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設計一個可以驅動1kW加熱負載的水溫控制器，具體要求如下 （1）能夠測量溫度，溫度用數字顯示。 （2）測量溫度范圍0～100℃，測量精度為0.5℃。 （3）能夠設置水溫控制溫度，設定范圍40～90℃，且連續可調。 （4）水溫控制精度≤ 2℃。 （5）當超過設定的溫度20℃時，產生聲、光報警。 二、設計方案分析 根據設計要求，該溫度控制器既可以測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 因為要求對溫度進行測量顯示，所以首先采用溫度傳感器，將溫度變化轉換成相應的電信號，并通過放大、濾波后送A／D轉換器變成數字信號，然后進行譯碼顯示。若要求溫度被控制在設定值附近，則要求將實際測量溫度的信號與溫度的設定值（基準電壓）進行比較，根據比較結果（輸出狀態）來驅動執行機構，實現自動地控制、調節系統的溫度。測量的溫度可以與另一個設定的溫度上限比較器相比較，當溫度超過上限溫度值時，比較器產生報警信號輸出。 1．溫度檢測及信號處理 溫度檢測是溫控系統最關鍵的部分，它直接影響整個系統的測量、控制精度。目前檢測溫度的傳感器很多，其測量范圍、應用場合等也不盡相同。例如熱電偶溫度傳感器目前在工業生產和科學研究中已得到了廣泛的應用，它能將溫度信號轉化成電動勢。目前熱電偶溫度傳感器已形成系列化和標準化，主要優點是：它屬于自發電型傳感器，測量溫度時可以不需要外加電源。結構簡單，使用方便，熱電偶的電極不受大小和形狀的限制。測量溫度范圍廣，高溫熱電偶測溫高達1800℃以上，低溫熱電偶可測-260℃以下，目前主要用在高溫測量工業生產現場中。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測量溫度的，目前應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，非常適合測量-200～+960℃范圍內的溫度。國內統一設計的工業用鉑電阻常用的分度號有Pt25、Pt100等，Ptl00即表示該電阻的阻值在0℃時為100Ω。隨著半導體集成電路技術的迅速發展，各種類型的集成溫度傳感器應用越來越多。集成溫度傳感器的工作原理是利用PN結的溫度特性制成的，同熱電偶、熱電阻等傳統的溫度傳感器相比，集成溫度傳感器主要特點有靈敏度高；線性度好，一般不需要線性補償；測量重復性好；響應速度快。但不足之處是測量溫度較窄，通常為-55～+150℃。根據本課題設計的要求，可選用集成溫度傳感器。 由于溫度傳感器的直接輸出信號一般都非常微弱，為了更好地測量和顯示，需要放大器、濾波器等電路對信號進一步處理。對放大器的要求是精度要高，輸入失調電壓和輸入失調電流要小，同時要求抑制共模干擾信號的能力要強。 2．A／D變換及顯示 A／D轉換器的主要功能是將模擬電壓或電流轉換成數字量。實現A／D轉換的方法很多，常用的有雙積分式A／D轉換器、逐次逼近式A／D轉換器和并行比較式A／D轉換器等。雙積分A／D轉換器的特點是轉換精度高、靈敏度高、抑制干擾信號的能力強，價格低廉，可廣泛用于數字儀表和低速數據采集系統中。另外，這類轉換器的輸出數據常以BCD碼或二進制碼格式輸出，所以數字顯示方便。常用的雙積分式A／D轉換器集成器件有ICL7106／7107／7109／7135、MC14433等。逐次逼近式A／D轉換器是一種轉換速度較快，轉換精度較高的轉換器。一次轉換時間在數微秒到百微秒范圍內，廣泛應用于中高速數據采集系統、在線自動檢測系統、動態測控系統等領域中。與雙積分式A／D轉換器相比，逐次逼近式A／D轉換器的抗干擾能力較差。目前常用的逐次逼近式A／D轉換器集成電路有ADCO808/0809、AD574A、AD1674、ADC1210／1211等。并行比較式A／D轉換器是一種轉換速度最快的轉換器，它最適合應用在數字通信技術和高速數據采集技術中。缺點是電路復雜，價格高。目前出現了一種串、并行A／D轉換方案進行折中，使電路結構簡化，但速度有所下降。 由于本設計用于檢測顯示溫度信號，而溫度信號變化比較緩慢，所以選擇雙積分式集成A／D轉換器比較合適。 3．溫度控制及驅動電路 本設計要求溫度可以設定，并要求溫度被控制在設定的值附近，所以該系統應該是一個閉環控制系統。實現對溫度控制的方法很多，有采用模擬電路實現的，也有采用計算機構成智能控制實現的。模擬控制溫度的方法主要有開關式控制法、比例式控制法和連續式控制法。開關式控制是將檢測的溫度信號和設定的溫度值通過比較器比較后，驅動開關器件（一般是繼電器）控制加熱器的通斷。如當測量的溫度低于設定的溫度值時，驅動電路使繼電器接通加熱器的電源，使溫度上升；當溫度高于設定的溫度時，驅動電路使繼電器斷開加熱器的電源，停止對加熱器的加熱，溫度將下降。這樣通過繼電器的反復動作，溫度將被控制在設定值附近。 開關式溫度控制方法的優點是電路簡單，缺點是控制精度較低，并且在設定溫度附近，頻繁啟動繼電器，會影響繼電器的使用壽命。比例式控制是選擇一個固定的時間T作為控制周期，選擇控制周期的長短一般根據加熱的熱容量選取，熱容量大的可選擇控制周期長些，一般選擇T＝10～15s。當溫度低于設定的溫度較多時，在一個控制周期T內接通加熱器電源的時間就比較長（假設為t），隨著溫度的升高，加熱時間t逐漸減少；當溫度高于設定的溫度時，加熱時間t等于零，溫度逐漸下降，最后使溫度接近穩定。用該方法控制溫度精度將大大提高。連續控制是根據測量溫度的大小自動連續調節加熱器電流的大小，當溫度大于設定的溫度時，可自動減小加熱器的電流，反之則增大電流，可使溫度自動保持在設定的溫度上，該方法控制穩定的精度最高，電路也比較復雜，同時要求一個可控的功率器件實現對加熱器電流大小的控制。 本設計要求溫度的控制精度不高，可采用控制線路較簡單的開關式控制方法。 三、主要單元電路參考設計 1．溫度測量及顯示電路 溫度傳感器選擇集成溫度傳感器AD590。AD590的外形采用TO-52金屬圓殼封裝結構，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，AD590輸出的恒流值為273.15μA，當溫度升高或降低1℃時，AD590的輸出電流就增大或減小1μA。AD590測量溫度范圍是-55~+150℃；在整個測溫范圍內的非線性誤差小于±0.3℃；工作電壓范圍是4～30V。由AD590組成的測溫電路如圖2（b）所示。 圖2 AD590組成的溫度測量電路 在圖2（b）電路中，由基準源MC1403提供的電流 為： 調節Rp1即可改變io的大小。 AD590輸出電流的溫度靈敏度為1μA／K，絕對溫度與攝氏溫度的關系為K＝T℃＋273.15。設要測量的溫度為T（攝氏溫度），則流過AD590的電流it為： 流過反饋支路的電流： 可見若要使if＝T，只要調節電位器Rp1即可。此時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起調零作用，Rp2用來調節滿量程輸出。集成運算放大器要選取高精度型器件，這里選用OP07。 測量顯示電路選用雙積分式A／D轉換器ICL7107完成。ICL7107具有功耗低、精度高、功能完整、使用簡單等特點，是一種集三位半A／D轉換器、段驅動器、位驅動器于一體的大規模專用集成電路，其主要特點為 （1）能夠直接驅動共陽極LED數碼管，不需另加驅動電路和限流電阻。 （2）采用±5V雙電源供電。 （3）功耗小于15mW，最大靜態電流為1.8mA。 （4）段驅動電流的典型值為8mA，最小值為5mA。 （5）顯示器可采用七段共陽數碼管。 由ICL7107組成的三位半數字電壓表電路如圖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、負端。COM為模擬信號的公共端，簡稱“模擬地”，使用時通常將該端與輸入信號的負端、基準電壓的負端短接。TEST為測試端，此端有兩個功能，一是作“測試指示”，將它與V+短接后，LED顯示器顯示全部筆畫1888，據據此可確定顯示器有無筆段殘缺現象。第二個功能是作為數字地供外部驅動器使用，構成小數點、標志符顯示電路。al～g1、a2～g2、a3～g3分別為個位、十位、百位筆畫驅動端，依次接LED顯示器的個、十、百位的相應筆段。bc4為千位（即最高位，也稱1／2位）筆段驅動端，接千位LED的b、c段。POL是負極性指示驅動端，接千位LED的g段。GND為數字地，與37腳（TEST）經過內部500Ω電阻接通。OSC1～OSC3為時鐘振蕩器引出端，外接阻容元件可構成兩級反相式阻容振蕩器。VREF+是基準電壓的正端，簡稱“基準+”，通常從內部基準電壓獲取所需的基準電壓，也可采用外部基準電壓，以提高基準電壓的穩定性。VREF-是基準電壓的負端，簡稱“基準-”。CREF+、CREF-是外接基準電容端。IN+、IN-為模擬電壓的正、負輸入端。CZA是外接自動調零電容端。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電壓的關系為：VM＝2VREF。若將VRET選擇1V，則可組成滿量程為2V的電壓表。只要把小數點定在十位，即可直接讀出測量結果。由于ICL7017沒有專門的小數點驅動信號，使用時可將共陽極數碼管的公共陽極接接+5V，小數點接GND時點亮，接5V或懸空時熄滅。 在圖3中，R1、C1分別為振蕩電阻和振蕩電容。R2與R3構成基準電壓分壓器，調整R2的值可以改變基準電壓，使VREF＝1V，R2宜采用精密多圈電位器。R4、C3為模擬信號輸入端高頻濾波電路，可提高儀表的抗干擾能力。C2、C4分別為基準電容和自動調零電容。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．溫度控制及超溫報警電路 溫度控制電路如圖4所示。控制方法采用開關方式。測量的溫度信號被輸入滯遲比較器，設定溫度由電位器Rp1給出。根據溫度靈敏度10mV／℃及設定溫度在40～90℃的要求，當電位器Rp往下端調節時，使設定電壓應等于0.4V；當電位器Rp往上端調節時，使設定電壓應等于0.9V。為了能夠指示出設定溫度的大小，最簡單的方法是在電位器調節旋鈕上均勻地刻上溫度值。超溫報警溫度信號取自放大器A2的輸出，放大器輸出信號的大小等于設定溫度信號電壓加上0.2V，當調節設定溫度信號時，超溫報警信號將自動跟蹤變化。 圖4 溫度控制及超溫報警電路 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 ,根據控制要求，溫度控制精度要求小于2℃，可以使△V＝20（mV）。假設穩壓管電壓VZ＝3V，則選擇R1＝5.1kΩ，R2＝1MΩ即可滿足要求。 超溫報警電路選擇A3組成的單限比較器實現。當溫度小于超限溫度時，比較器輸出為零，當溫度大于超限溫度時，比較器輸出電壓為高電平，驅動蜂鳴器發聲，同時發光二極管被點亮。 加熱驅動電路選用繼電器控制，繼電器的常開觸點接入加熱器主回路中，當被測溫度超過設定溫度時，滯遲比較器輸出低電平，三極管T截止，繼電器不得電，繼電器的常開觸點斷開加熱器電源，停止加熱；反之當溫度低于設定溫度時，滯遲比較器輸出高電平，三極管飽和，繼電器得電，繼電器的常開觸點接通加熱器電源，進行加熱。本設計選用電磁式額定電壓12V、觸點負荷容量交流220V／5A的直流繼電器。 四、溫度控制器的調試 （1）在進行安裝電路前，仔細查閱所用集成電路、電子元器件的參數及管腳排列圖，并畫出單元電路、系統電路的安裝電路圖。 （2）溫度檢測電路調試。首先準備溫度等于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），調節電位器RP1，使測溫電路輸出電壓為0V；然后將AD590放入100℃的沸水中，調節電位器RP2，使測溫電路的輸出電壓為1V；反復調試幾次。 （3）溫度顯示電路調試。將2V的直流電壓輸入圖3電路中，調節圖中電位器RP，使數碼管顯示199.9。 （4）溫度控制比較器及超溫報警比較器調試。在電路圖4中，調節RP1將溫度設定在一定值上（例如VREF＝0.5V），調節RP2使A2放大器的輸出高于設定溫度值0.2V。用可變電壓模擬輸入溫度信號，調節溫度信號從0V起逐漸增大，測量溫度控制比較器輸出從高電平到低電平對應的輸入電壓大小；然后再減小溫度信號的大小，再次測量溫度控制比較器輸出從低電平到高電平對應的輸入電壓值。最后繼續增加溫度信號的大小，觀察報警電壓比較器的輸出變化及報警電路的工作情況。 （5）電路系統調試。將全部單元電路連接起來，將溫度設定在一定值上（例如60℃），觀察溫度顯示情況是否滿足設計要求。
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2019-10-24 08:54 上傳
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