温度测量与控制电路创新实验设计

控制、Ａ／Ｄ 变换 以 及 数 码 管 显 示 等 内 容，还 可 以 延 伸 到 单 片 机 、控 制 理 论 等 跨 学 科 内 容 ，实 验 内 容 可 以 根 据 不 同 专 业 、不 同 实 验 层 次 适 当 取 舍 ，非 常 适 合 作 为 学 生 的综合设计性实验项目或课程设计内容。
图３ 中，选 取 ＵＲ ＝２．７３ Ｖ，Ｒ１ ＝Ｒ２，ＲＦ ＝Ｒ３ ＝
２．４ 继 电 器 驱 动 电 路 继电器驱动电路如图５所示。当被测温度低于
设 定 温 度 时 ，ｕｏ３为 高 电 平 ，三 极 管 Ｔ 导 通 ，继 电 器 触 点 闭 合 ，发 热 丝 对 系 统 加 热 。 当 被 测 温 度 上 升 到 设 定 温 度 时 ，三 极 管 截 止 ，继 电 器 触 点 断 开 ，停 止 加 热 。 实 验 中 ，发 热 丝 可 以 采 用 ３００ Ω、１ Ｗ 电 阻 代 替 。 实 验 时 把 电 阻 直 接 紧 靠 在 温 度 传 感 器 上 ，模 拟 恒 温 箱 的工作环境。
综合设计性实验在培养创新型人才中起着重要的 作用，是提高 办 学 质 量 的 重 要 措 施 。 ［１］ 综 合 设 计 性 实 验 选 题 既 要 与 课 程 内 容 密 切 相 关 ，又 要 留 有 拓 展 空 间 ； 既 要 涵 盖 若 干 问 题 ，又 要 考 虑 到 学 生 的 知 识 水 平 、操 作 技 能 等 诸 多 因 素 ；既 要 涉 及 工 程 背 景 ，又 要 能 在 实 验 室 进 行 操 作 ；同 时 还 要 有 一 定 的 趣 味 性 ，并 且 还 要 有 层 次 性，由浅入深、循序渐进 。 ［２－３］ 为此，温度测量与 控 制 电 路 实 验 内 容 涵 盖 了 电 工 电 子 技 术 中 的 受 控 源 、电 流／电 压 变 换 、电 压 跟 随 器 、信 号 放 大 、电 压 比 较 器 、继 电 接 触
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ
Ｚｈａｎｇ Ｔｉｎｇｆｅｎｇ１，Ｄｅｎｇ Ｈｏｎｇｌｅｉ ２，Ｌａｎ Ｍｕｙｕｎ１
（１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅａｃｈｉｎｇ ＆ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）
荡频率ｆＯＳＣ＝４０ｋＨｚ，采样速率 ＳＲ 为
ＳＲ ＝４０ｋＨｚ／（４ ０００×４）＝２．５／ｓ （５）
由 式 （３）可 求 得 在 ４０ｋＨｚ 时 外 接 电 阻 Ｒ 值 为
１１２．５ｋΩ。
ห้องสมุดไป่ตู้
３．２．２ 积分电阻 ＲＩＮＴ 外接的积分电阻 要 足 够 大，以 保 证 在 输 入 电 压 范
围内的线性工作。积分电流取４μＡ，则积分电 阻 ＲＩＮＴ 的大小为
图 ４ 迟 滞 电 压 比 较 器 电 路 图
图 ２ 温 度 －电 压 变 换 电 路 图
２．２ Ｋ－℃ 变 换 及 放 大 电 路 由于 ＡＤ５９０的温控电流值与绝对温度对应，而在
习惯中温度显示一般 采 用 摄 氏 温 度，因 此 必 须 用 一 个 Ｋ－℃变 换 器 实 现 Ｋ－℃ 变 换。Ｋ－℃ 变 换 器 可 由 运 算 放 大器组成的加法器或减法器实现 。 ［５］ 图３为减法 器 组 成的 Ｋ－℃变换器及放大电路。
单片集成的电流源温 度 传 感 器 件，其 测 温 范 围 为 －５５
℃～＋１５０ ℃，其内部已作修正，具有良好的线性和互 换性，输出阻 抗 高 达 １０ ＭΩ，输 出 电 流 与 绝 对 温 度 成 比例，其温度－电流转换当量为 １μＡ／Ｋ。ＡＤ５９０ 工作 电 压 范 围 较 宽 ，一 般 为 ４～３０ Ｖ。
收 稿 日 期 ：２０１１－０２－２５ 基金项目：华南理工大学 电 气 信 息 与 控 制 国 家 级 教 学 实 验 示 范 中 心 创
新 项 目 （ｘｄｘ－ｙ９０９００３ｗ） 作者简介：张廷锋（１９６６—），男，广 东 汕 头，硕 士，工 程 师，南 校 区 电 工 电
子 实 验 中 心 副 主 任 ，从 事 电 工 电 子 实 验 教 学 与 研 究 工 作 ． Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｆｚｈａｎｇ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
温度－电压变换电 路 如 图 ２ 所 示，其 中 ＲＰ 为 精 密 电 阻 ，电 压 跟 随 器 对 前 后 级 电 路 起 隔 离 作 用 ，减 少 因 后
级电路的分流 作 用 给 电 流－电 压 变 换 电 路 带 来 的 附 加
误 差 。 图 ２ 的 输 出 电 压 ｕｏ１ 为
ｕｏ１ ＝ ＲＰ ×１０－６ Ｖ／Ｋ
一次积分阶段的时间 ＴＩＮＩ为电网工频周期 ２０ ｍｓ（ｆ＝
５０ Ｈｚ）的整 数 倍 时 具 有 无 穷 大 的 抑 制 共 模 干 扰 的 能
力。因此输入脉冲的周期 ＴＯＳＣ必须满足：
１ ０００×ＴＯＳＣ ×４＝２０ｍｓ×Ｎ
（４）
周期数 Ｎ 取 Ｎ ＝５ 时，则 ＴＯＳＣ ＝０．０２５ ｍｓ，故 振
（１）
若 ＲＰ＝１０ｋΩ，则ｕｏ１＝１０ｍＶ／Ｋ。
２．３ 比 较 器 比较器通过比较 系 统 温 度 值 和 设 定 温 度 值，并 输
出高低不同的电平，控 制 加 热 电 路 的 工 作。 图 ４ 所 示 为迟滞电压比较器电路图。采用迟滞电压比较器可以 防止继电器频 繁 动 作，损 坏 触 点 系 统。 图 中 ＵＲｅｆ为 控 制 温 度 设 定 电 压 （对 应 控 制 温 度 ），调 节 Ｒｆ与 Ｒ５的 比 值 可以改变比较器的 迟 滞 特 性，调 节 控 温 精 度。 对 于 热 惯性较大的系统，可 以 采 用 电 路 简 单 的 电 压 比 较 器 取 代 迟 滞 电 压 比 较 器 ，以 提 高 控 温 精 度 。
ＩＳＣＳＮＮ１ １１０－０２２０－３４４／９Ｔ５６
实 验 技 术 与 管 理 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
第
２８ 卷 第 １２ 期 ２０１１ 年 １２ Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．２０１１
月
４ ６
实 验 技 术 与 管 理
比，并 具 有 ＬＥＤ 显 示 驱 动 功 能，其 管 脚 排 列 如 图 ６ 所示。
图 ５ 驱 动 电 路 图
３．２ ＩＣＬ７１０７ 的 外 围 电 路 及 主 要 参 数 计 算
３．２．１ 振 荡 频 率 ｆＯＳＣ
ｆＯＳＣ ＝０．４５／ＲＣ
（３）
一般取 Ｃ＝１００ｐＦ，由于双积分型 Ａ／Ｄ 转换器第
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔｓ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｗｉｄｅ ａｎｄ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｍａｎｙ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ，ｔｒａｎｓｆｅｒ ｂｅ－ ｔｗｅｅｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ，ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ，ｓｉｇｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ，ｒｅｌａｙ ａｎｄ ｃｏｎｔａｃｔｏｒ，ａｎｏｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｙ ｏｆ ｎｉｘｉｅ ｔｕｂｅ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｅｘｔｅｎｄ ｔｏ ｏｔｈｅｒ ｓｕｂｊｅｃｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃａｎ ｂｅ ａｄｄｅｄ ｏｒ ｒｅｄｕｃｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｉａｌｔｙ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｌｅｖｅｌ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ａｄａｐｔｅｄ ａｓ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｕｒｓｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｕｂｊｅｃｔ ｆｏｒ ｓｔｕｄｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｉｎｎｏｖａ－ ｔｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
温度测量与控制电路创新实验设计
张 廷 锋１ ，邓 红 雷２ ，蓝 慕 云１
（１．华南理工大学 南校区电工电子教学实验中心，广东 广州 ５１０００６； ２．华南理工大学 电力学院，广东 广州 ５１０００６）
摘 要：设计了一个新颖的温度测量与控制的实验项 目，该 实 验 项 目 内 容 广 泛，涵 盖 了 电 工 电 子 技 术 中 的 受 控源、电流／电压变换、电压跟随器、信号放大 器、电 压 比 较 器、继 电 接 触 控 制、Ａ／Ｄ 转 换 以 及 数 码 管 显 示 等 内 容，还可以延伸到单片机、控制理论 等 学 科。 可 以 根 据 不 同 专 业、不 同 实 验 层 次 对 该 实 验 项 目 的 实 验 内 容 进 行 适 当 取 舍 ，非 常 适 合 作 为 学 生 的 综 合 设 计 性 实 验 和 课 程 设 计 项 目 。 关 键 词 ：实 验 项 目 ；温 度 测 量 与 控 制 ；综 合 设 计 性 实 验 ；创 新 实 验 中 图 分 类 号 ：ＴＰ ２７１；Ｇ６４２．４２３ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００２－４９５６（２０１１）１２－００４４－０３
３ ＩＣＬ７１０７ 和 数 码 管 构 成 的 温 度 显 示 电 路
３．１ ＩＣＬ７１０７ ＩＣＬ７１０７是 ＣＭＯＳ 构 造 的 自 动 稳 零 二 重 积 分 型
Ａ／Ｄ 转换集成器件，该器件与 许 多 教 科 书 中 介 绍 的 双 积分型 Ａ／Ｄ 转换器原理相似 。 ［６］ 它具 有 以 下 特 点 ： ［７］ 内含时钟振 荡 器 （外 接 Ｒ、Ｃ），差 动 输 入，高 共 模 抑 制
（２）
当ｔ＝０ ℃（即２７３Ｋ）时，ｕｏ２＝０Ｖ。同时ｕｏ２实现
０．１ Ｖ／℃ 的 电 压 输 出 。
图 １ 温 度 显 示 与 控 制 电 路 框 图
图 ３ Ｋ－℃ 变 换 及 放 大 电 路 图
２ 温 度 控 制
２．１ 温 度 传 感 器 本实 验 使 用 ＡＤ５９０ 集 成 温 度 传 感 器，ＡＤ５９０ 是
张 廷 锋 ，等 ：温 度 测 量 与 控 制 电 路 创 新 实 验 设 计
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值，或经 Ａ／Ｄ 变换器将放大后的模拟信号转换成数字 信号，并驱动数码 管 动 态 显 示 温 度。 也 可 以 采 用 单 片 机最小系统实现对温度测量和控制 。 ［４］
１０Ｒ１ ，则 ：
ｕｏ２ ＝１０（ｕｏ１ －ＵＲ）
１ 设 计 原 理
温度的测量与控制电路的基本组成如图１所示。 电路由温度传感器、Ｋ－℃ 变 换 电 路、放 大 电 路、温 度 设 置 、温 度 显 示 、功 率 输 出 等 组 成 。 温 度 传 感 器 的 作 用 是 把温度值转换成电 流 或 电 压 信 号，Ｋ－℃ 变 换 器 是 将 绝 对温度（Ｋ）转 换 成 摄 氏 温 度 （℃），经 放 大 后 送 入 比 较 器与预先设定的电压 （控 制 温 度）进 行 比 较，由 比 较 器 输出电平来控制执行 机 构 （如 继 电 器）工 作，对 保 温 箱 进行加热，实现对 温 度 的 自 动 控 制。 温 度 显 示 是 将 电 压定标（０．１ Ｖ／℃）后，由 数 字 电 压 表 直 接 显 示 温 度