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3、智能温度传感器;
4、通用智能温度控制器;
5、微机散热保护专用的智能温度控制器。
集成温度传感器的主要应用领域有以下2个方面:
1.温度测量:
可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。
2.温度控制:
适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。
温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。
这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
第二章温度测量仪的设计方案
2.1设计方案的选择
方案一:
此方案数字温度计电路设计总体设计框图如下图所示,控制其采用单片机AT89C51度传感器采用DS18B20,用四位LED数码管以串行口传送数据实现温度显示。
图2.1总体设计框图
优点:
数字温度计精度高、灵敏度高测量范围广。
缺点:
调试复杂、制作成本较高、部分知识暂时没有学习,实现此方案有困难,不予采用。
方案二:
作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶,与铂热电阻一起,约占整个温度传感器总量的60%,热电偶通常和显示仪表等配套使用,直接测量各种生产过程中-40~1800℃范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。
本方案采用的是以8051系列的AT89C2051单片机为核心开发热电偶测温的系统。
系统硬件原理框图如下图:
图2.2系统框图
系统框图如图2所示,热电偶传感器采集到温度信号传送给信号处理模块,信号处理由Max6675单芯片构成,它是Maxim公司新近推出的一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。
它与单片机通信读出温度值,经过线性化处理后发给显示电路显示,显示电路是由四位独立数码管组成。
应用范围广、测量准确度高、稳定性好、测量范围广、使用寿命长、
热电势率较低、灵敏度低、制作成本较高、不适用于还原性气体以及金属或非金属蒸气环境下进行温度测量,实现此方案有困难,所以不予采用。
方案三:
温度测量仪经过下图3过程完成,当被测温度高于报警温度则会出现LED变亮,蜂鸣器报警的效果,同时也可以利用电压表读出被测对象温度。
图2.3温度测量仪原理框图
其中,每个框图作用如下:
1.K—℃变换电路:
将开尔文温度转变为绝对温度℃;
2.放大电路:
经过运算放大器实现电压的放大作用;
3.电压比较器:
运用差分放大电路原理将电压进行比较,得到摄氏温度与输出电压的关系。
4.报警设备:
当温度超过50摄氏度时,报警设备将会报警,如LED亮或者蜂鸣器响。
2.2温度测量仪设计思路
(1)选择被测对象,经过温度传感器AD590将温度转换为电流,然后经过温度-电压变化,转化为电压;
(2)转化的电压再经过K—℃变换电路转化为绝对℃;
(3)再经过反相比例放大电路,将电压值放大;
(4)最后利用差分放大电路,将电压进行比较,通过驱动电路进行报警,超过设定温度,发光二极管将会变亮。
测温误差小、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
部分元器件价格较贵。
综上所述:
从电路结构、安装难易、成本计算、性能指标多方面考虑为最佳因此选择方案三。
第三章单元电路的设计
3.1温度—电压转换单元电路
图3.1温度—电压变换电路
AD590温度传感器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流。
AD590的主要特性如下:
·
流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数。
AD590的测温范围为-55℃~+150℃。
AD590的电源电压范围为4V~30V。
电源电压可在4V~6V范围变化,电流变化1mA,相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。
AD590最重要的特性是:
度每增加1℃,它会增加1μA输出电流。
AD590的接口电路十分简单,不需要外围温度补偿和线性处理电路,便安装调试。
AD590的管脚图及元件符号如下图所示。
图3.2AD590管脚(第三个脚可以不用,是接外壳做屏蔽用的)
图3.3AD590元件符号(1管脚接电源;
2管脚输出电流)
AD590基本应用电路如下图所示。
图3.4AD590基本应用电路
单元电路元器件选用参数说明:
1、R6=10KΩ(便于计算)
2、在该电路中,利用了UA741作为电压跟随器
电压跟随器的特性如下:
隔离缓冲。
电压跟随(极性不变)。
电压放大倍数为一倍,只是改善输出量的输出质量,不改变输出值。
利用电压跟随器的隔离缓冲作用确保了AD590输出的电压值稳定。
3、用直流电流源代替AD590。
根据AD590的特性,温度每升高1℃,电流增大1μA。
利用串联的10K电阻进行电压采样,可以将实现温度与电压间的转换。
计算公式如下:
10K×
(273+T)μA=(2.73+0.01T)V(T为温度)
3.2基准电压产生单元电路
利用AD590的基本应用电路可得到电压U=(2.73+0.01T)V,即AD590的温控电流值是对应热力学温度K,而在温控中需要采用摄氏温度℃
,需要设计电路消去关系式中的2.73V,消去2.73V后,就得到了输出电压U与摄氏温度T的关系。
需要设计一个得到恒压2.73V的电路。
为了得到2.73V电压,可使用下图电路:
图3.5基准电压产生单元电路
1、
与
分别取值为10
与20
有利于参数的计算。
2、直流电源+3V与
、
串联分压
作为放大器的输入电压。
3、为了得到基准电压选10
的电位器,将其调至3.6
。
4、
便于参数的计算更加简单的得出电流从而得出2.73V的
基准电压。
5、
为10
电位器为了调试后更精准的得到3.6
的电阻从而更简单
的得到基准电压2.73V。
6、UA741为放大器,放大电压
理论计算:
利用放大器虚短、虚断的原理可得
3.3差分放大电路
图3.6差分放大电路
差分放大电路(上图)的作用是消去关系式
=(2.73+0.01T)V中的2.73V,并对信号进行放大。
利用差分放大电路得到输出
=10(
-
)=
V。
这样就得到了摄氏温度与输出电压的关系。
利用数字电压表就可以测量出当前的温度了。
如果当前的温度为28℃,则测出的电压为2.8V。
控制其放大倍数;
2、
根据资料得出的经验值;
3、利用
进行差分放大。
为100
,为了与
成10倍关系,从而可以得到电压增益
为10,可将电压放大十倍。
3.4报警原理图
图3.7报警显示图
利用放大器构成的比较器,将放大器的正向端电压与负向端比较。
如果正相输入端电压小于反向端电压,输出低电平,LED不亮;
当正向端输入电压大于等于反向端电压时,LED亮,因此可以实现报警。
1、电阻R5是为了保护二极管LED1;
2、LED灯将可以在得到正向电压时也就是温度高于50℃变亮从而实现
报警;
3、蜂鸣器是在温度高于50℃进行声控报警度;
4、U3放大器进行电压值的比较;
5、R4保护电路
6、+5v电源作为比较的基准电压
3.5Multisim仿真图
根据第三章的分析,我们将设计完整的电路图,如下图:
3.5.120℃时的仿真
3.5.249℃温度时的仿真
3.5.3大于50℃时的仿真
第四章PCB板的制作
按照原理图,我们画好PCB图:
第五章综合调试
5.1硬件电路排查
采取检查器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致,在电路板中是否存在虚焊、短路、断路等现象。
5.2排除电源故障
在通电前,首先检查了电源电压的幅值和特性,避免造成集成块损坏。
检查无误后,接通+5V电源给AD590供电,接通+12V、-12V电源UA741芯片供电。
5.3元器件调节
调节电位器R6,测试跟随电压达到室温所对应的开尔文温度,将已调试好的R7=20KΩ装入电路板,调节R10使基准电压达到绝对零度所对应的开尔文温度(273K),测试差分放大电路所得电压所得电压是否为室温多对应的摄氏温度值。
如果有误差则调节电位器R2或R3,使它为室温多对应的摄氏温度值。
5.4测量结果
本设计经过一定程度的改进,可以进一步调节报警温度。
1、以下是设定报警温度为50℃时进行测量的结果:
经过实验测得AD590输出电流I与摄氏温度T与输出电压U及开尔文温度K的关系如下表:
K/开尔文
T/℃
Io/μA
U/V
LED灯报警现象
蜂鸣器报警现象
301.7
28.7
273+28.7
2.9
不亮
没出现鸣叫
303
30
273+30
3.01
305
32
273+32
3.26
308
35
273+35
3.58
310
37
273+37
3.75
323
50
273+50
5.01
亮
出现鸣叫
2、以下是设定报警温度为33℃为例进行测量:
295
22
273+22
2.23
306
33
273+33
3.31
由以上测试结果分析可得AD590的输出电流值说明如下:
其输出电流是以绝对温度零度(273k)为基准,每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在T℃时,其输出电流Io=(273+T)μA。
经过多次测试得出测试结果并分析可得该温度测量仪可从27℃到100℃范围内进行温度设定实现报警,并且测试结果精准,报警信号无误,经过电压表显示测量温度误差较小。
第六章材料清单及电路相关参数
6.1材料清单
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
PCB实验板
86*56
1块
2
集成温度传感器
AD590
1个
U5
3
集成运算放大器
uA741
4个
U1-U4
4
电阻
1/4W1K
R5
5
1/4W10K
R1/R4/R11/R12
6
直流电源
12V/1A
J1
7
-12V/1A
J2
8
5V/1A
J5
9
电位器
10K
R10
10
20K
R9
11
50K
R7
12
200K
2个
R2/R3
13
蜂鸣器
LS1
14
LED灯
D1
6.2元件参数
AD590参数:
·
工作电压:
4~30V;
·
工作温度:
-55~+150℃;
保存温度:
-65~+175℃;
正向电压:
+44V;
反向电压:
-20V;
焊接温度(10秒):
300℃;
灵敏度:
1μA/K。
第七章电路原理图
第八章总结报告
主要参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]康华光.电子技术基础模拟部分(第五版).高等教育出版社.
[5]
[6]
[7]
[8]
附录A实物图
致谢
经过团队的不断努力以及老师的耐心指导和热情帮助,本设计已经基本完成。
在这段时间里,通过多次向老师的请教,最初的拟稿至最后的定稿,这其中凝聚了老师大量的心血和汗水。
龙老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩,她的指导使我受益非浅。
同时实验室的开放也为我们的设计提供了实习场地,在此对指导老师和实验室的老师表示深深的感谢。
感谢那些曾经帮助过我的老师、同学、朋友们!
正是由于各位的倾心指导、谆谆教诲、鼎力相助,使我得以顺利的完成课程设计,再一次向你们表示感谢。
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