PT100電橋溫度測(cè)量電路Proteus仿真 TL431+OP07+LM324+LM393+74LS138

ID:1023486 · 發(fā)表于 2023-4-18 23:34

一、設(shè)計(jì)過程（原理、方案）

二、電路原理圖及其工作原理

三、調(diào)試過程

四、設(shè)計(jì)和調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法

一、設(shè)計(jì)過程（原理、方案）

1、總體設(shè)計(jì)

此項(xiàng)目包含五部分：測(cè)量電橋、電橋驅(qū)動(dòng)電源、電壓放大電路、溫度限報(bào)警電路、顯示電路。

2、具體電路設(shè)計(jì)

1）電橋及電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖2 電橋電路

基于恒流源的電橋電路如圖 1 所示, TL431和 R1 為OP07 提供恒壓源 Vref, R5 和 C1 作為電源濾波。同時(shí)R2, R3, R4, RT作為測(cè)量電橋, 通過檢測(cè) A端和B端的電壓差 Vab來計(jì)算溫度的變化,根據(jù)集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域的輸入端虛短特性, OP07的 2 端電壓等于3端電壓; 由于TL431、R5、 C1 為 OP07 的3 端提供了相對(duì)穩(wěn)定的電壓源 Vref，根據(jù)集成運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)域的輸入端虛斷特性,流過 R4的電流只流經(jīng) Rt, 所以相當(dāng)于有一個(gè)恒流源流經(jīng)R4和Rt；當(dāng)電橋達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),有:

R2 ·R4=Rt ·R3

通過計(jì)算可知:

Ua=Uerf，Uo=(Uref/R4) ·Rt +Uref=Uref(Rt/R4+1)

Ub=Uo·R3/(R3+R2)= Uref(Rt/R4+1)·R3/(R3+R2)

Uab=Uref-Ub= Uref- Uref(Rt/R4+1)·R3/(R3+R2)

= Uref·[1-(Rt/R4+1)·R3/(R3+R2)]

取R4=R3，R2=Rt0，Rt=Rt0+ΔRt

則電橋電路的輸出電壓Uab兩端的電壓為:

Uab=-Uref ·ΔRt / ( R2+R3 )

從而求得鉑熱電阻阻值變化量:

ΔRt=-Uab · ( R2+R3 ) /Uref

可見 ΔRt 與 Uo 成線性關(guān)系。

2）電壓放大電路設(shè)計(jì)

圖2電路中，取R3、R4等于0.51K，R2、Rt0等于100歐姆，又Uerf=2.5V

則 Uab=-4.2 X10-3 XΔRt

當(dāng)溫度他t=0°C時(shí)ΔRt=0，Uab=0V

t=70°C時(shí)ΔRt=27.8歐 Uab=-0.1168V

因此，放大器所需的放大倍數(shù)為：A=3/0.1168=25

放大電路如圖3所示。由圖3可知，Rg上的電壓是V1-V2，IR3=IRg

Ua-Ub=(R10+VR3+R15)(Vo1-Vo2)/VR3

或Vo1-Vo2=(1+2R10/ VR3)(Ua-Ub)

Vo=R12/R11(Vo1-Vo2)= R12/R11(1+2R10/ VR3)(Ua-Ub)

所以 A= (1+2R10/ VR3) · R7/R6=A1 X A2

可取R8=4.7K，Rg=0.996K，則A1=10.42

取 R7=24K，R6=10K A2=2.4

則A=10.42x2.4=25

3)溫度報(bào)警及顯示電路設(shè)計(jì)

用比較器比較10℃、25℃溫度值，由138譯碼器譯碼，得到報(bào)警狀態(tài)：

t小于10℃；

t大于10℃，小于25℃；

t大于25℃；

比較閾值計(jì)算：

當(dāng)t=0oC時(shí)，放大器輸出Vo=3V×10/70=0.42V

當(dāng)t=25oC時(shí)，放大器輸出Vo=3V×25/70=1.71V

二、電路原理圖及其工作原理

1、整體電路原理圖

溫度測(cè)量采用鉑熱電阻（PT100）測(cè)量，將0oC ~70oC的溫度進(jìn)行測(cè)量與放大，轉(zhuǎn)化為0-3V的電壓信號(hào)輸出。

2、各部分電路

（1）電橋電路

TL431所在的左下部分電路主要是為了提供3腳一個(gè)2.5V的電壓值，R5和電容的主要作用是濾波。溫度的變化可以通過計(jì)算Ua和Ub之間的電壓差計(jì)算得到。

（2）電壓放大電路

R6=10k,R7=24k,R8=4.7k,Rg=1k,第一部分的電橋電路的Ua，Ub分別輸入到電壓放大電路的Ua，Ub端口。并在VO處輸出一個(gè)電壓。

則Uab=4.2X103X△Rt

當(dāng)溫度 t=0°C時(shí)△Rt=0,Uab=0V

t=70°C時(shí)△Rt=27.8歐Uab=-0.1168V

因此，放大器所需的放大倍數(shù)為：A=3/0.1168=25

V01-V02=(R8+R8+Rg)(V1-V2/Rg)或V01-V02=(1+2R8/Rg)(V1-V2)

V0=R7/R6(V01--V02)=R7/R6(1+2R8/Rg)(V1-V2)

所以A=(1+2R8/Rg)·R7/R6=A1*A2

可取R8=4.7K,Rg=1K.則A1=10

取R7=24.9K R6=10K、A2=2.5則A=10x2.5=25

（3）溫度顯示電路

用比較器比較10°C、25°C溫度值，由74LS138譯碼器譯碼，得到燈的狀態(tài)

當(dāng)溫度小于10°C時(shí)，綠燈亮。

當(dāng)溫度在10°C--25°C時(shí)，黃燈亮。

當(dāng)溫度大于25°C時(shí)，紅燈亮。

三、調(diào)試過程

1、調(diào)節(jié)RV2、RV3，使得LM393的第2腳、第6腳的電壓分別為1.07V和0.42V。

2、改變RV1，將RV1調(diào)到最大值，記錄此時(shí)V0的數(shù)值。

V0=0.18

3、改變RV1，觀察燈的狀態(tài)，記錄相應(yīng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，表格如下

V0	Ua	Ub	燈的狀態(tài)
0.18	2.49	2.49	紅
臨界狀態(tài)（0.42）	2.49	2.51	紅、綠
0.47	2.49	2.51	綠
臨界狀態(tài)（1.70）	2.49	2.53	綠、黃
1.22	2.49	2.53	黃

其中一組數(shù)據(jù)圖片：

四、設(shè)計(jì)和調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法

1、LM324 3腳輸出電壓不為2.5V。

原因：LM324焊接不到位，再次焊接后輸出成功。

2、放大電路中LM324 1腳輸出電壓為3.8V。

原因:4腳未接5V輸入，并且多處虛焊。重新焊接后電壓正常。

3、顯示電路中三個(gè)燈不亮,74LS138接三個(gè)燈的15腳,14腳,12腳的電壓均為5V。

原因:芯片壞掉，更換芯片后電壓正常。

五、心得體會(huì)

通過本次設(shè)計(jì)，我確實(shí)學(xué)習(xí)到了好多東西，對(duì)于模電中所學(xué)的測(cè)量放大器，以及，模擬集成運(yùn)算放大器有了更深一步的理解，并學(xué)會(huì)了將理論知識(shí)向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，并且由于設(shè)計(jì)的需要，我還將數(shù)字電路進(jìn)行了簡單的了解。本次設(shè)計(jì)中，我還學(xué)會(huì)了去查閱各種資料，包括各種使用過的芯片，都可以通過互聯(lián)網(wǎng)查閱到相關(guān)的使用手冊(cè)，十分方便，也加速了設(shè)計(jì)的速度，少走了好多彎路，避免了將時(shí)間花費(fèi)在實(shí)際測(cè)試探索，從而有充分的時(shí)間去改進(jìn)電路，在電路調(diào)試中，我又加深了模電課中所學(xué)到的有關(guān)于電路的頻率響應(yīng)特性的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)，看到自己做的實(shí)際電路在經(jīng)過反復(fù)的測(cè)試后終于達(dá)到預(yù)期的效果而感到十分的欣慰與自豪。

在實(shí)際調(diào)試中我遇到很多問題，剛開始的時(shí)候感覺很煩躁，但是，還要解決問題，于是慢慢靜下心來分析原因，再結(jié)合所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際中的現(xiàn)象，慢慢還是找到了問題的所在，可以說，通過這次設(shè)計(jì)，我學(xué)到的不僅僅是知識(shí)了，還學(xué)會(huì)了分析問題的方法，我很榮幸能有做這次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，我也很珍惜這次鍛煉自己的機(jī)會(huì)。相信下次能做的更好！

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