简易数字温度控制器设计制作论文

1 数字显示温度控制器设计制作论文 作者：汪志兴 红 发 李得明 【摘要】：在工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。其中，温度控制也越来越重要。在工业生产的很多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制。 本次设计一个数字显示温度的测量与控制装置.应用温度敏感元件和二次仪表的组合,对温度进行调节、控制,且能直接读数.经实验验证此控制器的性能指标达到要求,为温度测量与控制的工业应用奠定了一定的基础。 【关键词】： 温度传感器 数字电压表 温度控制 执行机构

一、数字温度控制器设计方案 根据设计要求，该温度控制器是既可以测量温度也可以控制温度的上下限，并且上下限可以调节，其组成框图如图1所示。 2

图1 温度控制器原理框图 因为要求对温度进行测量显示，所以首先采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过效验、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。若要求温度被控制在设定值附近，则要求将实际测量温度的信号与温度的设定值(基准电压)进行比较，根据比较结果（输出状态）来驱动执行机构，实现自动地控制、调节系统的温度。测量的温度可以与另两个设定的温度上下限比较器相比较，当温度低于下限温度值时，比较器通过驱动执行机构来实现加热。当温度超过上限温度值时，比较器产生报警信号输出并通过执行机构执行停止加热。 二、温度控制器电路的设计 2.1温度传感器的选择

温度传感器 采样保持电路 A/D变换及显示效准电路

下限控制电路 上限控制电路 温度控制比较器 上限报警（声、光）关断 下限报警（光）驱动 被 控 对 象 执行机构电路

直流稳压电源 3

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。

123

1 正电源 2 负电源 3 外壳

+

_A

+12V

-12VMC1403+12V

-12VAD590+-

refVR18.2kRp1

2k0itifiR29.1kRp22kR35.1kOP071uFUo

(a) AD590外形图 (b) 温度测量电路 图2 AD590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：

11110V5.2RRRRViPPref 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： 15.273)15.273(1TTit 流过反馈支路的电流： 1105.215.273RRTiiiPtf

可见若要使Tif，只要调节电位器RP1即可。此时放大器的输出电压为： TRRIRRUPfP)()(22220 4

若要求U0的灵敏度等于10mV/℃，可选R2=9.1kΩ，RP2=2 kΩ。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3 LM35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）。 5

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 2.2.1 LM324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 (3～30 V)，也可接双电源使用(±1.5～±15 V)，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4 LM324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 6

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。 7

根据电工学知识：Vcc=5V （1）上限采集电路 R`=R2+R3+R4 =20k+5K+500=25500 ARVccI000196.0255005` U1`=I·R4=0.000196×500 =98mV U2`=I·(R4+ R3)=0.000196×(5000+500)=1078mV 所以有U2：U1`=< U2 = 2`

（2）下限采集电路 R`=R5+R6 =20k+5K=25000 ARVccI0002.0250005` U3`=I·0=0V U4`=I·R6=0.0002×5000=1000mV 所以有U3：U3`=< U3 = 4`

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 8

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7 LM393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 9

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