前導課-溫度測量數顯空控制儀的設計實現

1、溫度測量數顯控制儀的設計實現,設計選題七,第一部分 設計綜述第二部分 模塊電路設計第三部分 實驗注意事項,內容,第一部分 設計綜述,設計背景設計任務設計目的設計要求與指標設計思路設計框圖,設計背景,溫度測量是日常生活和工程領域經常需要解決的問題，在冷庫、制冷設備、糧食儲備等精度要求不特別高的場合，經常采用Pt100鉑電阻來實現溫度的采集與控制調節(jié)。溫度測量數顯控制儀能夠滿足對溫度測量精度要求較高的場所的需求，其測量范圍

2、為-50℃~200℃，精度允許誤差為±1℃，精度較高、設計簡單而且經濟實用。,設計任務,利用Pt100溫度傳感器設計制作一個可在一定溫度范圍進行溫度測量與控制的溫度測量數顯控制儀。,設計目的,1、了解常用傳感器的工作原理，掌握其設計使用方法2、掌握電阻電壓轉換電路的設計使用3、掌握ICL7107（雙電源±5V供電,適合驅動發(fā)光二極管顯示）模數轉換原理4、掌握顯示電路的設計使用5、掌握電子電路系統(tǒng)設計的基本方法

3、，培養(yǎng)提高綜合利用多學科相關知識進行初步工程設計與實際裝調系統(tǒng)電路的能力,設計要求及指標,1、使用熱敏類電阻鉑Pt100。2、該儀器測量溫度的范圍為-50～200℃，能夠對溫度值進行數字顯示（可顯示閾值溫度和測量溫度兩種），其測量誤差為±1℃。3、當超過某一設定溫度上限值時（如30℃），能聲光報警提示。 4、測量結果用七段數碼管顯示。,設計框圖,系統(tǒng)框圖,設計思路,1、了解溫度傳感器的工作原理，掌握其工程設計實用方法。

4、2、設計電阻電壓轉換電路，對溫度傳感器輸出的電阻信號進行電壓轉換。3、采用AD轉換電路對轉換后的電壓信號進行AD轉換，將其轉換成可以進行LED顯示的數字信號。4、顯示電路，根據AD轉換器的類型選擇LED類型，接入電路需要考慮LED的電流值。5、設定閾值，當溫度超過該閾值時驅動三極管進行聲光報警。,第二部分 模塊電路設計,1、溫度采集與電阻電壓轉換電路2、A/D轉換電路3、顯示電路4、聲光報警電路,1、溫度采集電路,溫度采集使

5、用鉑電阻Pt100。Pt100鉑電阻的阻值隨著溫度的變化成勻速增長。電路中使用電位器模擬溫度傳感器的阻值變化。,1、電阻電壓轉換電路,設計思路：電路中鉑電阻轉換后的輸入電壓范圍應該在0~2V之間，以便ICL7107進行后續(xù)處理。電阻電壓轉換采用比例放大器。選擇LM324芯片。LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器，具有真正的差分輸入。單位增益內部頻率補償大直流電壓增益100 dB的高帶寬（單位增益）1兆赫（溫度補償）

6、電源范圍寬：雙電源±1.5V至±16V低輸入偏置電流45 NA（溫度補償）低的輸入失調電壓為2 mV和失調電流5NA輸入共模電壓范圍包括地面差分輸入電壓范圍的電源電壓等于大輸出電壓擺幅0V至V + - 1.5V,1、電阻電壓轉換電路,電阻電壓轉換參數計算：1、在輸入端采用一個鍺二極管控制輸入電壓在0.3V。2、輸入端電流為0，因此經過R12的電流基本與二極管相等，故R12選10K歐。3、為了使輸出電壓

7、滿足ICL7107的輸入2V范圍，經過下列計算，選R9為33歐，使輸出電壓在1.0～1.9V間當t=200℃時，運放輸出Uo=(1+175.84/33) ×0.3=1.90V當t=-50℃時，運放輸出Uo=(1+80.31/33) ×0.3=1.03V 4、在電阻/電壓轉換電路后，接一電壓跟隨器，提高帶負載的能力。,第二部分 模塊電路設計,1、溫度采集與電阻電壓轉換電路2、A/

8、D轉換電路3、顯示電路4、聲光報警電路,2、A/D轉換電路-ICL7107,位A/D轉換器,可直接驅動LED數碼管,內部設有參考電壓、獨立模擬開關、邏輯控制、顯示驅動、自動調零功能等。具有兩個量程選擇,2V和200mV。本題中量程選用2V,,,2、A/D轉換電路-ICL7107,引腳功能及元器件選擇-1V+（1腳）和V-（26腳）：電源的正極和負極（+5V和-5V）振蕩器元件（38-40腳）：用于系統(tǒng)定時。兩種接法：外接振蕩器到

9、40腳或者Oscl-OSc3外接電容電阻構成R-C振蕩器。推薦使用100K電阻，根據公式f=0.45/RC計算電容為100pf,此時主振頻率為45kHz,采樣時間為每秒3次TEST:顯示測試端，高電平是顯示為“1888”，電流為15mA。CREF:外接基準電容端，通常0.1μF的電容效果最佳。COM :模擬信號公共端(模擬地)，與IN-以及VREF-相連。INT:27是一個積分電容器。AZ:積分器和比較器的反向輸入端，接自

10、動調零電容CAz 。2V滿刻度時使用0.047μF。BUF:緩沖放大器輸出端，接積分電阻。其輸出級的無功電流是100μA，而緩沖器與積分器能夠供給20μA的驅動電流，從此腳接一個電阻至積分電容器，滿刻度2V時選用470K。,2、A/D轉換電路-ICL7107,VREF+ VREF- :基準電壓正負端。IN+和IN- :模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負端?；鶞孰妷汉洼斎腚妷宏P系分析（Vref-=0）其中T為設定的溫度

11、，當溫度為-50℃和200℃時，可列得方程組IN+可以通過實驗測得，帶入上式可以計算出IN-和Vref+的值，在實驗中需要調節(jié)該電壓。因此在IN-和Vref+接入端需要連接電位器進行電壓調節(jié)。,,,2、A/D轉換電路-ICL7107,第二部分 模塊電路設計,1、溫度采集與電阻電壓轉換電路2、A/D轉換電路3、顯示電路4、聲光報警電路,3、顯示電路,設計提示：ICL7107直接驅動共陽數碼管顯示。所謂三位半的三位是指可以顯示0

12、－9的十個數字，稱作全位；千位數最大顯示為1（小于1時消隱），比如2V的滿量程顯示為1.999，因此成為半位。ICL7107中分別有個位、十位、百位對應的a~g段連接，千位連接為19,20腳，19腳連接千位b、c段，20連接千位g段，表示負號。數碼管字符段電壓為3V左右，因此共陽極連接到Vcc時，需要連接一個限流電阻進行分壓。一般為200歐姆。,4、聲光報警電路,使用撥碼開關實現閾值溫度的顯示(撥碼開關1擋)和測量溫度的顯示(撥碼

13、開關2擋)。當被測溫度高于閾值溫度時，驅動聲光報警。因此聲光報警實際是設定溫度閾值進行電壓比較，在電壓跟隨器后面加一個電壓比較器，電壓比較器后級采用PNP三極管驅動蜂鳴器和發(fā)光二極管實現聲光報警RP3用來調節(jié)設定的閾值電壓。,1、負電壓的產生,方法1：利用時鐘輸出信號外接2只二極管、2只電容和CD4069來產生負電源。CD4069是6反相驅動器，電源電壓為3V~18V。方法2：使用電源極性轉換器ICL7660，產生-5V電壓。IC

14、L7660是小功率極性反轉電源轉換器，輸入電壓范圍為1.5V-10V。,系統(tǒng)電路圖,基本調試方法,調試測量過程中需要記錄數據：1、不同溫度值下測量跟隨器前后電壓，與理論電壓比較，進行誤差分析。2、溫度-50℃時，調節(jié)32管腳(COM)的電位器，設定IN-電壓值，使其顯示-50。2、溫度200℃時，調節(jié)35管腳（Vref-）管腳的電位器，設定Vref+的電壓值，使其顯示200。3、溫度100℃時，驗證顯示是否為100。4、將開關

15、打到1檔，使閾值電路與A/D轉換模塊相連，調節(jié)RP3使得數碼管顯示溫度為40℃(可自行設定)，即報警溫度為40℃，再將開關打到2檔，給鉑電阻升溫，數碼管顯示的溫度一直上升，當顯示為40℃時，發(fā)光二極管亮起，蜂鳴器報警，風扇開始轉動進行降溫。測量并記錄各引腳電壓。,元器件清單,,,實驗成績,實驗總成績(100滿分)= 實驗動手操作(60滿分)+實驗總結報告(40滿分)實驗操作評分細則,實驗報告評分細則,實驗進度安排表,分模塊調試與驗收

16、電阻電壓轉換電路調試與驗收模數轉換顯示電路調試與驗收聲光報警電路調試與驗收,實驗課須知,實驗時間地點： 本實驗選題2個班。 第 1 班：3月27號-30號15:30-21:30，最后一天20:00結束；地點：360實驗室 第 2 班：4月8號8:30-9:30/9號8:30-18:00； 地點：493實驗室 上課：實驗必須在實驗室完成，不得無故曠課。有課需要請假因為要

17、在兩天之內完成實驗，所以時間有點緊張，需要大家做課前準備。優(yōu)秀等級采用個人申報+教師推薦的方式，想要申報的學生在實驗課程結束之后將姓名學號聯系方式留給老師，然后在15、16周左右進行筆試考試。,注意事項及準備功課,注意事項：自備烙鐵架，萬用表和吸錫器等工具 分模塊領件、調試驗收。器件按照模塊分發(fā)，調試驗收之后領下一模塊器件完成作品及時驗收，驗收后交還主要器件，包括芯片、電位器、數碼管、電解電容。完成試驗后一周內按照實驗報告要求