温度传感器之浴池温度湿度的测量.docx

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温度传感器之浴池温度湿度的测量

职业技术学院课程

设计报告

基于温度传感器设计的

浴池水温检测电路

姓名：

指导教师：

专业名称：

所在系部：

一、设计任务及要求：

设计任务：

完成水温检测系统的设计和电路制作

要求：

1.根据电路原理图要求选择高灵敏元件

2.设计电路做到各模块尽可能的协调工作

3.设计的产品测温电路集成度要高、安装要简便、性能要稳定

4.达到四位显示一位小数

指导教师签名：

2011年3月20日

二、指导教师评语：

指导教师签名：

2011年5月20日

三、成绩

2011年6月10日

摘要：

温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。

温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。

因此对温度的检测的意义就越来越大。

温度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。

在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。

使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率

关键字：

热电偶，ICL7107，

目录

1、传感器的构成及T型热电偶使用…………………………………………….5

2温度传感器测温组成方框图…………………………………………………….5

3、热电偶测温电路系统的工作原理……………………………………………….5

3.1热电偶测温电路系统的组成………………………………………………….6

3.2单片机控制热电偶测温电路原理图（见附录）…………………………….12

3.3热电偶测温电路工作原理……………………………………………………6

4单元电路的设计及元件的选取…………………………………………………6

4.1+5V稳压电源的设计……………………………………………………………6

4.2电桥电路的设计…………………………………………………………………7

4.3放大器电路的设计……………………………………………………………8

4.4ICL7107电路的设计……………………………………………………………9

4.5显示电路的设计………………………………………………………………11

4.6元件选取………………………………………………………………………11

5焊接实物图……………………………………………………………………13

1、传感器的构成及T型热电偶的使用

水温检测采用的是温度传感器T型热电偶。

测温元件的结构如下图所示。

两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应,该电动势称为热电势。

这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热电偶，导体A、B称为热电极。

两个接点，一个称热端，又称测量端或工作端，测温时将它置于被测介质中;另一个称冷端，又称参考端或自由端，它通过导线与显示仪表相连。

温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。

同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成接触电势，从而通过转换信号得到待测温度值。

传感器结构图

2、传感器测温组成方框图

系统组成方框图

3、传感器测温电路系统工作原理

由于测温显示电路构成较多，原理复杂，所以下面分部分介绍电路各部分组成及原理的实现。

3.1传感器测温电路系统组成

设计电路大至可分为4——5模块，电源的设计，热电偶电路，电桥电路，差分放大电路，A/D模数转换器，单片机和LED显示电路。

3.2单片机控制热电偶测温电路原理图（见附录）

3.3热电偶测温电路工作原理

工作原理：

传感器把热信号转换为热电动势，发热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，由于据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，环境温度的不稳定原因，所以我们引入了电桥电路，热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。

电桥的三个桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由（铜）热电阻构成。

当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小），而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化（升高）。

如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。

这就是热电偶的冷端补偿原理，再把初级处理好的信号送到下一级运算放大器，通过LM324的作用对输入信号进行模拟放大，再送入下一级电路处理，既是ICL7107芯片，ICL7107芯片完成数模转换，并驱动数码管显示实时问的值。

4单元电路的设计及元件的选取

4.1+5V稳压电源的设计

该稳压电源设计电路的电压变压器B的二次侧电压为交流低电压，二次侧电路由桥式整流电路、极性滤波电容和普通滤波电容和固定式三端稳压器7812等构成。

稳压电源电路如图所示。

图稳压电源电路

200V交流电通过电源变压器变换成交流低压，交流低压经过桥式整流电路和滤波电容的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。

此直流电压经过LM7805的稳压和滤波电容的滤波便在LM7805的输出端产生精度高、稳定性好的直流输出电压+5V，此电压可直接作为一些小型电器电源电压。

电路中极性电容1000uf和220uf的作用是滤去低次谐波。

4.2电桥电路的设计

电桥是完成电位平衡的电路，由于各种需要要求设计电路完成平衡，如下图。

图电桥电路

热电偶的热电势是以冷端在零度为标准测量的。

然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，由于冷端不为零度，造成热电势差减小，使测量不准，出现错误。

一般是采用接补偿导线的办法。

现在生产的测量仪表，大多都带有自动补偿的电路，可以纠正补偿导线冷端不是零度而产生的误差。

所以大多数仪表按规定接补偿导线即可。

毫伏计里没有相关的补偿电路，象这类仪表，不但要接补偿导线，还要用调整零点等方法补偿。

不补偿会出现测量错误。

例如用毫伏计测量温度，热电偶冷端为50度，接补偿导线，补偿导线冷端为室温20度，如果不采取调整零点的方法，测量显示温度为实际温度减去20度。

4.3放大器电路的设计

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

增益带宽:

1.2MH工作温度最低:

0°C工作温度最高:

70°C，LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。

它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。

两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。

下面介绍其应用实例。

LM324作反相交流放大器,此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。

电路无需调试。

放大器采用单电源供电。

LM324应用作测温电路；感温探头采用一只硅三极管3DG6，把它接成二极管形式。

硅晶体管发射结电压的温度系数约为-2.5mV/℃，即温度每上升1度，发射结电压变会下降2.5mV。

运放A1连接成同相直流放大形式，温度越高，晶体管BG1压降越小，运放A1同相输入端的电压就越低，输出端的电压也越低。

LM324应用作比较器

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态）,理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大（实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍）。

此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。

当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。

LM324内部原理图

4.4．ICL7107电路的设计

ICL7107是一款数模转换器，把以上级处理的模拟信号转换为数字信号并去驱动下级数码管显示。

ICL7107引脚图如图10所示。

①ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1个字。

②能直接驱动共阳极LED数码管。

③V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电压。

提供基准电压！

④实现自动调零和自动极性显示功能。

⑤输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。

⑥芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。

⑦噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。

⑧不设有一专门的小数点驱动信号。

用+5v电压点亮

频率为V＋和V-分别为电源的正极和负极，au-gu,aT-gT,aH-gH：

分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

AB4：

千位笔画驱动信号。

POL：

液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。

Oscl-OSc3：

时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。

第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：

Fosl=0.45/RC

COM：

模拟信号公共端，简称“模拟地。

TEST：

测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地。

VREF＋VREF-：

基准电压正负端。

CREF：

外接基准电容端。

IN＋和IN-：

模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。

INT：

27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件AZ：

积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。

如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。

BUF：

缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。

其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

f=1.43

（R0+关键点的电压：

芯片第一脚是供电，正确电压是DC5V。

第36脚是基准电压，正确数值是100mV，第26引脚是负电源引脚，正确电压数值是负的，在－3V至－5V都认为正常，但是不能是正电压，也不能是零电压。

芯片第31引脚是信号输入引脚，可以输入±199.9mV的电压。

在一开始，可以把它接地，造成“0”信号输入，以方便测试。

比例读数：

把31脚与36脚短路，就是把基准电压作为信号输入到芯片的信号端，这时候，数码管显示的数值最好是100.0，通常在99.7－100.3之间，越接近100.0越好。

如果差的太多，就需要更换芯片了。

ICL7107也经常使用在±1.999V量程，这时候，芯片27,28,29引脚的元件数值，更换为0.22uF,470K,0.047uF阻容网络，并且把36脚基准调整到1.000V就可以使用在±1.999V量程了。

输出信号送入显示管显示所测得的温度值。

图ICL7107引脚图

4.5显示电路的设计

显示电路连接图如下图。

四只数码管与7107各管脚对应连接，7107驱动其显示测得的温度值。

4.6元件选取

按IEC584-1，584-2国际标准，S、B、R、K、N、E、T、J八种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

而T型热电偶测温范围－270～400°C，常用－200～350°C，特点是热电性能好，电势与温度关系近似线性，热电势值大、灵敏度高、复制性好，是一种准确度高的廉金属热电偶。

可以在还原性、氧化性、惰性气氛及真空中使用。

电桥电路有四只电阻组成，芯片有集成运算放大器LM324和数模转换器ICL7107、四只数码管及若干电阻电容组成。

谢辞：

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来，不经历风雨怎能见彩虹。

经过几个月的艰苦奋战，我的毕业设计几经曲折终于接近尾声。

在这几个月的时间里，衷心感谢李鹏老师的细心知道，帮助我们在课题选定、理论指导和方案的论证上，我都遇到了诸多的困难，然而老师对我精心的指导和耐心的鼓励，使我能够坚持到底，课程设计有了圆满的结果。

参考文献

[1]传感器与自动检测

图为单片机控制测温电路原理图

5焊接实物图

有需要请联系我，在此不显示