溫度測(cè)量課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 選題背景……………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1設(shè)計(jì)任務(wù)………………………………………………………………………1</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)要求………………………………………………………………………1</p>

2、<p>　　1.3指導(dǎo)思想………………………………………………………………………1</p><p>　　2方案論證……………………………………………………………………………1</p><p>　　2.1方案闡述………………………………………………………………………1</p><p>　　2.2方案選擇………………………………………………………………………2

3、</p><p>　　3 過程論述……………………………………………………………………………2</p><p>　　3.1溫度采集及電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路………………………………………………3</p><p>　　3.2放大電路………………………………………………………………………5</p><p>　　3.3 控制電路…………………………………

4、……………………………………6</p><p>　　3.4 A/D轉(zhuǎn)換器……………………………………………………………………7</p><p>　　3.5 顯示電路………………………………………………………………………8</p><p>　　3．6 調(diào)試方法………………………………………………………………………8</p><p>　　4結(jié)論

5、或總結(jié)…………………………………………………………………………8</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………10</p><p>　　附：1系統(tǒng)原理總圖…………………………………………………………………11</p><p>　　2 元器件清單……………………………………………………………………12</p>

6、<p><b>　　1 選題背景</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　使用PT100溫度傳感器（電阻值隨溫度變化），設(shè)計(jì)傳感器放大電路，將傳感器的電阻值轉(zhuǎn)變?yōu)?~5V電壓信號(hào)，將溫度值顯示出來。再設(shè)計(jì)控制電路，控制一個(gè)300W電熱杯溫度，使其能夠穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值。</p>&l

7、t;p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)以測(cè)量顯示部分電路為主；</p><p><b>　　要繪制原理框圖；</b></p><p><b>　　繪制原理電路；</b></p><p>　　要有必要的計(jì)算及元件選擇說明</p>

8、<p><b>　　提供元件清單；</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)印刷線路板；</b></p><p>　　如果采用單片機(jī)，必需繪制軟件流程圖</p><p><b>　　1.3 指導(dǎo)思想</b></p><p>　　Pt100 是電阻式溫度傳感器，測(cè)溫的

9、本質(zhì)其實(shí)是測(cè)量傳感器的電阻，通常是</p><p>　　將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào)，然后再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由處理器換算出相應(yīng)溫度。</p><p><b>　　2 方案論證</b></p><p><b>　　2.1方案闡述</b></p><p>　　方案一 基于ICL7

10、107的溫度測(cè)量數(shù)顯控制儀</p><p>　　本方案的設(shè)計(jì)電路由穩(wěn)壓電路、溫度采集、電阻/電壓轉(zhuǎn)換器、控制電路和顯示電路組成。其中，溫度采集傳感器采用熱敏電阻鉑Pt100，A/D轉(zhuǎn)換器用ICL7107（雙電源±5V供電，適合驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示），共陽數(shù)碼管用ICL7107</p><p><b>　　控制。</b></p><p>

11、　　本方案用到了ICL7107，電路中的A/D轉(zhuǎn)換電路與數(shù)碼顯示電路都由其控制與組成，因而在設(shè)計(jì)具體電路時(shí)，要針對(duì)ICL7107進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。而電阻/電</p><p>　　壓轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)放電路組成，Pt100是電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路的核心部分。</p><p>　　該方案的設(shè)計(jì)方框圖表示如下</p><p>　　圖2-1基于ICL7107的溫度測(cè)量控制原理方框圖&l

12、t;/p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：電路組成明確且設(shè)計(jì)合理，能夠較為理想的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　缺點(diǎn)：電路所用元器件較多，調(diào)試比較復(fù)雜。</p><p>　　方案二 基于AT89S51型單片機(jī)的溫度測(cè)量控制顯示系統(tǒng)</p><p>　　利用鉑熱電阻的感溫效應(yīng)，將隨被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，選用AT89S51型

13、單片機(jī)作為主控制器件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來，這種設(shè)計(jì)需要用到A/D轉(zhuǎn)換電路，通過4位共陽極LED數(shù)碼管并口傳送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)溫度顯示。此外在外加的報(bào)警電路方面控制也比較方便。</p><p>　　圖2-2 方案二設(shè)計(jì)框圖</p><p><b>　　2.2 方案選擇</b></p><p>　　整體說來，我認(rèn)為方案

14、一比較適合本次課設(shè)。原因有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　方案一設(shè)計(jì)合理，電路構(gòu)成明確且易于操作，不用編寫調(diào)試程序；方案二雖然構(gòu)成要比方案一簡(jiǎn)單，但涉及到編程及調(diào)試，對(duì)學(xué)生的軟件知識(shí)要求較高，由于水平有限，暫不考慮。</p><p>　　綜上所述，我認(rèn)為采用方案一是合理的選擇。</p><p><b>　　3 過程論述</b></p>

15、;<p>　　3.1 溫度采集及電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　圖3-1 溫度采集及電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　溫度采集主要用到了鉑電阻Rt100的溫度傳感特性。PT100溫度傳感器是一種以鉑(Pt)做成的電阻式溫度傳感器，屬于正電阻系數(shù),其電阻阻值與溫度的關(guān)系可以近似用下式表示：</p><p>　　在0～650℃范圍內(nèi)：Rt

16、 =R0 (1+At+Bt2)</p><p>　　在-200～0℃范圍內(nèi)：Rt =R0 (1+At+Bt2+C(t-100)t3)</p><p>　　式中A、B、C 為常數(shù)，</p><p>　　A=3.96847×10-3；</p><p>　　B=-5.847×10-7；</p><p>　

17、　C=-4.22×10-12；</p><p>　　由于它的電阻—溫度關(guān)系的線性度非常好，因此在測(cè)量較小范圍內(nèi)其電阻和溫度變化的關(guān)系式如下：</p><p>　　R=Ro(1+αT) </p><p>　　其中α=0.00392, Ro為100Ω(在0℃的電阻值),T為華氏溫度，因此鉑做成的電阻式溫度傳感器，又稱為PT100。</p>

18、<p>　　PT100溫度傳感器的測(cè)量范圍廣：-200℃～+650℃，偏差小，響應(yīng)時(shí)間短，還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，其得到了廣泛的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)即采用PT100作為溫度傳感器。主要技術(shù)指標(biāo)： </p><p>　　測(cè)溫范圍：-200～650攝氏度</p><p>　　測(cè)溫精度：0.1攝氏度</p><p>　　穩(wěn)定性：0.1攝氏度<

19、;/p><p>　　當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，鉑電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化，而鉑電阻的阻值又與溫度呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系見下表：</p><p>　　分度號(hào) Pt100 R0=100.00 Ω </p><p>　　表3-1 鉑電阻分度表</p><p><b>　　測(cè)溫電橋的設(shè)計(jì)<

20、;/b></p><p>　　PT100 熱電阻在室溫下的電阻值約為105Ω～107Ω之間，PT100 允許通過的最大電流為5mA。故選擇10Ω的固定電阻與之串聯(lián)構(gòu)成相鄰的兩個(gè)橋臂。若采用5V 供電，則PT100 上通過的電流為5/10050=0.5mA，不超過5mA，滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　考慮到可調(diào)電位器的滑片容易發(fā)生微小的滑動(dòng)，造成實(shí)驗(yàn)誤差，故應(yīng)使電路中的可調(diào)電位器

21、的調(diào)節(jié)范圍盡可能大。實(shí)際應(yīng)用中常采用大的固定電阻串聯(lián)小的可調(diào)電位器的方式實(shí)現(xiàn)電阻值的微調(diào)。因此，與PT100 相對(duì)的橋臂選用100 ?的固定電阻。與10Ω的固定相對(duì)應(yīng)的橋臂選擇1kΩ的可調(diào)電位器和9.1 kΩ 的固定電阻串聯(lián)組成。</p><p>　　電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路將鉑電阻的阻值轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)電壓，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的采集和信號(hào)的轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　3.2放大電路&

22、lt;/b></p><p>　　在許多需要A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的系統(tǒng)中，多數(shù)情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過一個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，再次情況下必須選擇一種符合要求的放大器。放大器的選擇好壞對(duì)提高測(cè)量精度也十分關(guān)鍵，根據(jù)查閱的相關(guān)資料，在放大器電路精選中，一般在首級(jí)放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三運(yùn)放結(jié)

23、構(gòu)，如下圖3-2所示，三運(yùn)放中由A1、A2構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱的同相、反相輸入放大器，后級(jí)為差動(dòng)放大器，在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，要保證放大器高的性能，參數(shù)的對(duì)稱性與一致性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件R5與R7、R8與R9、R10與R11，還包括A1與A2放大器的一致性</p><p><b>　　圖3-2放大電路</b></p><p><b>　　3.3 控制電路

24、</b></p><p>　　這里，我主要講述控制電路中的電壓比較器電路</p><p>　　圖3-3 電壓比較器電路</p><p>　　電壓比較器主要用于控制加熱設(shè)備或制冷設(shè)備的通斷，其控制原理如下：</p><p>　　在圖3-3中，上下電路基本對(duì)稱，上下各有電位器Rp1,Rp2，和繼電器k1，k2。調(diào)整Rp1可以控制溫度上

25、限值y1，調(diào)整Rp2可以控制溫度上限值y2。上下兩運(yùn)放分別控制繼電器k1，k2。若溫度超過上限值y1，上面的綠色發(fā)光二極管亮，k1繼電器吸合，控制制冷器開始制冷。當(dāng)溫度低于控制溫度下限值y2時(shí)，下面的紅色發(fā)光二極管亮，k2繼電器吸合，控制加熱器開始加熱。K1控制的加熱器加熱電熱杯。當(dāng)溫度在設(shè)置的上下限之間時(shí)，紅色和綠色的發(fā)光二級(jí)管都不亮，k1，k2全斷開，不加熱也不制冷。因此從以上不同狀態(tài)顯示就可以知道溫度情況及溫度控制情況。</

26、p><p>　　3.4 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器采用美國Harris公司的ICL7107（雙電源±5V供電），它包含3 1/2位數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器，可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED）。 內(nèi)部設(shè)有參考電壓、七段譯碼器、獨(dú)立模擬開關(guān)、邏輯控制、顯示驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)調(diào)零、參考源和時(shí)鐘系統(tǒng)等功能。將高性能、低功耗和低成本很好的結(jié)合在一起，它有低于10µV的自動(dòng)校零功能，

27、零漂小于1µV/℃，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個(gè)字。真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源廣泛用于各種單片測(cè)量單元。可用于組裝成各種數(shù)字儀表或數(shù)控系統(tǒng)中的監(jiān)控儀表，廣泛用于電壓、電流、溫度、壓力等各種物理的測(cè)量。封裝形式有DIP40、LQFP44或QFP44 等。</p><p>　　圖3-4 A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　C1為外接積分電容，R1為外接積分電阻，C2為自動(dòng)

28、調(diào)零電容，C4為基準(zhǔn)電容，C5、R6為內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器的外接電容、電阻。具體的元件參數(shù)已經(jīng)在途中給出，在這里就不再贅述。振蕩頻率 </p><p>　　f=0.45/R6C5</p><p>　　R6=100K、C5=100PF,則主振頻率為45kHz,采樣時(shí)間為每秒3次。</p><p>　　IN+為外加信號(hào)輸入端；IN-為輸入基準(zhǔn)信號(hào)零點(diǎn)，VREF+為基準(zhǔn)

29、信號(hào)端子。</p><p>　　當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)到0～2V時(shí)，外加信號(hào)的輸入也在0～2V，LED對(duì)應(yīng)顯示0～1999，相當(dāng)于1mV對(duì)應(yīng)1個(gè)字。當(dāng)輸入信號(hào)超過上限量程時(shí)，千位數(shù)碼管顯示1，而其余三位數(shù)碼管全無顯示；當(dāng)輸入信號(hào)超過下限量程時(shí)，千位數(shù)碼管顯示-1，而其余三位數(shù)碼管全不顯示.正電源通過R7限流電阻向共陽極數(shù)碼管供電，改變R7可改變數(shù)碼管的亮度。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器可以說是

30、整個(gè)設(shè)計(jì)電路的核心部分，而ICL7107則是A/D轉(zhuǎn)換電路的核心部分。了解ICL7107的使用方法及原理，對(duì)于整個(gè)電路設(shè)計(jì)直觀重要。</p><p><b>　　3.5 顯示電路</b></p><p>　　圖3.5 顯示電路</p><p>　　當(dāng)溫度測(cè)量完之后，要通過顯示電路將測(cè)量值顯示出來。顯示電路由ICL7107以及數(shù)碼管構(gòu)成。

31、其中，數(shù)碼管是LG5011BSR,采取共陽極接法，即陽</p><p>　　極接到電源正極，其余的各個(gè)管腳與ICL7107的管腳一一對(duì)應(yīng)連接。</p><p><b>　　3.6調(diào)試方法</b></p><p>　　鉑電阻有很長(zhǎng)的導(dǎo)線，可做延伸很長(zhǎng)測(cè)量，測(cè)量時(shí)只需將鉑電阻置于要測(cè)量的位置，即可從LED數(shù)碼管上讀出具體的溫度值。調(diào)試前先準(zhǔn)好0℃冰

32、水各100℃的沸水。調(diào)試方法如下：</p><p>　　將調(diào)沸點(diǎn)的電位器調(diào)最上端，使Vref為最高電壓，把鉑電阻置于0℃的冰水中，調(diào)節(jié)調(diào)沸冰點(diǎn)電位器，使四只LED數(shù)碼管顯示的讀數(shù)為“00.0”</p><p>　　將鉑電阻100℃的沸水中，調(diào)節(jié)調(diào)點(diǎn)電位器，使得四只LED數(shù)碼管顯示的讀數(shù)為“100.0”，</p><p><b>　　4 結(jié)論或總結(jié)</

33、b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)為綜合設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)要求及設(shè)計(jì)指標(biāo)都不是很難。通過本次課程設(shè)計(jì)，我通過自己查閱資料，獨(dú)立思考，復(fù)習(xí)了以前學(xué)過的模電知識(shí)，也用到了傳感器和測(cè)控電路的一些知識(shí)，將模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)相結(jié)合，在整體的電路圖設(shè)計(jì)上有了一定的經(jīng)驗(yàn)積累。在設(shè)計(jì)過程中，我了解認(rèn)識(shí)到了ICL7107，也對(duì)A/D轉(zhuǎn)換原理有了一定的了解與認(rèn)識(shí)。此外，對(duì)數(shù)碼管顯示電路知識(shí)又有了一次鞏固的過程。<