温度测量与控制电路课程设计.pdf

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1、一【课题名称】：温度测量与控制电路二【技术要求】：1.测量温度范围为 200C1650C，精度0.50C；2.被测量温度与控制温度均可数字显示；3.控制温度连续可调；4.温度超过设定值时，产生声光报警。三【摘要】：随着数字化时代的到来，用传统的水银或酒精温度计来测量温度,不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一,已经不能满足人们的要求。于是提出，测温电路利用铂热电阻桥式温度传感器监测外界温度的变化,通过三运放差分放大电路将温度传感器的阻值变化转换的电压信号的变化放大,然后利用 A/D 转换实现模拟信号到数字信号的转换，,根据模拟电路部分电路原理计算得出最后输出电压与温度值的关系,并通过数码管显

2、示当前值，使其与温度数值上相等，从而实现温度的测量；并利用单限比较器来实现对温度的控制，通过设定温度上下限可使整个系统工作于一个限定的温度范围内；再者还加载了报警装置，当被测温度超出设定温度范围时，声光报警装置工作，使它的功能更加完善，使用方便起来。本设计是采用了温度的测量、温度的显示、温度的控制和报警装置三部分来具体实现上述目的的。四【关键词】：温度传感A/D 转换数字比较声光报警温控执行五【正文】：一一系统概述和总体方案论证与选择系统概述和总体方案论证与选择在本系统的总体设计中，有以下两种思路：方案 A如图 1-1-1 所示，温度传感器模块将温度线性地转变为电压信号，经过放大电路，一路输入

3、给 A/D 转换电路，经过译码进行数字显示，另一路与滑变分压电路相连，由此设定控制温度上下限，经过电压比较器，输出高低电平指示信号，由此控制温度控制执行模块和声光报警部分。此电路最基本的特点就是电路结构简单，实现比较容易。温度传感器放大电路电压比较器声光报警滑变分压设定温度上下限A/D转换显示显示温控执行图 0.0 总体设计方案 A 框图方案 B如图1-1-2所示，温度传感模块和A/D转换模块，译码显示模块，温控执行和报警模块均与方案 A 相同，不同处在于控制温度设定方式和温度超限判断方式。方案 A 的超限判断模块和控制温度设定主要使用模拟信号，该方案易受外界干扰如使用环境温度等因素，另外由于

4、滑变设定温度不易精确调节，误差较大。方案 B 主要采用数字逻辑芯片数字比较器、锁存器等控制实现，其工作的稳定性、准确性和功能扩展性较强。温度传感器放大电路A/D转换显示数字比较器声光报警锁存器温度设定显示温控执行图 0.1总体设计方案 B 框图二二 单元电路设计单元电路设计（一）（一）温度传感模块温度传感模块温度的测量和实现原理图温度的测量和实现原理图温度传感器工作原理：温度测量电路如图1.0 所示，它由传感器电桥、三运放差分放大器和二阶低通滤波器组成。采用阻值pt100 铂金属热电阻为传感器，它的阻值跟温度的变化成正比，其关系为：当 PT100温度为0时它的阻值为100 欧姆，在 100时它

5、的阻值约为138.51 欧姆。它有较高的测量精度，并且在较大的温度范围内有很好的线性。通过测温电桥把电阻随温度的变化转换为电压的变化，再通过一个三运放差分放大电路将小信号电压值放大，最后经过一个二阶有源低通滤波器，得到电压值。首先调节滑动变阻器Rp1 使温度等于 0时输出电桥平衡，即输出为零；然后调节滑动变阻器Rp2 改变电压放大倍数，使温度等于 100时，输出电压为 1V，满足输出电压和温度成线性关系，这样数值关系有U0=T/100。由该电压值可以直接推知当前温度值，从而达到温度测量的目的。差动输入放大器低通滤波器分度表：分度表：-50 度 80.31 欧姆-40 度 84.27 欧姆-30

6、 度 88.22 欧姆-20 度 92.16 欧姆-10 度 96.09 欧姆0 度 100.00 欧姆10 度 103.90 欧姆20 度 107.79 欧姆30 度 111.67 欧姆40 度 115.54 欧姆50 度 119.40 欧姆60 度 123.24 欧姆70 度 127.08 欧姆80 度 130.90 欧姆90 度 134.71 欧姆100 度 138.51 欧姆110 度 142.29 欧姆120 度 146.07 欧姆130 度 149.83 欧姆140 度 153.58 欧姆150 度 157.33 欧姆160 度 161.05 欧姆170 度 164.77 欧姆18

7、0 度 168.48 欧姆190 度 172.17 欧姆200 度 175.86 欧姆1.1.温度测量的实现过程及参数计算温度测量的实现过程及参数计算实现方式：桥式测电阻，原理图如图1.1 所示VDD9V9VVDDVDDR1R110k10kXMM2XMM21313Rp1Rp15 5R3R3100100 500500 80%80%Key=AKey=A0 0R2R210k10k图 1.1铂电阻和温度变化的关系式：Rt=Ro(1+T)其中=0.00392,Ro 为 100(在 0的电阻值),T 为摄氏温度；在这里，我们采用传感器电桥实现温度测量工作原理：利用电桥将随温度变化的阻值转换为电压，电桥输出

8、电压为：Ux=U(R1.Rp1R2Rt)/(R1+Rt)(R2+Rp1)若取 R1=R2=R0,调节电位器，使其等于 00C 时的 Rt 值 Rt0，则，00C 时电桥输出 Ux=0V，当温度变化使热电阻的阻值增大Rt 时，电桥输出：Ux=R0Rt/（R0+Rt0+Rt）(R0+Rp1)U？（式 1）式中分母中含有Rt 项，故除测温电阻的非线性误差外，又增加了转换电路的非线性误差。故选择参数时应注意要满足RtR0+Rt0 这一条件。参数选择：由 Rt20=107.79，Rt90=134.71，Rt160=161.05，选 R1=R2=10kR1Rt,Rp1=Rt0,Rt=R0T输出电压 UxR

9、0Rt/（R0+Rt0）（R0+Rp1）U=8.8210-4Rt=3.4510-4T？（式 2）仿真结果：A=80，即Rp=100时，输出电压为零。2.2.差动放大器及方案选择差动放大器及方案选择根据输出电压信号的特点，前置级应该满足下述要求：（1）高输入阻抗。输出信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗（2）高共模抑制比CMRR。前置级须采用CMRR 高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。（3）低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。经过综合考虑，我们决定采用如图1.2 所示的仪表放大电路。由 3

10、个继承运放组成的差动放大电路，它具有高输入电阻，低输出电阻和高共模抑制比，常在仪器仪表的控制系统中，故称为仪表放大器或测量放大器。图 1.2 差动放大电路图在上图中，运放A1和 A2组成的第一级对称放大器，而且均引入了电压串联负反馈，所以他的输入电阻很高，输出电阻很低。假设各运放是理想的，运用虚短和虚断的概念，并利用叠加定理可得U01=（1+R2/R1）Ui1-(R2/R1)Ui2（式 3）U02=（R2/R1）Ui1+(1+R2/R1)Ui2（式 4）运放 A3组成第二级差动式放大器，将式3 和式 4 代入差动放大器的输入和输出，可以得到输入与输出电压的关系为U0=R4/R3（1+2R2/R

11、1）（Ui2-Ui1）（式 5）而电压其的电压放大倍数为Au=R4/R3(1+2R2/R1)当改变 R1时，即可以改变放大电压的放大倍数。当输入信号为共模信号时，即Ui2=Ui1=Uic时，由式5 可得出输出电压 U0=0.可见路能够放大差模信号和抑制信号。所以当输入中含有共模信号时，将会被抑制。参数选择：R2=5.1k，R1=30k，R3=1k，R4=20k则输出电压 U0=R4/R3(1+2R2/R1)Ux,调节 R1使温度 100时，输出电压 U0 值为 1V。最终保证输出和温度数值上的一个线性关系，通过电压值可以知道温度值，而达到测量温度的目的。3.3.二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤

12、波器图 1.3二阶有源低通滤波电路该电路为二阶有源低通滤波电路，本系统中主要用于去掉 50Hz 信号和其他随机噪声的干扰，在对测量信号进行 A/D 转换和显示之前对放大信号进行滤波，得到一较为稳定的输出信号。从滤波效果好和电路尽可能简单的角度考虑，如图1.3 所示，该滤波电路采用二阶有源低通滤波电路。传递函数:Au0UUi13 AjwRC jwRC0A02令w 1RCQ 13 A0品质因数：A则有u1ww22nA0 j1Qwwn由式 可知图 1.3 所示的二阶有源低通滤波器的幅频响应为AuAw w 1wnQwn022由式 可画出二阶有源低通滤波器在不同 Q 值下的频率响应如图所示。由图可见，当

13、Q=0.707 时，频率响应较为平坦，当Q0.707 是，将出现峰值，当Q=0.707 和 f/f0=1 的情况下，下降斜率较大。这表明二阶有源低通滤波比一阶有源低通滤波效果要好的多。此时截止频率为f0=7.96。（二）数字显示与温度范围控制模块（二）数字显示与温度范围控制模块1.1.A/D A/D转换器元件的选择：转换器元件的选择：该温度控制与测量电路测量温度范围在 20165，精度 0.50。经过计算，共可测得 1450 个温度值，因为 210=1024，212=4096，所以采用 12 位 A/D转换器。本设计采用 ADS805 的 12 位转换模式。ADS805 是德州仪器推出的采样频

14、率为 20MHz、精度为 12 位的模数转换芯片，具有 68dB 的高信噪比和 300mW 的低功耗功能。该芯片提供内部或外部基准电压、25Vpp 的灵活 I/P、超出范围指示信号引脚。ADS805 特性：1、高 SFDR：74 分贝 9.8MHz FIN2、高信噪比：68 分贝的3、低功耗：300MW4、低 DLE：0.25LSB5、灵活的输入范围6、超范围指标ADS805 引脚描述：引脚12345678901112131415161718命名OVRB1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B12CLKOE+VsGNDSEL功能超量程指示D11(MSB)D10D9D8D7D6D5D4D

15、3D2D1D0(LSB)转换时钟输入输出使能.H=高阻态，L=正常运行（内含下拉电阻）+5V 供电接地输入电压范围选择端19202122232425262728VrefREFBCMREFTINGNDINGND+VsVDRV参考电压选择端参考下限共模电压参考上限补偿电压输入接地模拟信号输入（+）接地+5V 供电输出驱动电压其与温度传感器部分的连接方法是：GND 端与传感器部分的模拟地端相连接，模数转换器的 IN 端连接传感器的输出电压。REFT，REFB 端为参考电压输入。由于温度值经过桥式电阻测量、差动放大电路的放大以及二阶滤波器，可以计算得最后出入A/D转换器的 Uin=1/100T。当输出

16、的二进制码为 1111 1111 1111，换算为十进制数是 5100，经过码制转换后，在数码显示管上即显示数字 510.0。代表 510.0。2.2.码制的转换码制的转换1212 位二进制数转位二进制数转 BCDBCD 码：码：利用数电现所学知识，运用所学过的芯片，12 位二进制转换成 BCD 码，可利用 3 片 74LS193 和 4 片 74LS160 使用同一个 CP 脉冲，利用减法器将 A/D 转换器所输出的二进制数据减计数，同时 74LS160 在 CP 脉冲上升沿到来时自动计数，直到二进制数据被减为 0，停止。这时12 位二进制数被扩展位 16 位，然后输入 7447 七段数码管

17、显示。3.3.译码显示译码显示百位、十位、个位、小数位共 4 组 16 位 BCD 码依次输入给 4 片 7447 即可把BCD 码转换成七段 ag 显示驱动信号，在LED 数码管上进行十进制显示。BCD码与显示发光段对应关系如下表：BCD 码0000000100100011显示数码0123发光段abcdefbcabdegabcdgBCD 码0101011001111000显示数码5678发光段acdfgcdefgabcabcdefg01004bcfg10019abcfg7447 七段显示译码器输出低电平有效，用以驱动共阳级数码管。下图给出了7447 七段显示译码器的功能表。LT，RBI，BI

18、/RBO 是 7447 七段显示译码器的辅助控制输入端，其作用是实现测试和灭零功能。当需要 0 到 15 的输出功能时，灭灯输入（BI）必须为开路或保持在高逻辑电平，若不要灭掉十进制零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或处于高逻辑电平。当低逻辑电平直接加到灭灯输入（BI）时，不管其它任何输入端的电平如何，所有段的输出端都关死。当动态灭灯输入（RBI）和 输入端 A、B、C、D 都处于低电平而试灯输入(LT)为高时，则所有段的输出端进入关闭且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响应条件）。当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或保持在高电平，且将低电平加到试灯输入(LT)时，所有段的输出端都得打开。*BI/RBO 是用作灭灯输入（BI）与/或动态灭灯输出（RBO）的线与逻辑。7447 七段译码器的引脚图如下：7447 七段译码显示器的应用举例：