温度检测与控制的设计与调试

电子工程师 2009-06-22 4911

测试测量实验

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描述

温度检测与控制的设计与调试

一、实验目的

1．了解晶体管PN结作为温度传感器的测温原理。
2．进一步理解双积分A/D转换的工作原理。
3．掌握温度检测与控制方法。
4. 掌握基于Labview的虚拟温度检测与控制仪的软件设计。

二、实验任务和内容

1．学习温度检测和控制电路的原理。
2．使用Labview，设计温度检测和控制的程序,要求：
（1）设计用户界面；
（2）控制A/D转换，测量电压计算转换为温度；
（3）温度控制到设定温度；
（4）显示温度随时间的变化曲线。
3．调试和测试温度检测和控制仪，记录和分析实验结果。

三、实验器材

1．计算机                                         1台
2．SJ-8002B电子测量实验箱                         1台
3．SJ7005温度检测实验板                           1块

四、实验原理

4.1．PN结温度二极管的测温原理

二极管的正向特性与温度有关，温度升高时，正向伏安特性曲线左移，规律是：温升1℃，曲线左移（2~2.2）mV。

图1 温度对二极管伏安特性的影响

4.2．温度检测和控制原理

?? 温度检测与控制系统原理框图如图2所示，它由加热灯泡，温度二极管，温度检测电路，控制电路和继电器组成。温度二极管和加热灯泡封闭在一个塑料保温盒内，温度二极管监测保温盒内的温度，用SJ-8002B电子测量实验箱内部的A/D转换器ADC7109检测二极管两端的电压，通过电压和温度的关系，计算出盒内空气的实际温度。
温度二极管上的电压V输入给ADC7109的正输入端，另外检测电路产生V0，输入给ADC7109的负输入端测量，采集ADC7109的A/D转换后的输出数据，即可计算出实际温度T，它们之间的关系为：
T=K0－K1×（V－V0）
T为测试温度，（V－V0）为ADC7109测量的差分电压。经过实验测试，取K0=71,K1=500，温度每变化1℃，V变化0.002mv。

图2 温度检测与控制系统原理框图

温度自动控制原理：实验选择自动控制方式时，若实际温度超过设定值，控制电路发出信号，使继电器动作，断开灯泡的加热电压，停止加热。由于保温盒向外散热，盒内空气温度下降，当下降到低于设定值时，控制电路发出接通继电器的信号，使灯泡通电加热，盒内空气温度上升，如此周而复始的测控操作，使盒内空气温度维持在设定值附近。

4.3 温度实验板的电路原理图

图3 温度实验电路图

4.4 双积分A/D转换器ICL7109工作原理和通道增益

   如图4为双积分A/D转换器ICL7109实验电路图。待测模拟信号从实验箱的外部接线端7109+和7109-输入。
   7109的Ａ/Ｄ转换关系为：

式中， —— A/D转换器输入电压；
—— A/D转换结果的12bit数字量；
   —— A/D转换器外部参考输入电压，调节为=2.048V；
由上式可知，若=2.048V ，则即为以mv单位表示了，即

图4 双积分式A/D转换器7109测量电压原理

(3) 增益选择电路

待测模拟信号经过两级测量放大器进行信号放大，前级放大器的增益有3档，分别为1、10、100，后级放大器的增益有4档，分别为0.5、1、2、5，通过模拟开关CD4052选择放大器反馈电阻，即可进行两级放大器的增益组合选择，设置了10档量程： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V，对应增益：×100 、× 50、× 20、×10、×5、×2、×1、×0.5。选择的依据是输入信号经过放大后的电压范围为－4V～＋4V。

五、设计指导

5.1．方案设计

本实验基于“SJ8002B电子测量实验箱”的模拟输入通道A/D转换和基于PC机的虚拟仪器软件平台（Labview）构建测量方案，实现温度检测和控制。其过程是7109转换，加热的启动及停止控制，传感器电压检测以及放大，电压值通过计算转换为温度值，当前时间/温度及初始时间/温度值获取。
（1）整个程序为循环结构，循环内部采取顺序结构，依次实现系统的初始化，温度检测，加热控制，温度显示和时间显示。设计思路流程图如图5：

图5 设计总流程图图 6 温度检测流程图

（2）温度检测的流程图如图6：

（3）加热工作模式分为手动和自动两种。加热控制的流程图如图7：

图7 加热控制流程图

（4）总的系统简化结构如图8所示：

图8 系统设计总图

5.2．功能与前面板界面设计

虚拟温度监控仪主要完成温度板温度的测量、显示及控制。因此，在虚拟仪器界面上需有多个布尔控件，如加热/加热方式控制，退出选择；同时需要数字输入和接受控件，如温度，电压，实验相关信息的输入和测量值获取等；以及温度计和表格显示控件，溢出指示。
图9为前面板设计的参考。启动虚拟仪器labview软件开发环境，建立新的工程文件，打开front Panel设计界面，并存储，由界面文件自动生成相关流程图框架。

图9 软件界面

本程序中需要用到的前面板控件有：
表1 前面板控件

控件类别	控件位置	控件名及作用	控件图标
输入控制类	All Controls>Numeric>Numeric Control	起始温度
	Text Ctrls>String Control	实验日期
	Text Ctrls>String Control	实验人员
按键控制类	All Controls>Classic Controls>Classic Boolean>Horizontal Switch	加热方式选择
	All Control>Classic Controls>Classic Boolean>Labeled Oblong Button	手控/自控加热控制
	Buttons>Stop Button	程序退出控制
数字显示类	Num Inds>Num Indicator	传感器电压/放大后电压
数字显示类	Num Inds>Num Indicator	开始时间/当前时间/经历时间/实验日期

指示类	LEDS>Round LED	加热状态指示
	All Controls>Numeric>Vertical Fill Slide	温度计指示
	Graph Inds>Waveform Chart	温度波形变化指示
装饰控件	All Controls>Decorations	美观

5.3．动态链接库调用

本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数I原型及常数和变量在t_control.prj中，因此，程序设计时，应加入动态链接t_control.dll。另外，本程序调用了两个个Labview自带的时间函数：获取当前日期/时间：All Controls>Time&Diaglogue>Get Date/Time String;计算经历时间：All Controls>Time&Dialogue>Elapsed Time。实现温度检测及控制的驱动函数如下表：
表2 动态链接调用

序号	fp函数	实现功能	输入参数	输出参数	返回值	动态链接图标
1	void __stdcall epp_init(void)	初始化EPP接口	无	无	无
2	int__stdcall epp_read_check (void)	EPP读数检查	无	无	0：EPP可正常读数；1：EPP不能读数
3	int __stdcall run_7109 ( unsigned char m_what, unsigned char gain_cw,double vref, double *rult)	运行7109，实现7109的读数及转化	m_what:测试对象 gain_cw:量程控制字 vref:参考电压	rult:测量结果	0：读数有效；2：读数无效，正溢出；3：读数无效，负溢出；4： EPP不能读数
4	void __stdcall amp_7109 (unsigned char gain_cw, double gain, int showdot)	根据量程设置增益和显示位数	gain_cw：量程控制字	gain：量程的增益 howdot：该量程的有效位数（V为单位，showdot为小数点后的位数）	无
5	void__stdcall indicator_7109 (unsigned char gain_cw, double indicator_gain,double indicator_max)	根据量程设置7109输入增益，电压表表最大显示数字	gain_cw：量程控制字	gain：量程的增益 indicator_gain: 7109输入增益 indicator_max：表盘最大显示数字	无
6	void __stdcall start_7109 (void)	启动7109	无	无	无
7	int __stdcall led_display(double display_data)	LED显示	display_data：显示数据	无	成功执行后，返回值为0
8	void __stdcall turn_on(unsigned char heat_cw)	控制温度板的灯点亮/熄灭	heat_cw：亮/灭控制（加热） 0：灭 -1:亮	无	无

动态链接调用举例： int led_display(double display_data):
在block panel中点击右键：All functions>Advanced>Call library function node.

图10 动态链接调用界面

双击出现如图11：

图11 动态链接调用

此时可根据调用函数的路径，参数及名称进行设置进行得到图12：

图12 动态链接设置
这样就完成了动态链接的调用及设置。

5.4．流程图设计

（1）整个程序要求由 “退出”按扭来控制程序的运行与否，因此主框架可以设计为structure中的while循环。整个程序分为三个部分：温度测量，加热控制及温度显示，时间显示。因此可在总循环内部采取顺序结构以实现以上功能。
（2）温度测量：在初始化系统以后，要测量温度是依靠运行7109实现的。将7109测到的电压通过温度电压的转换公式温度(℃)=71-500*电压（mV），即可以得到当前温度。同时取选初值作为起始温度。注：此处需要调用两个动态链接：run_7109和led_display来实现温度的检测及显示。
（3）加热控制及温度显示：
加热控制实现的方式包括两种：自动加热方式和手动加热方式。可以通过case结构来判断前面板布尔量进行选择加热方式 “设定温度”框中填入值是要求达到的目标温度；实验过程中，温度值通过“当前温度”显示框显示，或者由“温度指示”的模拟温度计显示。加热过程中温度随时间变化的曲线可由右边的GRAPH显示屏显示。“加热状态”指示灯的红色代表正在加热，白色代表停止加热。
注意：“温度设定”的范围是：

表3 加热控制

判断控件	位置	布尔值	意义	注释
加热方式	左边	FALSE	自动控制方式	设定温度>当前温度时加热启动
加热方式	右边	TRUE	手动控制方式	手动控制加热及显示

   <1> 自动加热：
   自动加热方式时，当“自控开始”按下，且设定温度<当前温度：启动加热，并将当前温度送到显示。
   自动加热方式时，当“自控开始”按下，但设定温度〈当前温度，加热停止，但温度仍然送显示。直到当前温度〈当前温度，重复上一步，再次加热。如此循环。
   自动加热方式时，当“自控结束”按下，停止加热，温度值不再送显。
   <2> 手动加热：与自动加热方式相同的是，手动方式也需判断“手控开始”按下与否，但手动方式中不用判断当前温度与设定温度之间的关系。
   手动加热方式中，当“手控开始”按下时，即开始加热，并将当前温度送显。
手动加热方式中，当“手控停止”按下时，停止加热，但温度仍然送显。
（3）时间显示：本程序最后一个步骤是将当前时间与初始时间送显。基于LavVIEW自身强大的功能，我们可以通过调用后面板中 AllFunctions>Time&Dialogue>Elapsed Time来实现。

六、测试和调试

6.1．硬件连线

硬件连线如图16。在开电源前插卡和连线：

图13 温度检测与控制实验硬件连线图

将温度检测实验板插在J001位置；
连接温度检测实验板电源接口J2和电子测量实验箱左上角的JP004的AC 9V；
连通实验箱和计算机EPP并行接口。
跳线S101向左边（连接到DC－）。

6.2．程序功能检查
（1）温度测量检查：运行程序，不加热，这时测量的温度值为室温，左上角显示的“传感器电压”范围在0.09V～0.13V之间，显示的放大后电压＝5×传感器电压。

（2）加热控制检查
手控方式时，点击“手控加热”，灯泡点亮，温度上升；关闭“手控加热”，灯泡灭，温度下降。
自控方式时，点击“自控开始”，当设定温度>当前温度时，灯泡点亮，温度上升；当设定温度≤当前温度时，灯泡灭，温度下降。

6.3 温度检测与控制实验

“设定温度”框中输入需要的温度值40度；选择“自动加热”；点击“开始”。温度实验板上继电器接通，灯泡点亮，开始加热。记录温度和时间数据在如表4。注意观察温度稳定时的加热通断的时间间隔。

表4 自动加热温度检测实验板的数据记录表

实验人员			设定温度（℃）			40		室温（℃）				实验日期
时间（S）	0	10		20	30		40		50	60	70		80	90	100	110	120
温度（℃）
时间（S）	130	140		150	160		170		180	190	200		210	220	230	240	250
温度（℃）

由表4的数据和程序记录的温度－时间曲线，计算出温度的上升时间、稳定时间、稳定度、超调量。

附：温度检测实验板温度校正方法

硬件连接如图4-20，其中AC 9V的电源可以不接。运行温度检测的程序，把温度检测与控制系统运行界面的“自动加热”栏选项改为取消，点“开始”按钮，用温度板测试室温；用温度计测试当时室温，比较两个测得温度，有差别就用螺丝刀调节SJ-7005 T Test 温度检测实验板的电位计V1，观察“当前温度”框显示的温度值，使温度检测实验板显示的温度值与温度计测试值一致。

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