温度测量与控制电路

温度测量与控制电路

摘要

温度是一个与人们生活和生产密切相关的重要物理量。温度的测量和控制技术应用十分广泛。在工农业生产和科学研究中，经常需要对某一系统的温度进行测量，并能自动的控制、调节该系统的温度。

本设计主要结合模拟电子技术和数字电子技术的基本知识来实现温度测量与控制，温度测量电路运用铂热电阻温度传感器，控制电路是通过两个电压比较电路来实现，声光报警装置采用LED和蜂鸣器构成。工作原理主要是利用温度传感器把系统的温度通过A\D转换电路将电信号转换成数字信号，并通过与之连接的译码电路中显示出来，译码显示部分应用有内置译码器的四输入数码管完成，而8位二进制数到8421BCD码的转换由74185来实现。同时电压信号通过电压比较器与输入电压比较决定输出是高电平或是低电平，进而控制下一个电路单元的工作状态。调温控制电路中，测量温度大于设定温度时，控制电路接通降温设备对其降温，测量温度小于设定温度时，控制电路接通加热设备对其加热。报警系统是将测量温度与上下限温度通过电压比较器比较。

关键字

温度传感器差动放大电路二阶低通有源滤波器 A/D转换电压比较器控制温度声光报警

设计要求

1. 测量温度范围为20℃～165℃，精度 0.50℃；

2. 被测量温度与控制温度均可数字显示；

3. 控制温度连续可调；

4. 温度超过设定值时，产生声光报警。

第一章系统概述

1．方案比较

方案一：

系统方框图如图1所示，温度传感器测量被测量的温度，转换成电压信号后经过滤波消除干扰信号，放大电路将所测信号幅度与后续电路的工作范围做一匹配，所得有用信号经过A/D转换专职转换成数字信号。此数字信号经三条路径：其一，进入超限报警装置与所设定的温度范围进行比较，若超限则发出声光报警;其二，经过码制转换后进入数码管显示当前所测温度；其三，进入数字比较器与输入的控制温度进行比较，产生温度控制机构的工作信号，同时显示输入的控制温度。此系统可以对被测体的温度进行实时跟踪测量，并进行有效控制，总体上实现了温度的测量与控制。

图1

方案二：

系统方框图如图2所示，温度传感器用来测量被测体的实时温度并转换成电压信号，该电压信号经过滤波放大电路，成为有用信号分两路进入后续电路：一路进入A/D转换电路将其转换成数字信号显示；电压信号的另一路进入电压比较器，与输入控制温度电压信号进行比较，比较结果信号将驱动温度控制装置工作，对被测体的温度进行实时控制，电压比较器的比较结果将决定是否发出声光报警。此方案是将测量温度与输入控制温度转换成电压信号进行比较，从而实现了温度的控制。

图2

2、方案论证与选择

方案一是将所有的信号都转换成数字信号处理，只用了一步A/D转换，而且系统的主要处理部件均采用数字式的元器件，从而使信号的模式与之匹配，对于信号处理的精度就有了保证。但由于其上、下限温度限定电路复杂，远没有模拟信号设定轻松，故舍之。

方案二符合要求中控制温度与测量温度均可显示，利用单刀双掷开关经济有效的解决了这一问题。控制电路中以模拟信号为主，实现起来简单且准确。

综上所述，鉴于两个方案的优缺点，总体上比较后选择方案二作为我们此次温度测量与控制电路的设计方案。

第二章单元电路设计与分析

1、测温电路

测温电路是由传感器电桥、差动输入放大器、二阶低通滤波器组成的。

大多数金属电阻当温度上升时，其电阻增大，电阻率温度系数一般为0.4%~0.6%，电阻与温度的关系一般可以表示为：

R t=R to [1+α（t-t0）]

式中，R t为t℃时的电阻值；R to为温度为0℃时的电阻值；α为电阻率温度系数。

一般金属材料的电阻与温度关系为非线性的，故电阻率温度系数也随温度而变化。做温度测量的金属电阻要具有一定的灵敏度、温度测量范围、重复性、稳定性和线性，因此，用作测量温度的金属材料必须满足一下条件：

a、电阻温度系数大。其定义为：温度变化1℃时的电阻的相对变化值。电阻温度系数越大，测量灵敏度越高。

b、电阻率大。电阻率大可使电阻体积做得小些，减小热惯性。

c、在测温范围内，物理、化学性质稳定。

d、电阻与温度的关系要接近线性，以便于分度和读数。

e、重复性好、复制性强，便于批量生产和互换。

f、价格便宜。

常见铂测温电阻的标称电阻值为100Ω，温度系数是3850×10-6/℃。采用阻值为Rt=100Ω的铂金属热电阻为传感器，它有较高的测量精度，并且在较大的温度范围内有很好的线性，测温范围可达—250℃~+640℃。

（1）传感器电桥

铂热电阻测温的一个问题是其自身的电阻值小，一般为100Ω左右，新产品的电阻值最大也只有lkΩ左右，所以传感器到测量电桥的连线较长时，引线电阻就会带来测量误差。为了减小引线电阻对测量带来的影响，实现高精度的温度测量，该系统用了3线式连线，即热电阻有3根引线接到电器箱，其中两根线接测量电桥，一根线接地。

如图3，R1，R2，R13，RT组成测温电桥，RT为温度传感器。其呈现出的阻值与温度呈线性关系。由计算得测温电桥的输出电压为ΔU=UA-UB。

图3

（2）差动输入放大器，如图4

图4

（3）二阶有源低通滤波器

放大若信号后，干扰和噪声的影响是不能忽视的，干扰信号通过电源线耦合或传输线间的电容耦合到电路中，在电路中加上滤波电路是排除干扰信号常用的方法之一。本设计中所获得的信号一般都是低频信号，因此我们用低通滤波器排除干扰信号，进一步提高测量精度。我们所测的信号频率非常小，所以设置fc=50Hz，尽可能彻底的滤除干扰信号。

此二阶有源低通滤波器是由两节RC滤波器和同相比例电路放大器组成，其有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。

电路如图5