基于测温二极管传感器的温度测控电路设计.doc

扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题 目： 基于测温二极管传感器的温度测控电路设计 课 程： 传感器与测控电路课程实习 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控0802 姓 名： 学 号： 总 目 录第一部分：任务书 第二部分：课程设计报告第三部分：设计电路图第 一 部 分任务书传感器与测控电路课程实习课程设计任务书课题：基于测温二极管传感器的温度测控电路设计温度是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关，也是仪器科学和各类工程设计中必须精确测定的重要物理量。随着科学技术的发展，使得测温技术迅速发展，测温范围不断拓宽，测温精度不断提高，新的温度传感器不断出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器等。由于检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式不同，所以相应的硬件和软件也就不同。但对于初次涉足电子产品的设计、制作来说，了解并实践一下传感器选择与测控电路的设计、制作的基本过程是很有必要的。由于所涉及的知识面很广，相应的具体内容请参考本文中提示的传感器原理及应用，测控电路，模拟电子技术基础实验与课程设计，电子技术实验等书的有关章节。一、基于测温二极管传感器的温度测量控制电路设计简介应用1N4148二极管的温度传感器与集成运放设计温度测量与控制控电路，测量温度的范围为-65200，工作电路输出二值输出；电路输出控制继电器工作，实现加热与制冷的转换控制，把控制对象温度控制在要求的范围之内（4060）。要求测控电路具有加热和制冷的指示功能。二、基于测温二极管传感器的温度测控电路设计的工作原理本课题中测量控制电路组成框图如下所示：电路工作过程为：由二极管IN4148作为温度传感器采集温度信号，经差动放大后，送到预先调试好的相关温度控制比较电路进行比较，当温度低于控制温度下限值时，红色发光二极管亮，继电器1动作，控制加热器开始加热。当温度高于控制温度上限值时，绿色发光二极管亮，继电器2动作，控制制冷器开始制冷。当温度在设定温度上下限之间时，红色和绿色发光二极管全熄灭，继电器全断开，不加热也不制冷。因此从以上不同的状态显示就可以知道温度情况及温度控制情况。注意事项 为避免测温二极管本身通电产生的温度升高对测温的影响，电路设计时注意不要使通过 测温元件的电流超过1mA。三、设计目的 通过设计了解如何运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试，学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。1、掌握传感器选择的一般设计方法；2、掌握模拟IC器件的应用；3、掌握测量电路的设计方法；4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力。四、设计要求及技术指标1、设计、组装、调试测控电路； 2、温度控制范围：4060；3、使用环境温度：常温 4、输出信号：二值输出控制继电器工作；5、温度范围控制，制热和制冷指示功能；6、非线性误差：±1。五、设计所用仪器及器件1直流稳压电源2万用表3运放LM3244电阻、电容若干、红、绿发光二极管5温度传感器1N41486万能电路板7电烙铁等六、日程安排1布置任务、查阅资料，方案设计；（2天）根据设计要求，查阅参考资料，进行方案设计及可行性论证，确定设计方案，画出电路图。2上机用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试； （2天）要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。3电路的装配及调试；（3天）在万能板上对电路进行装配调试，使其全面达到规定的技术指标，最终通过验收。4总结撰写课程设计报告。 （1天）七、课程设计报告内容：总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：1课程设计的目和设计的任务2课程设计的要求及技术指标3总方案的确定并画出原理框图。4各组成单元电路设计，及电路的原理、工作特性(结合设计图写) 5总原理图，工作原理、工作特性（结合框图及电路图讲解）。6电路安装、调试步骤及方法，调试中遇到的问题，及分析解决方法。7实验结果分析，改进意见及收获。8体会。八、电子电路设计的一般方法：1仔细分析产品的功能要求，利用互连网、图书、杂志查阅资料，从中提取相关和最有价值的信息、方法。（1）设计总体方案。（2）设计单元电路、选择传感器、测量电路元器件、根据需要调整总体方案（3）计算电路（元件）参数。（4）绘制总体电路初稿（5）上机在EDB（或EDA）电路实验仿真。（6）绘制总体电路。2明确电路图设计的基本要求进行电路设计。并上机在EDB（或EDA）上进行电路实验仿真，电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件，利用这些软件可显著减轻了人工绘图的压力，电路实验仿真大大减少人工重复劳动，并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局，减少电路不同部分的相互干扰等等。3掌握常用元器件的识别和测试。电子元器件种类繁多，并且不断有新的功能、性能更好的元器件出现。需要通过互连网、图书、杂志查阅它们的识别和测试方法。对于常用元器件，不少手册有所介绍。4、熟练使用仪表，了解电路调试的基本方法。通过排除电路故障，提高电路性能的过程，巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5、独立撰写课程设计报告。 第 二 部 分课程设计报告目 录一、课题简介（1）1关于温度测控（1）2 温度测量的主要方法和分类（1）二、设计要求及技术指标（2）1设计的目的和设计的任务（2）1.1 课程设计的目的（2）1.2 课程设计的任务（2）2 课程设计的要求及技术指标（3）2.1 课程设计的要求（3）2.2 课程设计的技术指标（3）3 总方案及原理框图（4）3.1 设计总方案（4）3.2 原理框图（4）4 电路各组成部分的工作原理（5）4.1 温度转换电路的工作原理（5）4.2 差动放大电路的工作原理（6）4.3比较电路的工作原理（7）4.4驱动电路的工作原理（8）4.5总电路图（9）4.6电路的参数选择及计算（11）5 电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用（11）5.1传感器测控电路设计的一般步骤（11）5.2设计方案的选择（11）5.3传感器工作原理的分析、参数的计算与选择、传感器误差分析（11）5.4 基于传感器测控电路的结构设计（14）6 电路安装调试步骤及方法（15）6.1 总电路的安装与调试（15）6.2 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法（15）7实验结果分析（16）7.1实测数据记录及图形（16）7.2误差分析及改进方法（17）8 改进意见、收获、体会与总结（18）9 仪器仪表清单（19）参考文献（20）一、 课题简介1关于温度测控温度是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关，也是仪器科学和各类工程设计中必须精确测定的重要物理量。随着科学技术的发展，使得测温技术迅速发展，测温范围不断拓宽，测温精度不断提高，新的温度传感器不断出现，如光纤温度传感器、微波温度传感器、超声波温度传感器等。由于检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式不同，所以相应的硬件和软件也就不同。温度与温标温度不能直接加以测量，只能利用冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性进行间接测量。为了定量描述温度的高低，必须建立温度标尺，即温标。它是温度的数值表示。温度不仅是热学中主要热学量，而且也是国际单位制(SI)中七个基本量之一。国际温标规定热力学温度(T)单位为开尔文(K)，1K等于水三相点热力学温度的1/27316。而习惯上把水的冰点定为0，它比水三相点低001，所以摄氏度(t)与热力学温度(71)的关系为t=T-273.15 2 温度测量的主要方法和分类温度传感器由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成。温度测量方法按感温元件是否与被测介质接触分成接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温是使测温敏感元件和被测介质接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，感温元件与被测介质的温度相等。这类温度传感器结构简单、工作可靠、精度高、稳定性好、价格低、应用广泛。非接触式测温是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。它可测高温、腐蚀、有毒、运动物体和固体、液体表面的温度，但精度偏低。二、 设计要求及技术指标1设计的目的和设计的任务1.1课程设计的目的通过设计了解如何运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试，学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。1、掌握传感器选择的一般设计方法；2、掌握模拟IC器件的应用；3、掌握测量电路的设计方法；4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力1.2 课程设计的任务应用1N4148二极管的温度传感器与集成运放设计温度测量与控制控电路，测量温度的范围为-65200，工作电路输出二值输出；电路输出控制继电器工作，实现加热与制冷的转换控制，把控制对象温度控制在要求的范围之内（4060）。要求测控电路具有加热和制冷的指示功能。2 课程设计的要求及技术指标2.1课程设计的要求 通过设计了解如何运用电子电路来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试，学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。2.2 课程设计的技术指标1、设计、组装、调试测控电路； 2、温度控制范围：4060；3、使用环境温度：常温 4、输出信号：二值输出控制继电器工作；5、温度范围控制，制热和制冷指示功能；6、非线性误差：±1。3 总方案及原理框图3.1 设计总方案如图1所示，电路的总体设计思路为：将二极管因为温度不同而不同的电流值通过转换电路转换成电压值，再通过差动放大器，之后分成两路。一路通过同相比较器，当电压值大于设定值，则绿色指示灯亮，并通过驱动电路使制冷继电器带动电器工作。而另一路通过反相比较器，当电压值小于设定值时红指示灯亮，通过驱动电路带动制热继电器工作。使输出电压和温度维持在一定的范围之内。3.2 原理框图图3-2-1 总原理框图4 电路各组成部分的工作原理4.1 温度转换电路的工作原理 图4-1-1 温度转换电路原理图 图4-1-2 IN4148电流随温度变化特性曲线 如图4-1-1，该电路将二极管IN4148随温度变化的电流值转换为电压值。该电路为反向输入型转换电路， LM243为运算放大器，其输出电压正比于二极管电流，从而实现I/V转换。为保证一定的转换精度和适应范围，要求该转换电路有低的输入阻抗和输出阻抗。转换后的电压值与输入电流值成线性关系4.2 差动放大电路的工作原理图4-2-1 差动放大电路原理图 如图4-2-1所示为差分比例放大电路，输入电压、+12V的Vcc分别加在运放的反相端和同相端，为了保证运放输入平衡，要求输入电阻相等，故在实际操作时应当调节RP1使其左边电阻加上R6与R4相等，右边电阻加上R7与R5加上RP2的值相等。该电路的放大倍数为，这个值可以通过调节RP2来变化。电路的输出与两个输入端电压的差值成比例，实现差分比例运算。差分输入电路可有效地抑制共模干扰电压的影响。 4.3比较电路的工作原理图4-3-1 同相比较器电路原理图 图4-3-2 反相比较器电路原理图 如图4-3-1所示为同相比较器，所设定进行检测的门限电平由RP3调节，接至比较器的反相输入端，用来和同相输入端的输入电压进行比较，当输入电压大于设定值时输出正电压。图4-3-2所示为反相比较器，所设定进行检测的门限电平由RP4调节，接至比较器的同相输入端，用来和反相输入端的输入电压进行比较，当输入电压小于设定值时输出正电压。4.4驱动电路的工作原理 图4-4-1 驱动电路原理图 如图4-4-1所示电路，当输入电压为一定的正值时，发光二极管发光，同时使得三极管9013导通，带动继电器打开开关使设备开始工作。4.5 总电路图图4-5-1图4-5-2 4.6电路的参数选择及计算4.6.1方案一 见图4-5-1标注4.6.2方案二 见图4-5-2标注5 电路的设计、电路各部分工作特性及元件的作用5.1传感器测控电路设计的一般步骤图5-1-1设计一般步骤框图5.2设计方案的选择根据设计任务给定的被测参数(被测量)的种类及类型及精度要求和使用条件等因素，选择完成此设计任务的传感器的种类并组成框图，如图1l所示。图5-2-1设计传感器测控电路组成框图需要确定以下环节的种类及类型：(1) 了解敏感元件的种类及类型；传感(转换)元件的种类及类型；(2) 测量、控制电路的种类及类型及其要求；(3) 测控电路、主电路电源的种类及类型；(4) 辅助电源的种类及类型。以上几个环节，每种电路设计时不一定全用，可根据任务确定所需要的组成环节。5.3 传感器工作原理的分析、参数的计算与选择、传感器误差分析5-3-1传感器工作原理的分析根据测量的传感器性质，利用相关理论或数据推导或拟合出所设计传感器的数学模型。(1)对于拟合的数学模型可采用如下方法：采用数学归纳法找出实验数据的数学规律并用已知函数表示数学模型。将实验数据绘成光滑曲线与已知函数的曲线相对比，找出误差最小的已知曲线并用该已知曲线的函数作所求传感器的数学模型，该方法称经验模型法。采用高次多项式作所设计传感器的数学模型的方法。设：设计传感器的数学模型为 （11）再用判别法则(参见式(11)式(16)确定多项式的方次数，并要注意使用时次数和系数对曲线的影响。(2)利用相关理论推导数学模型的方法：将传感器的结构原理图，简化成物理模型(或力学模型)，根据物理(力学)模型应用相关理论建立数学模型的方法(见磁电式传感器建立数学模型的方法)。5-3-2传感器参数的计算与选择根据所建立的数学模型，设计、计算数学模型中的结构系数及相关系数。(1)对于用实验数据拟合的数学模型式(1-1)中的结构系数的确定，可采用最小二乘法求得其值的大小。(2)对于通过相关理论建立的数学模型，一般情况下都是动态数学模型，且通常为二阶系统模型，即 （1-2）式中：为结构系数。其求法是，先求式(3-2)的传递函数： （1-3）式中 固有频率， 阻尼比，再求出频率传递函数： （1-4）式（3-4）的幅值比为 （1-5）由题目给定的线性度±%F·S，则式（3-5）应满足y/x±%F·S则有 （1-6）因此当时，求得（数值）因此当时，求得（数值）通常有A>B，理论分析可知：当/03，且=0.60.7时，yx，取A，B中大于3的那个值，如取A，则有/0=A，因为输入x的变化角频率是已知的，故求得0=/A （1-7）再由及，求得结构系数各值。5-3-3传感器误差分析根据以上求得的数学模型，将其进行线性化处理得到线性数学模型，再进行下面的误差分析：（1）非线性误差（线性度）（2）零位误差（3）静态误差（4）动态误差（5）综合静态误差（6）温度误差以上误差的计算按教材中定义或计算公式进行。5,.4 基于传感器测控电路的结构设计根据以上误差分析的结果，来确定所设计的测控电路是否需要采用差动式、补偿式或闭环式等结构形式，或采用电路补偿或软件处理等方式来消除误差因素的影响，最后确定所设计测控电路的结构形式。在结构设计中还要通过结构的稳定性(主要是温度的影响)的分析设计，求得结构中各组成元件满足温度补偿条件的各种材料的温度系数值，按计算出的温度系数各值，来确定结构中各组成元件的材料种类。6 电路安装调试步骤及方法6.1 总电路的安装与调试 1)安装U1A及外围电路。 注意二极管VDl需要焊接两根长线，引出电路板。 分析：为什么随着温度的升高，UO1降低。 2)安装U1B及外围电路。 在室温下调整RPl，使U1B的输出UO2为室温时的电压输出(当量为10mV)。将VDl放入热水(4050C)中，调整RP2，使U1B的输出UO2正确。注意应反复调整电位器RPl、RP2，使UO2输出正确。 3)安装U1C和U1D及它们控制的继电器。 调整RP3，使a点的电位对应控制温度上限值y1；调整RP4，使b点的电位对应控制温度下限值y2，U1C和U1D分别控制继电器K1和K2。 当温度低于控制温度下限值y2时，红色发光二极管亮，K2继电器吸合，控制加热器开始加热。 当温度高于控制温度上限值y1时，绿色发光二极管亮，Kl继电器吸合，控制制冷器开 始制冷。 当温度在设定温度上下限之间时，红色和绿色发光二极管全熄灭，K1、K2继电器全断 开，不加热也不制冷。因此从以上不同的状态显示就可以知道温度情况及温度控制情况。6.2 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法测温二极管本身通电产生的温度升高对测温的影响，电路设计时注意不要使通过测温元件的电流超过1mA。7实验结果分析7.1实测数据记录及图形红灯绿灯温度电压灭亮893.9495灭亮863.9270灭亮823.9014灭亮793.8845灭亮763.8562灭亮733.8298灭亮713.8013灭亮683.7773灭亮653.7460灭亮623.7184灭灭593.6824灭灭563.6536灭灭533.6226灭灭503.5889灭灭473.5563灭灭443.5262灭灭413.4891亮灭383.4570亮灭353.4175亮灭323.3867亮灭293.3584亮灭263.3320亮灭233.3144亮灭203.2938亮灭173.2832亮灭143.2650表7-1-1 实测数据记录表7.2误差分析及改正方法7.2,1非线性误差（线性度）图7-2-1 差动输出电压与温度之间关系图及最小二乘法拟合直线如图7-2-1所示虚线段为实测曲线，实线段为最小拟合直线由最小二乘法拟合直线公式 得拟合直线的表达式为：y=kx+b=0.00992x+3.090964非线性误差：=0.5494%7.2.3造成误差的可能原因及改正方法1）使用条件如温度振动或电源电压的变化。我们可以尽量避免实验桌面的振动，用袋子将温度计与传感器放一起，保证两者的温度相同等。2）实验仪器的电气或机械性能不完善所造成的误差，例如仪器校准不好、刻度不准等。为了消除这类误差，测量仪器的安防必须遵守使用规则，例如水平放置，电表间必须远离，并注意避开过强的外部电磁场影响等。3）因测量者自身特点引起的误差，例如温度计示数随温度变化时，有人习惯等温度到特定值时再计数，而有人习惯在温度快降到特定值时就等着计数。为消除这类误差，应提高测量技能，改变不正确的测量习惯和改进测量方法，并在整个测量过程由一个人读数另一人计数。8 改进意见、收获、体会与总结 这周的实习是在我们完成模电和数电设计之后的又一次课程设计。有了之前的基本设计方法和经验，这次得设计任务可以说是得心应手，完成的速度快了很多。课程设计可以总分为两部分。一部分是计算出温度传感器的各部分器件参数，设计电路，画出实际接线图。另一部分是利用我们画出的接线图进行实际的焊接调试，将实际测量数据与估算数据进行比较。在此次的设计过程中,我们更进一步地熟悉了如LM324,9016，IN4148等芯片或器件的结构，掌握了它们的工作原理和其具体的使用方法。对一般器件及芯片的应用有了更进一步的了解。把学到的东西与实践相结合，增强了我们的实际操作动手能力，对学过的知识有了更深理解。我们分两人一组进行课程设计。先是自己设计电路图并给老师检查。由于我们焊接时是根据老师所给的电路图，所以只需要画好实际焊接图后按照老师所给的实验器件参数进行焊接，为了锻炼我们自身的能力，我们决定一人焊接一半的电路。紧接着我们进行了第一次调试，出现一只二极管不发光且示数变化范围过小的问题。我们就这个问题对电路进行了再一次的检查，结果发现焊接线路中有一个焊点没有焊好，之后在老师的帮助下，我们的电路板很快出现了稳定且正确的测试结果。整个的学习、设计、焊接过程中，可以说收获颇丰。共同的努力加强了我们的与他人的合作能力，而且让我们更加明白了理论与实践之间的连接需要经验和汗水。并且最重要的是我领悟到了做任何的事情都离不开细心的观察和大胆的假设，在不断的检查与改正中提高自身能力。 总而言之，这次的课程设计为我们以后走上工作岗位奠定了一定的基础，为我们踏入社会进行了一次实际演练。9 仪器仪表清单 焊接电路板 1个 运算放大器LM324 1片三级管9013 2个 二极管IN4148 3个 继电器 2个 发光二极管 红、绿各1个 电阻 若干 导线 若干 直流稳压电源 ±5v、±12v电烙铁 1个 万用表 1个水银温度计 1个电水壶 1个参考文献1 童诗白主编.模拟电子技术基础(第三版).高教出版社.20012 于卫主编. 模拟电子技术实验及综合实训教程.华中科技大学出版社.20083 张国雄主编. 测控电路(第三版).机械工程出版社.20084 陈杰、黄鸿主编. 传感器与检测技术.高等教育出版社.20025 电子技术类杂志、报刊第 三 部 分 设 计电路图实物图