1、電子發燒友論壇數字顯示溫度控制器設計制作論文作者：汪志興【摘要】：在工業生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。其中，溫度控制也越來越重要。在工業生產的很多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。 本次任務是設計一個數字顯示溫度的測量與控制裝置.應用溫度敏感元件和二次儀表的組合,對溫度進行調節、控制,且能直接讀數.經實驗驗證此控制器的性能指標優異,所以本次設計為溫度測量與控制的工業應用奠定了一定的基礎。【關鍵詞】： 溫度傳感器 數字電壓表表頭 溫度控制 執行機構一、數字溫度控制器設計方案 根據設計要求，該溫度控制器是既可以

2、測量溫度也可以控制溫度的上下限，并且上下限可以調節，其設計方案組成框圖如圖1所示。溫度傳感器采樣保持電路A/D變換及顯示電路效準電路下限控制電路上限控制電路溫度控制比較器上限報警（聲、光）關斷下限報警（光）驅動被控對象執行機構電路直流穩壓電源 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，將溫度轉換成相應的電壓信號，并通過效驗、濾波后送入A/D轉換器變成數字信號，然后進行譯碼顯示。對溫度被控制在設定值范圍的任務，則將實際測量溫度采集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、調節被控對象的溫度。被控對象的溫度與

3、給定兩個設定的溫度上下限（比較器）相比較，當溫度低于下限溫度值時，控制器（RS觸發器）通過驅動執行機構（繼電器）來實現加熱，同時比較器驅動報警電路報警（光信號黃色）。當溫度超過上限溫度值時，比較器驅動報警電路報警（聲、光紅色信號），同時控制器控制執行機構執行停止加熱。加熱時比較器驅動加熱電路信號（光信號綠色）。二、溫度控制器電路的設計2.1、溫度傳感器的選擇1、溫度傳感器集成芯片AD590簡介AD590的外形采用TO52金屬圓殼封裝結構，其管腳排列如圖 (a)。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1A/K，溫度為0時，AD590輸出的恒流值為273.15A，當溫度升高

4、或降低1時，AD590的輸出電流就增大或減小1A。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430V。由AD590組成的測溫電路如圖(b)所示。(a) AD590外形圖 (b) 溫度測量電路圖2 AD590組成的溫度測量電路在圖 (b)電路中，由基準源MC1403提供的電流i0為： 調節RP1即可改變i0的大小。AD590輸出電流的溫度靈敏度為 1A/K，絕對溫度與攝氏溫度的關系為K=+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，只要調節電位器RP1即可。此時放大

5、器的輸出電壓為： 若要求U0的靈敏度等于10mV/，可選R2=9.1k，RP2=2 k。電位器RP1是調零作用，RP2是調節滿量程輸出。集成運算放大器要選取高精度型器件。這里選用OP07。2、 溫度傳感器集成芯片LM35簡介LM35是把測溫傳感器與放大電路做在一個硅片上，形成一個集成溫度傳感器，如圖3所示：  (a) LM35外形圖 (b) 溫度測量電路圖3 LM35組成的溫度測量電路    LM35是一種輸出電壓與攝氏溫度成正比例的溫度傳感器，其靈敏度為10mV/；工作溫度范圍為0-100；工作電壓為4-30V；精度為±1。最大線性

6、誤差為±0.5；靜態電流為80uA。其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關系，轉換關系，0度 時輸出為0V，每升高1，輸出電壓增加10mV。該器件如塑封三極管（TO-92）。綜合分析溫度傳感器AD590與溫度傳感器LM35的特點，LM35溫度傳感器最大的特點是是使用時無需外圍元件，也無需調試和校正（標定），只要外接一個1V的表頭（如指針式或數字式的萬用表），就構成一個測溫儀。所以本次設計采用LM35溫度傳感器。2.2采樣電路及校準電路我1、LM324集成芯片簡介LM324內部包括有四個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器，既可接單電源使用 (330 V)，也可接雙電源使用(±1.

7、5±15 V)，驅動功耗低，可與TTL邏輯電路相容。 LM324的封裝形式為塑封14引線雙列直插式，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖4。  圖4 LM324引腳圖2、溫度采樣電路設計 當輸入信號變化太快時，要求輸出信號能快速而準確地跟隨輸入信號的變化進行間隔采樣。在兩次采樣之間保持上一次采樣結束的狀態。當電信號輸入時Uo

8、對C充電，Uo=U1=Uc及輸出電壓跟隨輸入電壓的變化，電信號中斷時，電路處于保持周期，因為電容元件無放電電路，故U1=Uc，這種將采集到的數值保持一定時間。所以溫度采樣保持電路如圖5所示 （a）電路 (b) 輸入輸出信號波形圖5 溫度采樣保持電路3、 溫度校正電路方案電路的電壓放大倍數Au也僅由外接電阻決定：Au=1+Rf/R1，電路如上圖圖5所示，通過改變Rf來改變Uo與U1之間的放大關系即校準標準溫度。2.3 上下限采集電路上下限采集電路采用反相交流放大器電路，此放大器可代替晶體管進行交流放大，電路的電壓放大倍數Au也僅由外接電阻決定，上下限采集電路的電壓放大倍數Au=1。如圖6上下限采

9、集電路： （a）上限采集電路 （b）下限采集電路圖6 上下限采集電路根據電工學知識分析：已知：Vcc=5V1、上限采集電路R=R2+R3+R4 =20k+5K+500=25500U1=I·R4=0.000196×500 =98mVU2=I·(R4+ R3)=0.000196×(5000+500)=1078mV所以有U2：U1=< U2 = <U22、下限采集電路R=R5+R6 =20k+5K=25000U3=I·0=0VU4=I·R6=0.0002×5000=1000mV所以有U3：U3=< U3 = &l

10、t;U4根據LM35的輸出電壓與攝氏溫度成正比例的關系，即0度時輸出為0V，每升高1，輸出電壓增加10mV。下限調節范圍為0100攝氏度，上限調節范圍為9.8107.8攝氏度。由于線路本身存在電阻，所以調節準確精度與計算結果有一定偏差。2.4 溫度比較電路1、 LM393電壓比較器簡介LM393是雙電壓比較器集成電路, 電壓比較器(以下簡稱比較器)是一種常用的集成電路。它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術，也可用于A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監測電路、振蕩器、過零檢測電路等。該電路的特點是工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：236V，雙電源:±1

11、77;18V；消耗電流小，Icc=0.8mA；輸入失調電壓小，VIO=±2mV；共模輸入電壓范圍寬，Vic=0Vcc-1.5V；輸出與TTL，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門, LM393是雙電壓比較器集成電路引腳圖如下：圖7 LM393雙電壓比較器引腳圖電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高，如圖8所示。圖8 (a)是比較器，它有兩個輸入端：同相輸入端(“+” 端) 及反相輸入端(“-”端)，有一個輸出端Vout(輸出電平信號)。另外有電源V+及地，同相端輸入電壓VA，反相端輸入VB。VA和VB的變化如圖8(b)所示。在時間0t1時，VA&

12、gt;VB；在t1t2時，VB>VA；在t2t3時，VA>VB。在這種情況下，Vout的輸出如圖8(c)所示：VA>VB時，Vout輸出高電平(飽和輸出)；VB>VA時，Vout輸出低電平。根據輸出電平的高低便可知道哪個電壓大。圖8 電壓比較器工作分析    如果把VA輸入到反相端，VB輸入到同相端，VA及VB的電壓變化仍然如圖8(b)所示，則Vout輸出如圖8(d)所示。與圖8(c)比較，其輸出電平倒了一下。輸出電平變化與VA、VB的輸入端有關。2、LM393 溫度比較電路 （a） 上限比較電路 （b）下限比較電路圖9 溫度比較

13、電路U4in接溫度采集輸出，UR接上限比較電路。當當前溫度低于上限時U5out輸出高電平，高于高限時U5out輸出低電平;U6in接溫度采集輸出，UR2接下限比較電路。當當前溫度低于下限時U7out輸出低電平，高于下限時U7out輸出高電平。分析如下圖10 （a）低限電平輸出 （b）高限電平輸出圖10 上限限電平輸出比較2.5 溫度控制電路1、74LS00芯片簡介74LS00是常用的2輸入四與非門集成電路，其引腳如下圖： 圖11 74LS00引腳圖A、引腳功能表： 管腳位符號名稱及功能1, 4, 9, 121A - 4A數據輸入2, 5, 10, 131B - 4B數據輸入3, 6, 8, 1

14、11Y - 4Y數據輸出7GND接地(0V)14VCC電源電壓B、74LS00真值表ABY001011101110 2、RS 觸發器RS 觸發器是把兩個與非門G1、G2的輸入、輸出端交叉連接，即可構成基本RS觸發器，其邏輯電路如圖12所示。它有兩個輸入端R、S和兩個輸出端Q、Q非。 （a）邏輯電路 （b）邏輯符號圖12 RS 觸發器電路 基本RS觸發器的邏輯功能入下表如下：RSQ邏輯功能010置0101置111不變保持00不變禁止將上限U5輸出接于R端，下限U7接于S端。輸出為Q非端，電平輸出圖13R加熱保持加 熱低限電平SQ非n+1高限電平上限關斷加熱下限執行加熱下限執行加熱下限執行加熱關斷

15、 圖13 電平輸出圖2.6 執行機構及報警電路1、 繼電器簡介繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路）之間的互動關系。通常應用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。當輸入量（如電壓、電流、溫度等）達到規定值時，繼電器被所控制的輸出電路導通或斷開。 繼電器具有動作快、工作穩定、使用壽命長、體積小等優點。 因為繼電器是由線圈和觸點組兩部分組成的，所以繼電器在電路圖中的圖形符號也包括兩部分：一個長方框表示線圈；一組觸點符號表示觸點組合。2、繼電器組成的執行機構電路輸入是由

16、RS觸發器控制的低電平信號，需要控制繼電器，因此我在繼電器前加了放大電路。三極管的放大倍數一般都是一個范圍。三極管的選擇：考慮到安全穩定，耐壓大于5V，最大集電極電流：大于繼電器吸合電流的兩倍以上；功率：大于5V繼電器電流的兩倍，管子的飽和壓降越小越好，本次設計使用的是小功率的繼電器選8550 PNP 高頻放大 40V1.5A1W100MHZ 三極管。保護二極管，大于50V的整流二極管，正向壓降越小越好。選1N4001即可。 圖14 繼電器組成的執行機構電路3、報警電路 （a） 上限報警電路 （b）下限報警電路 （c）加熱信號圖15 報警電路2.7 顯示溫度電路A/D變換及顯示A/D轉換器的主

17、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

18、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ADC0808/0809、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轉換方案進行折衷，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。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、

19、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： 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。 采用±5V雙電源供電。 功耗小于15mW，最大靜態電流為1.8mA。 段驅動電流的典型值為8mA，最小值為5mA。 顯示器可采用7段共陽數碼管。由ICL7107組成的三位半數字電壓表電路如圖14 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

20、它與V+ 短接后，LED顯示器顯示全部筆畫1888，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。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。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500W電阻接通。OSC1OSC3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

21、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+5V，小數點接GND時點亮，接5V或懸空時熄滅。在圖 中，R1、C1分別為振蕩電阻和振蕩電

22、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，以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16 ICL7107組成的溫度顯示電路2.8、 直流電源電路 2.8.1、穩壓電源設計 一、工作原理小功率穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四個部分組成，如圖17所示，其整流與穩壓過程如圖18所示。圖17 穩壓電源系統方框圖圖16 整流與穩壓過程圖18 整流與穩壓波形（1）電源變壓器是降壓變壓器，它將電網220V交流電壓變換成符合需要的

23、交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。（2）整流電路橋式整流電路由四只二極管組成的一個電橋，電橋的兩組相對節點分別接變壓器二次繞組和負載這種電路如圖19所示。在工作時，D1、D2與D3、D4兩兩輪流導通。圖19 橋式整流電路(3) 濾波電路濾波電路的作用是濾除整流電壓中的紋波。電容濾波電路是最簡單的濾波器，它是在整流電路的負載上并聯一個電容C，如圖20（a）所示。IouoTru2abD3D2D4D1u1RLCtuoo （a）電路 （b）波形 圖20 橋式整流電容濾波電路及波形(4)穩壓電路7805集成穩壓器是一個輸出正5V直流電壓的穩壓電源電路，使用時應配上散熱板。從正

24、面看引腳從左向右按順序標注，接入電路時腳電壓高于腳，腳高電位，腳接地，腳為輸出位， 其引腳圖如圖21所示：1278053圖21 7805引腳圖 2.8.2 、直流穩壓電源電路設計本電路采用以7805為核心的穩壓器, 輸出5V電壓。該電源電壓穩定,設計電路原理圖如圖22所示。圖22 穩壓電源電路圖三 、整機工作原理當LM35把溫度信號轉換為電壓信號，電壓信號通過LM324采集后輸入A/D轉換器將模擬電壓量轉換成數字量并通過數碼管顯示出當前溫度。上限下限通過電位器的分壓后通過LM324電壓跟隨器采集后，通過轉換開關也送入A/D轉換器將模擬電壓量轉換成數字量也通過數碼管顯示上下溫度。當前溫度與上限溫

25、度送入LM393進行比較輸出相應的電平信號，當前溫度與下限溫度送入LM393進行比較輸出相應的電平信號，上限溫度信號與下限溫度信號再送入RS觸發器進行比較，輸出相應的電平信號給三極管，通過三極管（飽和、截止、放大）的驅動來控制繼電器的開通與關斷，從而控制加熱器對設備的加熱。 在當前溫度與上限溫度送入LM393進行比較輸出高低電平信號后接三極管，三極管驅動蜂鳴器和發光二級管，從而實現上限報警。當前溫度與下限溫度送入LM393進行比較輸出高低電平信號后接發光二級管，從而實現下限顯示。送入RS觸發器的電平信號進行比較后，輸出相應的信號給發光二級管實現加熱顯示。結 論1、本設計由溫度檢測、數據處理、溫度控制和執行機構四部分組成，根據LM35溫度傳感器良好的線性特點，對加熱器溫度進行檢測，減少了傳感器的非線性誤差。同時利用LM324對數據進行采集，信號經A/D變換得到相應的數字量，送到LM393中進行電壓判斷得到相應的控制量，送入RS觸發器后驅動三極管去控制繼電器的開通與關斷而控制加熱設備。2、在溫度測控系統中，由于控制對象是電熱設備，因而沒有制冷效果，但是本次設計目的是控制最低溫度為0，所以要求控制環境的環境溫度不能低于0，否則就算等的時間再久，它的溫度也只是環境溫度，所以，測控系統的工作環境要求不能低于0。這也是本設計一大弊端