溫度測(cè)量控制(模擬表頭顯示)

第一節(jié)引言1?1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求:目的掌握溫度傳感器的選擇和接口電路的設(shè)計(jì)，能夠針對(duì)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)處理電路，理解對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的一般要求(精度、測(cè)量范圍、響應(yīng)速度),了解閉環(huán)(反饋)控制原理與應(yīng)用?？己艘鬁y(cè)量：測(cè)量范圍：0~100°C；測(cè)量精度:±1C；響應(yīng)速度：＞1SPS；控制：加熱容量：100ml水；速度：10C/10min可以用電位器(數(shù)碼電位器更好)設(shè)定溫度值。提示需要選擇線性良好的傳感器，或者通過電路將其線性化;需要一支高精度的溫度計(jì)來調(diào)試和校準(zhǔn)電路允許采用攪拌結(jié)構(gòu)；注意傳感器與加熱元件的隔離；需要采用PID控制，至少需要采用P控制第二節(jié)：前期準(zhǔn)備中涉及到的相關(guān)技術(shù)資料簡(jiǎn)介2.1 溫度傳感器AD590說明：集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K,溫度0C時(shí)輸出為0,溫度25C時(shí)輸出2?982V。電流輸出型的靈敏度一般為ImA/K。AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：1、流過器件的電流(mA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)流過

器件(AD590)的電流：I=(273+T)pA(T為攝氏溫度),因此量測(cè)的電壓V為(273+T)pAx10K=(2?73+T/10O)V。2、 AD590的測(cè)溫范圍為-55匕~+150*€。3、 AD590的電源電壓范圍為4V~30V。電源電壓可在4V~6V范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化IK。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。4、 輸出電阻為710MW。5、 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55C~+150*C范圍內(nèi)，非線性誤差為±0?3C。Q用于測(cè)量攝氏溫度的電路Q用于測(cè)量攝氏溫度的電路AD590測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場(chǎng)合。由于AD590精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測(cè)溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。AD590的簡(jiǎn)易測(cè)溫電路:2.2運(yùn)放741使用說明:2管腳為反相輸入端3管腳為同相輸入端

4管腳為負(fù)電壓供電7管腳為正電壓供電6管腳為輸出端2.3 SG3525的使用說明SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。SG3525的工作原理SG3525的工作原理m締入匚1161Vref剛川儘入匚2二Vsl冋少抽匚3二］抵腐跆輸Hl匚413二］人、cr匚512二1迪KT匚<511二］A9TE放的玳匚7IU二］制枷用牧門型瑞匚9二］補(bǔ)愷SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。

SG3525的軟啟動(dòng)接入端（引腳8）上通常接一個(gè)5的軟啟動(dòng)電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。外接關(guān)斷信號(hào)對(duì)輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號(hào)耦合而影響SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。此外，SG3525還具有以下功能，即無論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來，PWM瑣存器才被復(fù)位。2.5 SG3524的使用說明PINCONFIGURATIONWVERTINPUTNON-INVINPUTOSCOUTPUT(+)CLSENSEHCLSENSECTGROUNDD,F,NPackagesVreFVinEMITTERPINCONFIGURATIONWVERTINPUTNON-INVINPUTOSCOUTPUT(+)CLSENSEHCLSENSECTGROUNDD,F,NPackagesVreFVinEMITTERBCOLLECTORBCOLLECTORAEMITTERASHUTDOWNCOMPENSATIONTOPVIEWSL00174BLOCKDIAGRAMN91SS3514-91UREFCAEACBEB?SENSE-SENSESHUTDOUNFigure1.PinConfiguration2.6LED發(fā)光二極管、功率放大管使用說明1、 LED發(fā)光二極管：長(zhǎng)管腳為正極，短管腳為負(fù)極，由于允許電流較小，使用時(shí)要接適當(dāng)阻值的保護(hù)電阻，2、 功率放大管：功率放大器，簡(jiǎn)稱“功放”。很多情況下主機(jī)的額定輸出功率不能勝任帶動(dòng)整個(gè)音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時(shí)就要在主機(jī)和播放設(shè)備之間加裝功率放大器

來補(bǔ)充所需的功率缺口，而功率放大器在整個(gè)音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。第三節(jié)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3?1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖3.2 單元電路設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)計(jì)算①測(cè)溫部分電路:■wl■wl0功能:通過溫度傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，再將溫度傳感器AD590輸出電流轉(zhuǎn)化成攝氏度電壓量輸出。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算:

圖中AD590輸出的是熱力學(xué)溫度的電流，I=(273+T)*1uA,R4和電位器R5串聯(lián)，使R4,R5串聯(lián)后阻值為10K,則A點(diǎn)電壓VA=I*(R4+R5)=(273+T)*0.000001*10000=(273+T)/100=2.73+T/100U1(741)為跟隨器是同相放大器的一個(gè)特殊形，其增益為1,即輸出電壓等于輸入電壓：VQ=VA跟隨器通常接在信號(hào)源和負(fù)載之間，因?yàn)槠漭斎胱杩狗浅８?，不從信?hào)源索取電流，對(duì)信號(hào)源無負(fù)載效應(yīng)，而輸出阻抗近似為零，輸出電壓可以無損的加載到負(fù)載上，通過輸入和輸出的阻抗變換，很好的發(fā)揮了隔離緩沖作用。此處的跟隨器的作用為防止分流對(duì)電壓的比較,R1和R2在電路中起平衡和限流保護(hù)作用圖中R6和R7構(gòu)成了一個(gè)分壓電路，U2(741)，R8,R9,R10,R3構(gòu)成一個(gè)差動(dòng)輸入減法運(yùn)算電路：VO1=(1+R3/R8)*R10/(R9+R1O)*VA-R3/R8*VP=10(2.73+T/100-VP)因?yàn)閂A為熱力學(xué)溫度所對(duì)應(yīng)的電壓值，所以調(diào)節(jié)R7使P點(diǎn)電壓值為2.73V，則可得到實(shí)際的攝氏度溫度，此時(shí)VO1=T/10之所以選擇R4和電位器R5的組合形式，是為了提高系統(tǒng)的精度②反相求和部分電路:vo2vo2功能：實(shí)現(xiàn)一個(gè)放大測(cè)量電壓和標(biāo)準(zhǔn)值電壓差值的PID調(diào)節(jié)中的PI調(diào)節(jié)電路,可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差PID控制器參數(shù)的整定步驟如下:首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 比例積分微分調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)稱。利用比例微分環(huán)節(jié)的領(lǐng)前作用來對(duì)消調(diào)節(jié)對(duì)象中的大慣性，提高精度，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在此電路中的PI參數(shù)是引用的經(jīng)驗(yàn)值當(dāng)去掉R3,保留C1時(shí)，電路為單純的積分放大電路，當(dāng)去掉C1,保留R3時(shí),電路為單純的比例放大電路相關(guān)參數(shù)計(jì)算：從測(cè)溫電路可知，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，相應(yīng)的電壓值為6V,調(diào)節(jié)R2使反相輸入端輸入電壓為-6V此處采用電位器的目的是為了保證在電路中反相輸入端的輸入電壓始終穩(wěn)定為-6V,確保其精度R4在此電路中的作用是使電路輸入輸出阻抗能夠匹配:R4=R1/ZR2//(R3〃1/CS)v5K＞故選擇4K的電阻③PWM電路:104因?yàn)镾G3524的振蕩頻率為10000Hz，所以1/T=CR，取C=0.01uF則R=10KSG3524的7管腳輸出三角波,14管腳為輸出，其有效輸入電壓為0.8至3.8V,當(dāng)電壓從0V增長(zhǎng)占空比從0%增至50%三極管TIP122的作用相當(dāng)于開關(guān)，當(dāng)SG3524的14管腳輸出的波形為高電平三極管導(dǎo)通，產(chǎn)生電流，使加熱棒開始工作加熱，當(dāng)三極管接收的波形為低電平時(shí)，三極管截止，無電流產(chǎn)生，加熱棒停止加熱圖中兩個(gè)電容的作用是保護(hù)三極管④報(bào)警電路：

<1Ukflv0tfLM339ADIP^LEDI2丄<1Ukflv0tfLM339ADIP^LEDI2丄LM339為比較電路，調(diào)節(jié)R3使反相輸入端輸入電壓為6V；當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。發(fā)光二極管的可通過最高電流為10mA。R2的作用為上拉電阻其作用就是將不確定的信號(hào)通過一個(gè)電阻嵌位在高電平，同時(shí)起限流作用，保護(hù)電路。上拉是對(duì)器件注入電流，下拉是輸出電流；弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴(yán)格區(qū)分；對(duì)于非集電極（或漏極）開路輸出型電路（如普通門電路）提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。R1取值為經(jīng)驗(yàn)值3.3 整體電路接線圖:C1-II-100nF10RIHOOkQ—V'-A——C1-II-100nF10RIHOOkQ—V'-A——VEE-12V第四節(jié)系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試4.1 系統(tǒng)的逐步調(diào)試和改善對(duì)測(cè)溫部分電路修改及調(diào)試因網(wǎng)上電路供電過于復(fù)雜，我們將測(cè)溫電路改為如下電路:VCC12Vvcc昭>2-10丄一一R210kQA2°vcc昭>2-10丄一一R210kQA2°2?因?qū)嶒?yàn)原件限制，以及方便元件統(tǒng)一，我們將20K的電位器換成了10K的電位器，電路如下：VCC12VVCCR615kQF1AD590J10kQSVCC12VI—VCCVCC12VR10100k0R3100kQ—VA VEE-12VR9VCC12VVCCR615kQF1AD590J10kQSVCC12VI—VCCVCC12VR10100k0R3100kQ—VA VEE-12VR9LW'L1OkQA-'OlR45kQR510kO5U1QR1亠10kQVEE_VEE—-12V \AA R21OkQ各相關(guān)參數(shù)已在前面寫出，此處不再重復(fù)系統(tǒng)測(cè)試步驟：在面包板上搭好電路檢査無誤后打開電源，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分塊測(cè)試;斷開AD590和U2在A點(diǎn)直接接入+4V，觀察跟隨器特性：理想電路U1的3管腳輸入電壓為+4V，6管腳輸出電壓為+4V實(shí)際測(cè)得的電路值與理想電路相同調(diào)節(jié)R7使P點(diǎn)電壓為2.73V斷開AD590和U1在Q點(diǎn)直接接入+4V，觀察差動(dòng)減法電路特性:理想電路VO1=(4-2.73)*10=12.7V實(shí)際電路值為11.98分析原因：因?yàn)?41為正負(fù)12V供電，其輸出值達(dá)不到12V以上的值，當(dāng)輸出值＞12￡電路飽和在Q點(diǎn)接入+3V電源：理想電路VO1=(3-2.73)*10=2.7V實(shí)際電路值為2.67V5?連接AD590對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)當(dāng)在室溫的時(shí)候，測(cè)得A點(diǎn)電壓為2?89?，U13管腳輸入電壓為2.89V，6管腳輸出電壓為2.89VU2的4管腳輸入電壓為2.89V，6管腳輸出電壓為1.6V對(duì)反相求和電路部分進(jìn)行修改及調(diào)試：因PWM電路輸入有效電壓為0—3V，故反相求和電路的輸出電壓也要控制在0—3V之內(nèi)，R2和R6構(gòu)成分壓電路，R2和R6為假設(shè)值，目的在于使B點(diǎn)電壓值為-3V,VO2=3-VO1/2檢査線路無誤后打開電源，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；斷開測(cè)溫電路，和PWM電路，在VO1處輸入+4V理論值VB=-3VVO1=4VVO2=3-4/2=1V實(shí)際值VB=-2.87V，VO1=3?99VVO2=0?88V分析原因：因電阻阻值并不是每一個(gè)都是理想對(duì)應(yīng)的，所以分壓電路中B點(diǎn)的電壓會(huì)不準(zhǔn)確解決方法：為了提高精度，我們將R2和R6所構(gòu)成的串聯(lián)電阻換為了10K的電位器，電路圖如下：丄m2丄m23??連接測(cè)溫電路，斷開AD590,在A點(diǎn)輸入+3V電源，測(cè)量VO2的值理論值VB=-3V，VO1=2.7V，VO2=1.65V實(shí)際值VB=-3V，VO1=2?68V,VO2=1.66V與理論值相符

因希望PWM電路能反應(yīng)的更為迅速，使得測(cè)量電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓相差的信號(hào)放得更大，并且使電路精度更好，所以希望使反相求和電路構(gòu)成一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，因此將電路最終改為了如下的電路：vo2vo2相關(guān)參數(shù)的計(jì)算與各元件功能已在前面給出，此處不再做重復(fù)對(duì)PWM電路部分進(jìn)行修改及調(diào)試：由于所有人SG3525的缺乏經(jīng)驗(yàn)，在老師的建議下，最終我們棄用了SG3525,改用了SG3524芯片，其電路圖如下：SG3524的7管腳輸出三角波，14管腳為輸出，其有效輸入電壓為0.8至3.8V，當(dāng)電壓從0V增長(zhǎng)占空比從0%增至50%報(bào)警電路:

VCC12VVCCU1A廿LM339ADVCC12VVCCU1A廿LM339AD乂去LED12調(diào)節(jié)電位器R3使C點(diǎn)電壓值為6V,在VO1加一可變電壓，測(cè)試報(bào)警電路功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。發(fā)光二極管不發(fā)光,當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。發(fā)光二極管發(fā)光對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試：最終的PWM電路如下圖所示:第五節(jié)結(jié)論5.1 改進(jìn)設(shè)想.1、 由于AD590不易放入水中，只能測(cè)容器外壁，所以可改用別的溫度傳感器,例如ptlOO、18B204D7416等，可以提高系統(tǒng)精度和靈敏度。2、 在電路的測(cè)試中，VO1輸出的電壓值與理論上所應(yīng)得到的值相差很多，誤差很大，這個(gè)問題還有待于解決與繼續(xù)深入研究。3、可以使對(duì)系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行改善，采用單片機(jī)，軟硬件結(jié)合來控制溫度,提高系統(tǒng)的靈敏度。5.2收獲體會(huì)通過這兩周的實(shí)驗(yàn)，我學(xué)習(xí)和接觸到了很多以前沒有涉及過的知識(shí)與訓(xùn)練,使我開拓了眼界也鍛煉了自己親自動(dòng)手的能力，這基本上可以算是自從我進(jìn)入大學(xué)校園以來，第一次自己親自的嘗試去設(shè)計(jì)一個(gè)電路來實(shí)現(xiàn)自己需要的功能,這完全是我自己連想都不敢去設(shè)