温度控制器设计

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温度控制器设计

一、设计任务

设计一个可以驱动1kW加热负载的水温控制器，具体要求如下：

1、能够测量温度，温度用数字显示。

2、测量温度范围0〜100℃，测量精度为0.5℃。

3、能够设置水温控制温度，设定范围40〜90℃,且连续可调。设置温度用数字显示。

4、水温控制精度W±2℃。

5、当超过设定的温度20℃时，产生声、光报警。

二、设计方案分析

根据设计要求，该温度控制器是既可以测量温度也可以控制温度，其组成框图如图1所

示。

图1温度控制器原理框图

因为要求对温度进行测量显示，所以首先采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。若要求温度被控制在设定值附近，则要求将实际测量温度的信号与温度的设定僮基准电压）进行比较，根据比较结果（输出状态）来驱动执行机构，实现自动地控制、调节系统的温度。测量的温度可以与另一个设定的温度上限比较器相比较，当温度超过上限温度值时，比较器产生报警信号输出。

1、温度检测及信号处理

温度检测是温控系统的最关键部分，它只接影响整个系统的测量、控制精度。目前检

测温度的传感器很多，其测量范围、应用场合等也不尽相同。例如热电偶温度传感器目前

在工业生产和科学研究中已得到了广泛的应用，它是将温度信号转化成电动势。目前热电

偶温度传感器已形成系列化和标准化，主要优点是：它属于自发电型传感器，测量温度时

可以不需要外加电源；结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制；测量

温度范围广，高温热电偶测温高达1800 c以上，低温热电偶可测-260℃以下，目前主要

用在高温测量工业生产现场中。热电阻温度传感器是利用电阻值随温度升高而增大这一特

性来测量温度的，目前应用较为广泛的热材料是铜和铂。在铜电阻和伯电阻中，伯电阻性

能最好，非常适合测量-200〜+960℃范围内的温度。国内统一设计的工业用伯电阻常用的

分度号有Pt25、Pt100 等，Pt100即表示该电阻的阻值在0c时为100Q。随着半导体集成

电路技术的迅速发展，各种类型的集成温度传感器应用越来越多。集成温度传感器的工作

原理是利用PN结的温度特性制成的，同热电偶、热电阻等传统的温度传感器相比，集成

温度传感器主要特点有：灵敏度高；线性度好，一般不需要线性补偿；测量重复性好；响

应速度快。但不足之处是测量温度较窄，通常为-55〜+150℃。根据本课题设计的要求，

可选用集成温度传感器。

由于温度传感器的直接输出信号一般都非常微弱，为了更好的测量和显示，需要放大器、滤波器等电路对信号进一步处理。对放大器的要求是精度要高，输入失调电压和输入

失调电流要小，同时要求抑制共模干扰信号的能力要强。

2、A/D变换及显示

A/D转换器的主要功能是将模拟电压或电流转换成数字量。实现A/D转换的方法很多，常用的有双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行比较式A/D转换器等。双积分A/D转换器的特点是转换精度高、灵敏度高、抑制干扰信号的能力强，价格低廉，可广泛用于数字仪表和低速数据采集系统中。另外，这类转换器的输出数据常以BCD码或二进制码格式输出，所以数字显示方便。常用的双积分式A/D转换器集成器件有ICL7106/7107/7109/7135、MC14433等。逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快，转换精度较高的转换器。一次转换时间在数微秒到百微秒范围内，广泛应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域中。与双积分式A/D转换器相比，逐次逼近式

A/D转换器的抗干扰能力较差。目前常用的逐次逼近式A/D转换器集成电路有

ADC0808/0809、AD574A、AD1674、ADC1210/1211 等。并行比较式 A/D 转换器是一种转换速度最快的转换器，它最适合应用在数字通信技术和高速数据采集技术中。缺点是电路复杂，价格高。目前出现了一种串、并行A/D转换方案进行折衷，使电路结构简化，但速度有所下降。

由于本设计用于检测显示温度信号，而温度信号变化比较缓慢，所以选择双积分式集

成A/D转换器比较合适。

3、温度控制及驱动电路

本设计要求温度可以设定，并要求温度被控制在设定的值附近，所以该系统应该是一个闭环控制系统。实现对温度控制的方法很多，有采用模拟电路实现的，也有采用计算机构成的智能控制。模拟控制温度的方法主要有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。开关式控制是将检测的温度信号和设定的温度值通过比较器比较后，驱动一开关器件（一般是继电器）控制加热器的通断。如当测量的温度低于设定的温度值时，驱动电路使继电器接通加热器的电源，使温度上升；当温度高于设定的温度时，驱动电路使继电器断开加热器的电源，停止对加热器的加热，温度将下降。这样继电器反复动作，温度将被控制在设定值附近。开关式温度控制方法的优点是电路简单，缺点是控制精度较低，并且在设定温度附近，频繁启动继电器，影响继电器的使用寿命。比例式控制是选择一个固定的时间T作为控制周期，选择控制周期的长短一般根据加热的热容量选取，热容量大的可选择控制周期长一些，一般选择T=10〜15秒。当温度低于设定的温度较多时，在一个控制周期T内接通加热器电源的时间就比较长（假设为t）,随着温度的升高，加热时间t逐渐减少；当温度高于设定的温度时，加热时间t等于零，温度逐渐下降，最后使温度接近稳定。该方法控制温度精度将大大提高。连续控制是根据测量温度的大小自动连续调节加热器电流的大小，当温度大于设定的温度时，可自动的控制减小加热器的电流，反之则增大电流，可使温度自动的保持在设定的温度上，该方法控制稳定的精度最高，电路也比较复杂，同时要求一个可控的功率器件实