简易数字温度控制器设计制作论文 精品Word文件下载.docx
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二、温度控制器电路的设计
2.1温度传感器的选择
1温度传感器选择集成温度传感器AD590
AD590的外形采用TO—52金属圆壳封装结构,其管脚排列如图(a)。
它是一种二端元件,属于一种高阻电流源,其典型的电流温度灵敏度是1μA/K,温度为0℃时,AD590输出的恒流值为273.15μA,当温度升高或降低1℃时,AD590的输出电流就增大或减小1μA。
AD590测量温度范围是-55~+150℃;
在整个测温范围内的非线性误差小于±
0.3℃;
工作电压范围4~30V。
由AD590组成的测温电路如图(b)所示。
(a)AD590外形图(b)温度测量电路
图2AD590组成的温度测量电路
在图(b)电路中,由基准源MC1403提供的电流i0为:
调节RP1即可改变i0的大小。
AD590输出电流的温度灵敏度为1A/K,绝对温度与摄氏温度的关系为K=℃+273.15。
设要测量的温度为T(摄氏温度),则流过AD590的电流it为:
流过反馈支路的电流:
可见若要使,只要调节电位器RP1即可。
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ICL
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