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設(shè)計(jì)一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)1kW加熱負(fù)載的水溫控制器，具體要求如下 （1）能夠測(cè)量溫度，溫度用數(shù)字顯示。 （2）測(cè)量溫度范圍0～100℃，測(cè)量精度為0.5℃。 （3）能夠設(shè)置水溫控制溫度，設(shè)定范圍40～90℃，且連續(xù)可調(diào)。 （4）水溫控制精度≤ 2℃。 （5）當(dāng)超過(guò)設(shè)定的溫度20℃時(shí)，產(chǎn)生聲、光報(bào)警。 二、設(shè)計(jì)方案分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該溫度控制器既可以測(cè)量溫度也可以控制溫度，其組成框圖如圖1所示。
圖1 溫度控制器原理框圖 因?yàn)橐髮?duì)溫度進(jìn)行測(cè)量顯示，所以首先采用溫度傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，并通過(guò)放大、濾波后送A／D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行譯碼顯示。若要求溫度被控制在設(shè)定值附近，則要求將實(shí)際測(cè)量溫度的信號(hào)與溫度的設(shè)定值（基準(zhǔn)電壓）進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果（輸出狀態(tài)）來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度。測(cè)量的溫度可以與另一個(gè)設(shè)定的溫度上限比較器相比較，當(dāng)溫度超過(guò)上限溫度值時(shí)，比較器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)輸出。 1．溫度檢測(cè)及信號(hào)處理 溫度檢測(cè)是溫控系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，它直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量、控制精度。目前檢測(cè)溫度的傳感器很多，其測(cè)量范圍、應(yīng)用場(chǎng)合等也不盡相同。例如熱電偶溫度傳感器目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中已得到了廣泛的應(yīng)用，它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電動(dòng)勢(shì)。目前熱電偶溫度傳感器已形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，主要優(yōu)點(diǎn)是：它屬于自發(fā)電型傳感器，測(cè)量溫度時(shí)可以不需要外加電源。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，熱電偶的電極不受大小和形狀的限制。測(cè)量溫度范圍廣，高溫?zé)犭娕紲y(cè)溫高達(dá)1800℃以上，低溫?zé)犭娕伎蓽y(cè)-260℃以下，目前主要用在高溫測(cè)量工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中。熱電阻溫度傳感器是利用電阻值隨溫度升高而增大這一特性來(lái)測(cè)量溫度的，目前應(yīng)用較為廣泛的熱材料是銅和鉑。在銅電阻和鉑電阻中，鉑電阻的性能最好，非常適合測(cè)量-200～+960℃范圍內(nèi)的溫度。國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用鉑電阻常用的分度號(hào)有Pt25、Pt100等，Ptl00即表示該電阻的阻值在0℃時(shí)為100Ω。隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，各種類型的集成溫度傳感器應(yīng)用越來(lái)越多。集成溫度傳感器的工作原理是利用PN結(jié)的溫度特性制成的，同熱電偶、熱電阻等傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，集成溫度傳感器主要特點(diǎn)有靈敏度高；線性度好，一般不需要線性補(bǔ)償；測(cè)量重復(fù)性好；響應(yīng)速度快。但不足之處是測(cè)量溫度較窄，通常為-55～+150℃。根據(jù)本課題設(shè)計(jì)的要求，可選用集成溫度傳感器。 由于溫度傳感器的直接輸出信號(hào)一般都非常微弱，為了更好地測(cè)量和顯示，需要放大器、濾波器等電路對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理。對(duì)放大器的要求是精度要高，輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流要小，同時(shí)要求抑制共模干擾信號(hào)的能力要強(qiáng)。 2．A／D變換及顯示 A／D轉(zhuǎn)換器的主要功能是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的方法很多，常用的有雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器和并行比較式A／D轉(zhuǎn)換器等。雙積分A／D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高、抑制干擾信號(hào)的能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，可廣泛用于數(shù)字儀表和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。另外，這類轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)常以BCD碼或二進(jìn)制碼格式輸出，所以數(shù)字顯示方便。常用的雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器集成器件有ICL7106／7107／7109／7135、MC14433等。逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器是一種轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換精度較高的轉(zhuǎn)換器。一次轉(zhuǎn)換時(shí)間在數(shù)微秒到百微秒范圍內(nèi)，廣泛應(yīng)用于中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域中。與雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器相比，逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力較差。目前常用的逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器集成電路有ADCO808/0809、AD574A、AD1674、ADC1210／1211等。并行比較式A／D轉(zhuǎn)換器是一種轉(zhuǎn)換速度最快的轉(zhuǎn)換器，它最適合應(yīng)用在數(shù)字通信技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)中。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，價(jià)格高。目前出現(xiàn)了一種串、并行A／D轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行折中，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，但速度有所下降。 由于本設(shè)計(jì)用于檢測(cè)顯示溫度信號(hào)，而溫度信號(hào)變化比較緩慢，所以選擇雙積分式集成A／D轉(zhuǎn)換器比較合適。 3．溫度控制及驅(qū)動(dòng)電路 本設(shè)計(jì)要求溫度可以設(shè)定，并要求溫度被控制在設(shè)定的值附近，所以該系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制的方法很多，有采用模擬電路實(shí)現(xiàn)的，也有采用計(jì)算機(jī)構(gòu)成智能控制實(shí)現(xiàn)的。模擬控制溫度的方法主要有開關(guān)式控制法、比例式控制法和連續(xù)式控制法。開關(guān)式控制是將檢測(cè)的溫度信號(hào)和設(shè)定的溫度值通過(guò)比較器比較后，驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件（一般是繼電器）控制加熱器的通斷。如當(dāng)測(cè)量的溫度低于設(shè)定的溫度值時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路使繼電器接通加熱器的電源，使溫度上升；當(dāng)溫度高于設(shè)定的溫度時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路使繼電器斷開加熱器的電源，停止對(duì)加熱器的加熱，溫度將下降。這樣通過(guò)繼電器的反復(fù)動(dòng)作，溫度將被控制在設(shè)定值附近。 開關(guān)式溫度控制方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是控制精度較低，并且在設(shè)定溫度附近，頻繁啟動(dòng)繼電器，會(huì)影響繼電器的使用壽命。比例式控制是選擇一個(gè)固定的時(shí)間T作為控制周期，選擇控制周期的長(zhǎng)短一般根據(jù)加熱的熱容量選取，熱容量大的可選擇控制周期長(zhǎng)些，一般選擇T＝10～15s。當(dāng)溫度低于設(shè)定的溫度較多時(shí)，在一個(gè)控制周期T內(nèi)接通加熱器電源的時(shí)間就比較長(zhǎng)（假設(shè)為t），隨著溫度的升高，加熱時(shí)間t逐漸減少；當(dāng)溫度高于設(shè)定的溫度時(shí)，加熱時(shí)間t等于零，溫度逐漸下降，最后使溫度接近穩(wěn)定。用該方法控制溫度精度將大大提高。連續(xù)控制是根據(jù)測(cè)量溫度的大小自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)加熱器電流的大小，當(dāng)溫度大于設(shè)定的溫度時(shí)，可自動(dòng)減小加熱器的電流，反之則增大電流，可使溫度自動(dòng)保持在設(shè)定的溫度上，該方法控制穩(wěn)定的精度最高，電路也比較復(fù)雜，同時(shí)要求一個(gè)可控的功率器件實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器電流大小的控制。 本設(shè)計(jì)要求溫度的控制精度不高，可采用控制線路較簡(jiǎn)單的開關(guān)式控制方法。 三、主要單元電路參考設(shè)計(jì) 1．溫度測(cè)量及顯示電路 溫度傳感器選擇集成溫度傳感器AD590。AD590的外形采用TO-52金屬圓殼封裝結(jié)構(gòu)，其管腳排列如圖2（a）所示。它是一種二端元件，屬于一種高阻電流源，其典型的電流溫度靈敏度是1μA／K，溫度為0℃時(shí)，AD590輸出的恒流值為273.15μA，當(dāng)溫度升高或降低1℃時(shí)，AD590的輸出電流就增大或減小1μA。AD590測(cè)量溫度范圍是-55~+150℃；在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)的非線性誤差小于±0.3℃；工作電壓范圍是4～30V。由AD590組成的測(cè)溫電路如圖2（b）所示。 圖2 AD590組成的溫度測(cè)量電路 在圖2（b）電路中，由基準(zhǔn)源MC1403提供的電流 為： 調(diào)節(jié)Rp1即可改變io的大小。 AD590輸出電流的溫度靈敏度為1μA／K，絕對(duì)溫度與攝氏溫度的關(guān)系為K＝T℃＋273.15。設(shè)要測(cè)量的溫度為T（攝氏溫度），則流過(guò)AD590的電流it為： 流過(guò)反饋支路的電流： 可見(jiàn)若要使if＝T，只要調(diào)節(jié)電位器Rp1即可。此時(shí)放大器的輸出電壓為 若要求Uo的靈敏度等于10mV／℃，可選R2＝9.1kΩ，Rp2＝2kΩ。電位器Rp1起調(diào)零作用，Rp2用來(lái)調(diào)節(jié)滿量程輸出。集成運(yùn)算放大器要選取高精度型器件，這里選用OP07。 測(cè)量顯示電路選用雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器ICL7107完成。ICL7107具有功耗低、精度高、功能完整、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是一種集三位半A／D轉(zhuǎn)換器、段驅(qū)動(dòng)器、位驅(qū)動(dòng)器于一體的大規(guī)模專用集成電路，其主要特點(diǎn)為 （1）能夠直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED數(shù)碼管，不需另加驅(qū)動(dòng)電路和限流電阻。 （2）采用±5V雙電源供電。 （3）功耗小于15mW，最大靜態(tài)電流為1.8mA。 （4）段驅(qū)動(dòng)電流的典型值為8mA，最小值為5mA。 （5）顯示器可采用七段共陽(yáng)數(shù)碼管。 由ICL7107組成的三位半數(shù)字電壓表電路如圖3所示，該電路即可作為溫度顯示電路。Vcc、Vss分別為電源的正、負(fù)端。COM為模擬信號(hào)的公共端，簡(jiǎn)稱“模擬地”，使用時(shí)通常將該端與輸入信號(hào)的負(fù)端、基準(zhǔn)電壓的負(fù)端短接。TEST為測(cè)試端，此端有兩個(gè)功能，一是作“測(cè)試指示”，將它與V+短接后，LED顯示器顯示全部筆畫1888，據(jù)據(jù)此可確定顯示器有無(wú)筆段殘缺現(xiàn)象。第二個(gè)功能是作為數(shù)字地供外部驅(qū)動(dòng)器使用，構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)、標(biāo)志符顯示電路。al～g1、a2～g2、a3～g3分別為個(gè)位、十位、百位筆畫驅(qū)動(dòng)端，依次接LED顯示器的個(gè)、十、百位的相應(yīng)筆段。bc4為千位（即最高位，也稱1／2位）筆段驅(qū)動(dòng)端，接千位LED的b、c段。POL是負(fù)極性指示驅(qū)動(dòng)端，接千位LED的g段。GND為數(shù)字地，與37腳（TEST）經(jīng)過(guò)內(nèi)部500Ω電阻接通。OSC1～OSC3為時(shí)鐘振蕩器引出端，外接阻容元件可構(gòu)成兩級(jí)反相式阻容振蕩器。VREF+是基準(zhǔn)電壓的正端，簡(jiǎn)稱“基準(zhǔn)+”，通常從內(nèi)部基準(zhǔn)電壓獲取所需的基準(zhǔn)電壓，也可采用外部基準(zhǔn)電壓，以提高基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。VREF-是基準(zhǔn)電壓的負(fù)端，簡(jiǎn)稱“基準(zhǔn)-”。CREF+、CREF-是外接基準(zhǔn)電容端。IN+、IN-為模擬電壓的正、負(fù)輸入端。CZA是外接自動(dòng)調(diào)零電容端。INT是積分器輸出端，接積分電容CINT。BUF是緩沖放大器輸出端，接積分電阻RINT。 ICL7107顯示的滿量程電壓與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系為：VM＝2VREF。若將VRET選擇1V，則可組成滿量程為2V的電壓表。只要把小數(shù)點(diǎn)定在十位，即可直接讀出測(cè)量結(jié)果。由于ICL7017沒(méi)有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使用時(shí)可將共陽(yáng)極數(shù)碼管的公共陽(yáng)極接接+5V，小數(shù)點(diǎn)接GND時(shí)點(diǎn)亮，接5V或懸空時(shí)熄滅。 在圖3中，R1、C1分別為振蕩電阻和振蕩電容。R2與R3構(gòu)成基準(zhǔn)電壓分壓器，調(diào)整R2的值可以改變基準(zhǔn)電壓，使VREF＝1V，R2宜采用精密多圈電位器。R4、C3為模擬信號(hào)輸入端高頻濾波電路，可提高儀表的抗干擾能力。C2、C4分別為基準(zhǔn)電容和自動(dòng)調(diào)零電容。R5、C5為積分電阻和積分電容。 圖3 ICL7107組成的溫度顯示電路
2．溫度控制及超溫報(bào)警電路 溫度控制電路如圖4所示�？刂品椒ú捎瞄_關(guān)方式。測(cè)量的溫度信號(hào)被輸入滯遲比較器，設(shè)定溫度由電位器Rp1給出。根據(jù)溫度靈敏度10mV／℃及設(shè)定溫度在40～90℃的要求，當(dāng)電位器Rp往下端調(diào)節(jié)時(shí)，使設(shè)定電壓應(yīng)等于0.4V；當(dāng)電位器Rp往上端調(diào)節(jié)時(shí)，使設(shè)定電壓應(yīng)等于0.9V。為了能夠指示出設(shè)定溫度的大小，最簡(jiǎn)單的方法是在電位器調(diào)節(jié)旋鈕上均勻地刻上溫度值。超溫報(bào)警溫度信號(hào)取自放大器A2的輸出，放大器輸出信號(hào)的大小等于設(shè)定溫度信號(hào)電壓加上0.2V，當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度信號(hào)時(shí)，超溫報(bào)警信號(hào)將自動(dòng)跟蹤變化。 圖4 溫度控制及超溫報(bào)警電路 由A1組成的滯遲電壓比較器的上、下門限電壓VT＋、VT-為： 其回差電壓 ,根據(jù)控制要求，溫度控制精度要求小于2℃，可以使△V＝20（mV）。假設(shè)穩(wěn)壓管電壓VZ＝3V，則選擇R1＝5.1kΩ，R2＝1MΩ即可滿足要求。 超溫報(bào)警電路選擇A3組成的單限比較器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)溫度小于超限溫度時(shí)，比較器輸出為零，當(dāng)溫度大于超限溫度時(shí)，比較器輸出電壓為高電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，同時(shí)發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。 加熱驅(qū)動(dòng)電路選用繼電器控制，繼電器的常開觸點(diǎn)接入加熱器主回路中，當(dāng)被測(cè)溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，滯遲比較器輸出低電平，三極管T截止，繼電器不得電，繼電器的常開觸點(diǎn)斷開加熱器電源，停止加熱；反之當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，滯遲比較器輸出高電平，三極管飽和，繼電器得電，繼電器的常開觸點(diǎn)接通加熱器電源，進(jìn)行加熱。本設(shè)計(jì)選用電磁式額定電壓12V、觸點(diǎn)負(fù)荷容量交流220V／5A的直流繼電器。 四、溫度控制器的調(diào)試 （1）在進(jìn)行安裝電路前，仔細(xì)查閱所用集成電路、電子元器件的參數(shù)及管腳排列圖，并畫出單元電路、系統(tǒng)電路的安裝電路圖。 （2）溫度檢測(cè)電路調(diào)試。首先準(zhǔn)備溫度等于0℃的冰水和溫度等于100℃的沸水各1000mL。將溫度傳感器AD590放入0℃的冰水中（注意AD590的引腳不要短路），調(diào)節(jié)電位器RP1，使測(cè)溫電路輸出電壓為0V；然后將AD590放入100℃的沸水中，調(diào)節(jié)電位器RP2，使測(cè)溫電路的輸出電壓為1V；反復(fù)調(diào)試幾次。 （3）溫度顯示電路調(diào)試。將2V的直流電壓輸入圖3電路中，調(diào)節(jié)圖中電位器RP，使數(shù)碼管顯示199.9。 （4）溫度控制比較器及超溫報(bào)警比較器調(diào)試。在電路圖4中，調(diào)節(jié)RP1將溫度設(shè)定在一定值上（例如VREF＝0.5V），調(diào)節(jié)RP2使A2放大器的輸出高于設(shè)定溫度值0.2V。用可變電壓模擬輸入溫度信號(hào)，調(diào)節(jié)溫度信號(hào)從0V起逐漸增大，測(cè)量溫度控制比較器輸出從高電平到低電平對(duì)應(yīng)的輸入電壓大��；然后再減小溫度信號(hào)的大小，再次測(cè)量溫度控制比較器輸出從低電平到高電平對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。最后繼續(xù)增加溫度信號(hào)的大小，觀察報(bào)警電壓比較器的輸出變化及報(bào)警電路的工作情況。 （5）電路系統(tǒng)調(diào)試。將全部單元電路連接起來(lái)，將溫度設(shè)定在一定值上（例如60℃），觀察溫度顯示情況是否滿足設(shè)計(jì)要求。
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