檢測電路與顯示電路構(gòu)成溫度的測量系統(tǒng)。根據(jù)溫度的測量值與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，決定被控制對象是否進(jìn)行加熱從而使被控制對象的溫度維持在設(shè)定值附近就構(gòu)成了溫度控制系統(tǒng)，溫度的控制系統(tǒng)由溫度設(shè)定電路，比較控制電路和驅(qū)動加熱電路構(gòu)成。如下圖所示為測量與控制系統(tǒng)的系統(tǒng)原理方框圖。系統(tǒng)原理方框圖溫度傳感器本設(shè)計(jì)采用的是集成溫度傳感器LM35，LM35是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，具有很高的工作精度和較寬的的線性工作范圍，工作電壓范圍為4~30v。其輸出電壓與攝氏溫度成線性比例關(guān)系，非線性溫度誤差低于0.25℃，線性的溫度系數(shù)為+10mv/℃,無需其外部校準(zhǔn)或微調(diào)。輸出電壓與溫度的表達(dá)式為Uout=10mv/°C×t°CLM35的典型應(yīng)用如下圖，其供電模式有單電源與正負(fù)雙電源兩種模式。正負(fù)雙電源模式可提供-55℃到150℃的全程范圍測量；單電源供電模式在25℃下的電流約為50uA。溫度傳感器LM35測量溫度的范圍0到100℃，其輸出電壓范圍為0到1v。LM35兩種供電模式控制驅(qū)動電路系統(tǒng)控制就是為了克服各種擾動的影響，對系統(tǒng)中的某一個(gè)或某一物理量進(jìn)行偏差糾正的運(yùn)行，已達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)穩(wěn)定目標(biāo)。最基本的的控制方式就是閉環(huán)控制，也稱反饋控制。其要解決的主要問題是系統(tǒng)動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)時(shí)的性能，歸結(jié)為三個(gè)字：穩(wěn)、快、準(zhǔn)。自動控制系統(tǒng)簡單說是由被控制的裝置和被控制的對象組成，就是在無人直接參與的情況下，通過外加的裝置（控制器），使被控制對象的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動的按照預(yù)定的要求運(yùn)行。下圖為溫度自動控制系統(tǒng)的工作原理圖。給定值Ut被控對象驅(qū)動加熱運(yùn)算調(diào)整比較給定值Ut被控對象驅(qū)動加熱運(yùn)算調(diào)整比較測量值Ut測量值Ut溫度自動控制系統(tǒng)工作原理圖在模擬電路系統(tǒng)中，如果被控參數(shù)單一，系統(tǒng)的擾動強(qiáng)度較弱，穩(wěn)態(tài)性能要求不高，則可采用遲滯比較器或滯回比較器，又稱施密特觸發(fā)器作為控制器實(shí)現(xiàn)基本的系統(tǒng)調(diào)控。如下圖所示。遲滯比較器的優(yōu)點(diǎn)是加有正反饋，可以加快控制器的響應(yīng)速度。當(dāng)輸出的狀態(tài)一旦轉(zhuǎn)換后，只要在跳變電壓值附近的干擾不超過?U之值，輸出電壓的值就是穩(wěn)定的。但隨之而來的是分辨能力的降低，因?yàn)樗荒芊直嫘∮?U的兩個(gè)輸入電壓值。另外，遲滯比較器的正反饋很強(qiáng)，遠(yuǎn)比模擬電路中的寄生耦合強(qiáng)的多，因此，可免除由于模擬電路寄生耦合而產(chǎn)生的自激振蕩，增加了抗干擾性。遲滯比較器工作電路及電壓傳輸特性三、實(shí)驗(yàn)任務(wù)：1、選用合適的溫度檢測傳感器，設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)測量范圍0~100℃，測量精度為0.1℃的溫度檢測轉(zhuǎn)換電路。2、選用合適的集成基準(zhǔn)電壓源，設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出的基準(zhǔn)電壓源。3、設(shè)計(jì)一個(gè)溫度加熱控制電路，實(shí)現(xiàn)用電位器調(diào)節(jié)電壓值的方式來設(shè)定控制溫度值，當(dāng)檢測溫度值低于設(shè)定值時(shí)，加熱電路工作；當(dāng)檢測溫度值高于設(shè)定值時(shí)，加熱電路停止加熱。4、綜合以上設(shè)計(jì)，完成一個(gè)能實(shí)現(xiàn)溫度檢測、控制和加熱等功能的電路，繪制相應(yīng)的電路圖，同時(shí)完成相應(yīng)器件的選擇和參數(shù)計(jì)算，制作電路板，進(jìn)行器件安裝和功能調(diào)試。5、完成設(shè)計(jì)方案、電路制作、功能調(diào)試等步驟的書面小結(jié)。四、實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)1、測溫電路設(shè)計(jì)測溫電路設(shè)計(jì)圖如上圖，溫度傳感器采用LM35，采用單電源5V供電，在溫度為0~100℃，LM35的輸出電壓為0~1v,在LM35后連接電壓跟隨器，消除后一級電路對LM35測量輸出的影響。由于LM35的輸出存在一定誤差，且輸出是線性的，之后可以連接電壓微調(diào)電路，電路微調(diào)電路是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的反向加法器，一般情況下，LM35的輸出誤差在幾到幾十毫伏，可以通過加法電路消除，且誤差可正可負(fù)，所以通過三排針根據(jù)實(shí)際誤差，輸入正或者負(fù)5v的電壓，再經(jīng)過電位器和電阻分壓，產(chǎn)生消除誤差所需要的電壓，由于反向加法器輸出的電壓是負(fù)電壓，后面的顯示電路和控制電路要求的是正電壓，所以加法器后連接反向器，從而保證溫度為0~100℃，測量電路的輸出是0~1v?？刂乞?qū)動電路的設(shè)計(jì)根據(jù)被控制對象的控制精度的不同要求，可選擇不同的控制方式。在控制精度要求較高的場合，PID（比例微分積分）調(diào)節(jié)控制方式是最后的選擇，它可以使系統(tǒng)快速地達(dá)到預(yù)設(shè)定的要求，并穩(wěn)定在設(shè)定值上。在控制要求精度不高的情況下，可選擇二位式或三位式調(diào)節(jié)控制方式。二位式調(diào)節(jié)控制方式的原理是當(dāng)測量值低于設(shè)定值是，執(zhí)行器件工作，滿負(fù)荷輸出；當(dāng)測量值達(dá)到或高于設(shè)定值是，執(zhí)行器停止工作，沒有輸出。三位式調(diào)節(jié)控制方式的原理有兩個(gè)設(shè)定值Ur1和Ur2，且Ur1<Ur2，當(dāng)測量值低于設(shè)定值Ur1時(shí)，執(zhí)行器工作，滿負(fù)荷輸出；當(dāng)測量值達(dá)到或高于設(shè)定值Ur2是，執(zhí)行器件停止工作，沒有輸出；當(dāng)測量值介于設(shè)定值Ur1和Ur2之間時(shí)，執(zhí)行器保持原來的狀態(tài)不變。這種控制方式可避免執(zhí)行器頻繁的啟動或停止，但控制精度低。本設(shè)計(jì)采用二位式調(diào)節(jié)控制方式，用遲滯比較器作為運(yùn)算控制器，用功率電阻做加熱器，對一個(gè)封閉的環(huán)境實(shí)行溫度控制。根據(jù)這個(gè)要求可設(shè)計(jì)出運(yùn)算控制和執(zhí)行電路的原理圖。設(shè)計(jì)運(yùn)算控制與執(zhí)行電路控制端放大圖Ur由R43和電位器R39分壓給定，控制溫度的電壓為0~1v，所以輸入電壓5v經(jīng)R43和R39分壓后在R33上可輸出0~1v的溫度設(shè)定電壓。運(yùn)放U4B的6接線端接測量電路的輸入電壓，5接線端接溫度設(shè)定電路的設(shè)定電壓。運(yùn)放U4B構(gòu)成遲滯比較器，調(diào)整R33和R36的阻值可以調(diào)節(jié)遲滯比較器的回差，從而調(diào)節(jié)控制精度。回差的大小應(yīng)視被控制對象的要求而定，太大控制精度低，太小控制精度高，但執(zhí)行器會頻繁啟動。遲滯比較器的輸出經(jīng)三極管T1放大后，驅(qū)動電位器K1，由繼電器K1實(shí)現(xiàn)對加熱控制電路通斷的控制。加熱電阻選擇10W的功率電阻。圖中LED用作指示燈，指示加熱電路的工作狀態(tài)。遲滯比較器執(zhí)行器電路原理當(dāng)檢測值低于比較器的下限時(shí),比較器輸出高電平,T1導(dǎo)通,LED指示燈亮,繼電器吸合,加熱器工作,溫度開始上升。當(dāng)溫度的檢測值高于比較器時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，T1截至，繼電器器K1釋放，加熱器停止加熱。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路中利用Header4，1腳接地，2腳接Ut，4腳接Ur，3腳接ICL7107的Vin+。用短路帽將2、3腳連接，數(shù)碼管顯示測量值Ut；將3、4腳連接，數(shù)碼管顯示設(shè)定值Ur。A/D轉(zhuǎn)換與顯示電路本電路采用ICL7107進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ICL107是一塊應(yīng)用非常廣泛的集成電路，它包含3位半數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動LED數(shù)碼管，無須另加驅(qū)動器件。其內(nèi)部設(shè)有參考電壓、獨(dú)立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動、自動調(diào)零功能等。在本電路中，由于輸出電壓的范圍為0~1V，所以將ICL7107設(shè)置成量程為2V的模式，如下圖所示，即將AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓設(shè)置為1V即可。數(shù)碼管顯示部分由于ICL7107能夠直接驅(qū)動數(shù)碼管，所以，只要將共陽數(shù)碼管連接限流電阻后再與ICL7107的顯示段連接即可。由于要顯示的量程為2V，所以需要4位顯現(xiàn)管，由于要精確到小數(shù)點(diǎn)后一位則在第二個(gè)（十位）加小數(shù)點(diǎn)，當(dāng)溫度為28℃時(shí)輸出電壓為280mv，顯像管顯示為28.0。如下圖，顯示電路采用了ICL7107集成芯片，TC7107的供電電壓為正負(fù)5v，其基準(zhǔn)電壓1v由5v電源電壓經(jīng)R20和R16分壓后提供，Header2為調(diào)試時(shí)測量VIN+電壓的端口。ICL7107溫控顯示五、安裝和調(diào)試1、按照原理圖安裝電路板，經(jīng)調(diào)試后發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示的數(shù)值很?。ㄖ挥袀€(gè)位與小數(shù)位顯示），并且控制電路不工作。按照電路圖，從測量電路到控制電路一級一級的測量后，終于找到了2個(gè)安裝過程中的bug，分別是：測量電路R8電阻本應(yīng)該是100K，但焊上了10K的電阻；控制電路中的VT1E、B、C接反了，導(dǎo)致繼電器與LED一直不工作。2、繼續(xù)調(diào)試電路，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ut<Ur下限瞬間，執(zhí)行器工作，電流突然增大，直接導(dǎo)致數(shù)碼管顯示的值發(fā)生了跳變（具體是從30跳變至60），這是不符合設(shè)計(jì)要求的。在葉老師的幫助下，我們小組決定在電源輸入端接上兩個(gè)1000uF的電解電容，起到穩(wěn)壓作用。換上電解電容后，跳變之變小為3左右，但是我認(rèn)為誤差還可以變小，可以做到不發(fā)生顯示值的跳變。經(jīng)過討論，小組決定將原本1M的R36換成12M的大電阻。經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)溫度顯示值連續(xù)變化，不管是測