温度测量课程设计.docx

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温度测量课程设计

1选题背景……………………………………………………………………………1

设计任务………………………………………………………………………1

设计要求………………………………………………………………………1

指导思想………………………………………………………………………1

2方案论证……………………………………………………………………………1

方案论述………………………………………………………………………1

方案选择………………………………………………………………………2

3进程论述……………………………………………………………………………2

温度收集及电阻/电压转换电路………………………………………………3

放大电路………………………………………………………………………5

控制电路………………………………………………………………………6

A/D转换器……………………………………………………………………7

显示电路………………………………………………………………………8

3．6调试方式………………………………………………………………………8

4结论或总结…………………………………………………………………………8

参考文献………………………………………………………………………………10

附：

1系统原理总图…………………………………………………………………11

2元器件清单……………………………………………………………………12

1选题背景

设计任务

利用PT100温度传感器（电阻值随温度转变），设计传感器放大电路，将传感器的电阻值转变成0~5V电压信号，将温度值显示出来。

再设计控制电路，控制一个300W电热杯温度，使其能够稳定在设定的温度值。

设计要求

1）设计以测量显示部份电路为主；

2）要绘制原理框图；

3）绘制原理电路；

4）要有必要的计算及元件选择说明

5）提供元件清单；

6）设计印刷线路板；

7）若是采用单片机，必需绘制软件流程图

指导思想

Pt100是电阻式温度传感器，测温的本质实际上是测量传感器的电阻，一般是

将电阻的转变转换成电压或电流等模拟信号，然后再将模拟信号转换成数字信号，再由处置器换算出相应温度。

2方案论证

方案论述

方案一基于ICL7107的温度测量数显控制仪

本方案的设计电路由稳压电路、温度收集、电阻/电压转换器、控制电路和显示电路组成。

其中，温度收集传感器采用热敏电阻铂Pt100，A/D转换器用ICL7107（双电源±5V供电，适合驱动发光二极管显示），共阳数码管用ICL7107

控制。

本方案用到了ICL7107，电路中的A/D转换电路与数码显示电路都由其控制与组成，因此在设计具体电路时，要针对ICL7107进行合理的设计。

而电阻/电

压转换电路由运放电路组成，Pt100是电阻/电压转换电路的核心部份。

该方案的设计方框图表示如下

图2-1基于ICL7107的温度测量控制原理方框图

长处：

电路组成明确且设计合理，能够较为理想的实现实验设计要求。

缺点：

电路所用元器件较多，调试比较复杂。

方案二基于AT89S51型单片机的温度测量控制显示系统

利用铂热电阻的感温效应，将随被测温度转变的电压或电流收集过来，进行A/D转换后，选用AT89S51型单片机作为主控制器件进行数据的处置，在显示电路上，就可以够将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，通过4位共阳极LED数码管并口传送数据，实现温度显示。

另外在外加的报警电路方面控制也比较方便。

图2-2方案二设计框图

方案选择

整体说来，我以为方案一比较适合本次课设。

原因有以下几点：

方案一设计合理，电路组成明确且易于操作，不用编写调试程序；方案二虽然组成要例如案一简单，但涉及到编程及调试，对学生的软件知识要求较高，由于水平有限，暂不考虑。

综上所述，我以为采用方案一是合理的选择。

3进程论述

温度收集及电阻/电压转换电路

图3-1温度收集及电阻/电压转换电路图

温度收集主要用到了铂电阻Rt100的温度传感特性。

PT100温度传感器是一种以铂（Pt）做成的电阻式温度传感器，属于正电阻系数,其电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示：

在0～650℃范围内：

Rt=R0（1+At+Bt2）

在-200～0℃范围内：

Rt=R0（1+At+Bt2+C（t-100）t3）

式中A、B、C为常数，

A=×10-3；

B=×10-7；

C=×10-12；

由于它的电阻—温度关系的线性度超级好，因此在测量较小范围内其电阻和温度转变的关系式如下：

R=Ro（1+αT）

其中α=,Ro为100Ω（在0℃的电阻值）,T为华氏温度，因此铂做成的电阻式温度传感器，又称为PT100。

PT100温度传感器的测量范围广：

-200℃～+650℃，误差小，响应时间短，还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等长处，其取得了普遍的应用，本设计即采用PT100作为温度传感器。

主要技术指标：

测温范围：

-200～650摄氏度

测温精度：

摄氏度

稳定性：

摄氏度

当温度发生转变时，铂电阻的阻值会发生转变，而铂电阻的阻值又与温度呈现一一对应的关系，具体对应关系见下表：

分度号Pt100R0=Ω

（℃）

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-50

-40

-30

-20

-10

0

100

0

100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

174

220

230

189

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

223

340

350

360

370

237

380

390

246

400

410

420

430

258

440

450

460

470

480

490

500

510

520

530

.

540

550

300

560

570

表3-1鉑电阻分度表

测温电桥的设计

PT100热电阻在室温下的电阻值约为105Ω～107Ω之间，PT100允许通过的最大电流为5mA。

故选择10Ω的固定电阻与之串联组成相邻的两个桥臂。

若采用5V供电，则PT100上通过的电流为5/10050=，不超过5mA，知足设计要求。

考虑到可调电位器的滑片容易发生微小的滑动，造成实验误差，故应使电路中的可调电位器的调节范围尽可能大。

实际应用中常采用大的固定电阻串联小的可调电位器的方式实现电阻值的微调。

因此，与PT100相对的桥臂选用100Ω的固定电阻。

与10Ω的固定相对应的桥臂选择1kΩ的可调电位器和kΩ的固定电阻串联组成。

电阻/电压转换电路将铂电阻的阻值转换为实时电压，从而实现了对温度的收集和信号的转换。

放大电路

在许多需要A/D转换和数字收集的系统中，多数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必需通过一个模拟放大器对其进行必然倍数的放大，才能知足A/D转换器对输入信号电平的要求，再次情况下必需选择一种符合要求的放大器。

放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，按照查阅的相关资料，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采用自制的三运放结构，如下图3-2所示，三运放中由A一、A2组成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤其重要，不仅包括外围的电阻元件R5与R7、R8与R9、R10与R11，还包括A1与A2放大器的一致性

图3-2放大电路

控制电路

这里，我主要讲述控制电路中的电压比较器电路

图3-3电压比较器电路

电压比较器主要用于控制加热设备或制冷设备的通断，其控制原理如下：

在图3-3中，上下电路大体对称，上下各有电位器Rp1,Rp2，和继电器k1，k2。

调整Rp1可以控制温度上限值y1，调整Rp2可以控制温度上限值y2。

上下两运放别离控制继电器k1，k2。

若温度超过上限值y1，上面的绿色发光二极管亮，k1继电器吸合，控制制冷器开始制冷。

当温度低于控制温度下限值y2时，下面的红色发光二极管亮，k2继电器吸合，控制加热器开始加热。

K1控制的加热器加热电热杯。

当温度在设置的上下限之间时，红色和绿色的发光二级管都不亮，k1，k2全断开，不加热也不制冷。

因此从以上不同状态显示就可以够知道温度情况及温度控制情况。

3.4A/D转换器

A/D转换器采用美国Harris公司的ICL7107（双电源±5V供电），它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动发光二极管（LED）。

内部设有参考电压、七段译码器、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零、参考源和时钟系统等功能。

将高性能、低功耗和低本钱很好的结合在一路，它有低于10µV的自动校零功能，零漂小于1µV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。

真正的差动输入和差动参考源普遍用于各类单片测量单元。

可用于组装成各类数字仪表或数控系统中的监控仪表，普遍用于电压、电流、温度、压力等各类物理的测量。

封装形式有DIP40、LQFP44或QFP44等。

图3-4A/D转换

C1为外接积分电容，R1为外接积分电阻，C2为自动调零电容，C4为基准电容，C5、R6为内部时钟振荡器的外接电容、电阻。

具体的元件参数已经在途中给出，在这里就再也不赘述。

振荡频率

f=R6C5

R6=100K、C5=100PF,则主振频率为45kHz,采样时间为每秒3次。

IN+为外加信号输入端；IN-为输入基准信号零点，VREF+为基准信号端子。

当基准信号调到0～2V时，外加信号的输入也在0～2V，LED对应显示0～1999，相当于1mV对应1个字。

当输入信号超过上限量程时，千位数码管显示1，而其余三位数码管全无显示；当输入信号超过下限量程时，千位数码管显示-1，而其余三位数码管全不显示.正电源通过R7限流电阻向共阳极数码管供电，改变R7可改变数码管的亮度。

A/D转换器可以说是整个设计电路的核心部份，而ICL7107则是A/D转换电路的核心部份。

了解ICL7107的利用方式及原理，对于整个电路设计直观重要。

显示电路

图显示电路

当温度测量完以后，要通过显示电路将测量值显示出来。

显示电路由ICL7107和数码管组成。

其中，数码管是LG5011BSR,采取共阳极接法，即阳

极接到电源正极，其余的各个管脚与ICL7107的管脚一一对应连接。

调试方式

铂电阻有很长的导线，可做延伸很长测量，测量时只需将铂电阻置于要测量的位置，即可从LED数码管上读出具体的温度值。

调试前先准好0℃冰水各100℃的滚水。

调试方式如下：

将调沸点的电位器调最上端，使Vref为最高电压，把铂电阻置于0℃的冰水中，调节调沸冰点电位器，使四只LED数码管显示的读数为“00.0”

将铂电阻100℃的滚水中，调节调点电位器，使得四只LED数码管显示的读数为“100.0”，

4结论或总结

本次课程设计为综合设计设计，实验要求及设计指标都不是很难。

通过本次课程设计，我通过自己查阅资料，独立思考，温习了以前学过的模电知识，也用到了传感器和测控电路的一些知识，将模拟电子技术、数字电子技术相结合，在整体的电路图设计上有了必然的经验积累。

在设计进程中，我了解熟悉到了ICL7107，也对A/D转换原理有了必然的了解与熟悉。

另外，对数码管显示电路知识又有了一次巩固的进程。

本次课程设计最遗憾的是不能作出实物，只能设计原理图，但这样对课程设计的要求就降低了，虽然这样，我感觉收获很大。

但总而言之，本次实验我收获颇丰。

总原理图

元器件清单

名称

规格

数量

名称

规格

数量

电阻

10Ω

1

AD转换器

ICL7107

1

100Ω

4

共阳数码管

LG5011BSR

4

10k

2

继电器

CURRENT_CONTROLLED_SWITCH

2

5．1k

4

二极管

IN4148

2

7k

2

发光二极管

LED-green

1

LED-red

1

1k

7

电容

102PF

2

300Ω

2

2

4．7K

2

3

4

电热器

300W

1

电位器

11k

1

制冷设备

1

5k

2

温度传感器

PT100

1

1k

1