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设计一个可以驱动1kW加热负载的水温控制器，具体要求如下 （1）能够测量温度，温度用数字显示。 （2）测量温度范围0～100℃，测量精度为0.5℃。 （3）能够设置水温控制温度，设定范围40～90℃，且连续可调。 （4）水温控制精度≤ 2℃。 （5）当超过设定的温度20℃时，产生声、光报警。 二、设计方案分析 根据设计要求，该温度控制器既可以测量温度也可以控制温度，其组成框图如图1所示。
图1 温度控制器原理框图 因为要求对温度进行测量显示，所以首先采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波后送A／D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。若要求温度被控制在设定值附近，则要求将实际测量温度的信号与温度的设定值（基准电压）进行比较，根据比较结果（输出状态）来驱动执行机构，实现自动地控制、调节系统的温度。测量的温度可以与另一个设定的温度上限比较器相比较，当温度超过上限温度值时，比较器产生报警信号输出。 1．温度检测及信号处理 温度检测是温控系统最关键的部分，它直接影响整个系统的测量、控制精度。目前检测温度的传感器很多，其测量范围、应用场合等也不尽相同。例如热电偶温度传感器目前在工业生产和科学研究中已得到了广泛的应用，它能将温度信号转化成电动势。目前热电偶温度传感器已形成系列化和标准化，主要优点是：它属于自发电型传感器，测量温度时可以不需要外加电源。结构简单，使用方便，热电偶的电极不受大小和形状的限制。测量温度范围广，高温热电偶测温高达1800℃以上，低温热电偶可测-260℃以下，目前主要用在高温测量工业生产现场中。热电阻温度传感器是利用电阻值随温度升高而增大这一特性来测量温度的，目前应用较为广泛的热材料是铜和铂。在铜电阻和铂电阻中，铂电阻的性能最好，非常适合测量-200～+960℃范围内的温度。国内统一设计的工业用铂电阻常用的分度号有Pt25、Pt100等，Ptl00即表示该电阻的阻值在0℃时为100Ω。随着半导体集成电路技术的迅速发展，各种类型的集成温度传感器应用越来越多。集成温度传感器的工作原理是利用PN结的温度特性制成的，同热电偶、热电阻等传统的温度传感器相比，集成温度传感器主要特点有灵敏度高；线性度好，一般不需要线性补偿；测量重复性好；响应速度快。但不足之处是测量温度较窄，通常为-55～+150℃。根据本课题设计的要求，可选用集成温度传感器。 由于温度传感器的直接输出信号一般都非常微弱，为了更好地测量和显示，需要放大器、滤波器等电路对信号进一步处理。对放大器的要求是精度要高，输入失调电压和输入失调电流要小，同时要求抑制共模干扰信号的能力要强。 2．A／D变换及显示 A／D转换器的主要功能是将模拟电压或电流转换成数字量。实现A／D转换的方法很多，常用的有双积分式A／D转换器、逐次逼近式A／D转换器和并行比较式A／D转换器等。双积分A／D转换器的特点是转换精度高、灵敏度高、抑制干扰信号的能力强，价格低廉，可广泛用于数字仪表和低速数据采集系统中。另外，这类转换器的输出数据常以BCD码或二进制码格式输出，所以数字显示方便。常用的双积分式A／D转换器集成器件有ICL7106／7107／7109／7135、MC14433等。逐次逼近式A／D转换器是一种转换速度较快，转换精度较高的转换器。一次转换时间在数微秒到百微秒范围内，广泛应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域中。与双积分式A／D转换器相比，逐次逼近式A／D转换器的抗干扰能力较差。目前常用的逐次逼近式A／D转换器集成电路有ADCO808/0809、AD574A、AD1674、ADC1210／1211等。并行比较式A／D转换器是一种转换速度最快的转换器，它最适合应用在数字通信技术和高速数据采集技术中。缺点是电路复杂，价格高。目前出现了一种串、并行A／D转换方案进行折中，使电路结构简化，但速度有所下降。 由于本设计用于检测显示温度信号，而温度信号变化比较缓慢，所以选择双积分式集成A／D转换器比较合适。 3．温度控制及驱动电路 本设计要求温度可以设定，并要求温度被控制在设定的值附近，所以该系统应该是一个闭环控制系统。实现对温度控制的方法很多，有采用模拟电路实现的，也有采用计算机构成智能控制实现的。模拟控制温度的方法主要有开关式控制法、比例式控制法和连续式控制法。开关式控制是将检测的温度信号和设定的温度值通过比较器比较后，驱动开关器件（一般是继电器）控制加热器的通断。如当测量的温度低于设定的温度值时，驱动电路使继电器接通加热器的电源，使温度上升；当温度高于设定的温度时，驱动电路使继电器断开加热器的电源，停止对加热器的加热，温度将下降。这样通过继电器的反复动作，温度将被控制在设定值附近。 开关式温度控制方法的优点是电路简单，缺点是控制精度较低，并且在设定温度附近，频繁启动继电器，会影响继电器的使用寿命。比例式控制是选择一个固定的时间T作为控制周期，选择控制周期的长短一般根据加热的热容量选取，热容量大的可选择控制周期长些，一般选择T＝10～15s。当温度低于设定的温度较多时，在一个控制周期T内接通加热器电源的时间就比较长（假设为t），随着温度的升高，加热时间t逐渐减少；当温度高于设定的温度时，加热时间t等于零，温度逐渐下降，最后使温度接近稳定。用该方法控制温度精度将大大提高。连续控制是根据测量温度的大小自动连续调节加热器电流的大小，当温度大于设定的温度时，可自动减小加热器的电流，反之则增大电流，可使温度自动保持在设定的温度上，该方法控制稳定的精度最高，电路也比较复杂，同时要求一个可控的功率器件实现对加热器电流大小的控制。 本设计要求温度的控制精度不高，可采用控制线路较简单的开关式控制方法。 三、主要单元电路参考设计 1．温度测量及显示电路 温度传感器选择集成温度传感器AD590。AD590的外形采用TO-52金属圆壳封装结构，其管脚排列如图2（a）所示。它是一种二端元件，属于一种高阻电流源，其典型的电流温度灵敏度是1μA／K，温度为0℃时，AD590输出的恒流值为273.15μA，当温度升高或降低1℃时，AD590的输出电流就增大或减小1μA。AD590测量温度范围是-55~+150℃；在整个测温范围内的非线性误差小于±0.3℃；工作电压范围是4～30V。由AD590组成的测温电路如图2（b）所示。 图2 AD590组成的温度测量电路 在图2（b）电路中，由基准源MC1403提供的电流 为： 调节Rp1即可改变io的大小。 AD590输出电流的温度灵敏度为1μA／K，绝对温度与摄氏温度的关系为K＝T℃＋273.15。设要测量的温度为T（摄氏温度），则流过AD590的电流it为： 流过反馈支路的电流： 可见若要使if＝T，只要调节电位器Rp1即可。此时放大器的输出电压为 若要求Uo的灵敏度等于10mV／℃，可选R2＝9.1kΩ，Rp2＝2kΩ。电位器Rp1起调零作用，Rp2用来调节满量程输出。集成运算放大器要选取高精度型器件，这里选用OP07。 测量显示电路选用双积分式A／D转换器ICL7107完成。ICL7107具有功耗低、精度高、功能完整、使用简单等特点，是一种集三位半A／D转换器、段驱动器、位驱动器于一体的大规模专用集成电路，其主要特点为 （1）能够直接驱动共阳极LED数码管，不需另加驱动电路和限流电阻。 （2）采用±5V双电源供电。 （3）功耗小于15mW，最大静态电流为1.8mA。 （4）段驱动电流的典型值为8mA，最小值为5mA。 （5）显示器可采用七段共阳数码管。 由ICL7107组成的三位半数字电压表电路如图3所示，该电路即可作为温度显示电路。Vcc、Vss分别为电源的正、负端。COM为模拟信号的公共端，简称“模拟地”，使用时通常将该端与输入信号的负端、基准电压的负端短接。TEST为测试端，此端有两个功能，一是作“测试指示”，将它与V+短接后，LED显示器显示全部笔画1888，据据此可确定显示器有无笔段残缺现象。第二个功能是作为数字地供外部驱动器使用，构成小数点、标志符显示电路。al～g1、a2～g2、a3～g3分别为个位、十位、百位笔画驱动端，依次接LED显示器的个、十、百位的相应笔段。bc4为千位（即最高位，也称1／2位）笔段驱动端，接千位LED的b、c段。POL是负极性指示驱动端，接千位LED的g段。GND为数字地，与37脚（TEST）经过内部500Ω电阻接通。OSC1～OSC3为时钟振荡器引出端，外接阻容元件可构成两级反相式阻容振荡器。VREF+是基准电压的正端，简称“基准+”，通常从内部基准电压获取所需的基准电压，也可采用外部基准电压，以提高基准电压的稳定性。VREF-是基准电压的负端，简称“基准-”。CREF+、CREF-是外接基准电容端。IN+、IN-为模拟电压的正、负输入端。CZA是外接自动调零电容端。INT是积分器输出端，接积分电容CINT。BUF是缓冲放大器输出端，接积分电阻RINT。 ICL7107显示的满量程电压与基准电压的关系为：VM＝2VREF。若将VRET选择1V，则可组成满量程为2V的电压表。只要把小数点定在十位，即可直接读出测量结果。由于ICL7017没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的公共阳极接接+5V，小数点接GND时点亮，接5V或悬空时熄灭。 在图3中，R1、C1分别为振荡电阻和振荡电容。R2与R3构成基准电压分压器，调整R2的值可以改变基准电压，使VREF＝1V，R2宜采用精密多圈电位器。R4、C3为模拟信号输入端高频滤波电路，可提高仪表的抗干扰能力。C2、C4分别为基准电容和自动调零电容。R5、C5为积分电阻和积分电容。 图3 ICL7107组成的温度显示电路
2．温度控制及超温报警电路 温度控制电路如图4所示。控制方法采用开关方式。测量的温度信号被输入滞迟比较器，设定温度由电位器Rp1给出。根据温度灵敏度10mV／℃及设定温度在40～90℃的要求，当电位器Rp往下端调节时，使设定电压应等于0.4V；当电位器Rp往上端调节时，使设定电压应等于0.9V。为了能够指示出设定温度的大小，最简单的方法是在电位器调节旋钮上均匀地刻上温度值。超温报警温度信号取自放大器A2的输出，放大器输出信号的大小等于设定温度信号电压加上0.2V，当调节设定温度信号时，超温报警信号将自动跟踪变化。 图4 温度控制及超温报警电路 由A1组成的滞迟电压比较器的上、下门限电压VT＋、VT-为： 其回差电压 ,根据控制要求，温度控制精度要求小于2℃，可以使△V＝20（mV）。假设稳压管电压VZ＝3V，则选择R1＝5.1kΩ，R2＝1MΩ即可满足要求。 超温报警电路选择A3组成的单限比较器实现。当温度小于超限温度时，比较器输出为零，当温度大于超限温度时，比较器输出电压为高电平，驱动蜂鸣器发声，同时发光二极管被点亮。 加热驱动电路选用继电器控制，继电器的常开触点接入加热器主回路中，当被测温度超过设定温度时，滞迟比较器输出低电平，三极管T截止，继电器不得电，继电器的常开触点断开加热器电源，停止加热；反之当温度低于设定温度时，滞迟比较器输出高电平，三极管饱和，继电器得电，继电器的常开触点接通加热器电源，进行加热。本设计选用电磁式额定电压12V、触点负荷容量交流220V／5A的直流继电器。 四、温度控制器的调试 （1）在进行安装电路前，仔细查阅所用集成电路、电子元器件的参数及管脚排列图，并画出单元电路、系统电路的安装电路图。 （2）温度检测电路调试。首先准备温度等于0℃的冰水和温度等于100℃的沸水各1000mL。将温度传感器AD590放入0℃的冰水中（注意AD590的引脚不要短路），调节电位器RP1，使测温电路输出电压为0V；然后将AD590放入100℃的沸水中，调节电位器RP2，使测温电路的输出电压为1V；反复调试几次。 （3）温度显示电路调试。将2V的直流电压输入图3电路中，调节图中电位器RP，使数码管显示199.9。 （4）温度控制比较器及超温报警比较器调试。在电路图4中，调节RP1将温度设定在一定值上（例如VREF＝0.5V），调节RP2使A2放大器的输出高于设定温度值0.2V。用可变电压模拟输入温度信号，调节温度信号从0V起逐渐增大，测量温度控制比较器输出从高电平到低电平对应的输入电压大小；然后再减小温度信号的大小，再次测量温度控制比较器输出从低电平到高电平对应的输入电压值。最后继续增加温度信号的大小，观察报警电压比较器的输出变化及报警电路的工作情况。 （5）电路系统调试。将全部单元电路连接起来，将温度设定在一定值上（例如60℃），观察温度显示情况是否满足设计要求。
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