1．了解晶體管PN結(jié)作為溫度傳感器的測溫原理。
2．進一步理解雙積分A/D轉(zhuǎn)換的工作原理。
3．掌握溫度檢測與控制方法。
4. 掌握基于Labview的虛擬溫度檢測與控制儀的軟件設(shè)計。

1．學(xué)習(xí)溫度檢測和控制電路的原理。
2．使用Labview，設(shè)計溫度檢測和控制的程序,要求：
（1）設(shè)計用戶界面；
（2）控制A/D轉(zhuǎn)換，測量電壓計算轉(zhuǎn)換為溫度；
（3）溫度控制到設(shè)定溫度；
（4）顯示溫度隨時間的變化曲線。
3．調(diào)試和測試溫度檢測和控制儀，記錄和分析實驗結(jié)果。

1．計算機???????????????????????????????????????? 1臺
2．SJ-8002B電子測量實驗箱???????????????????????? 1臺
3．SJ7005溫度檢測實驗板 ????????????????????????? 1塊

?? 4.1．PN結(jié)溫度二極管的測溫原理

?? 二極管的正向特性與溫度有關(guān)，溫度升高時，正向伏安特性曲線左移，規(guī)律是：溫升1℃，曲線左移（2~2.2）mV。

?

圖1 溫度對二極管伏安特性的影響

?? 4.2．溫度檢測和控制原理

????????????????????????? 圖2????? 溫度檢測與控制系統(tǒng)原理框圖

?? 溫度自動控制原理：實驗選擇自動控制方式時，若實際溫度超過設(shè)定值，控制電路發(fā)出信號，使繼電器動作，斷開燈泡的加熱電壓，停止加熱。由于保溫盒向外散熱，盒內(nèi)空氣溫度下降，當下降到低于設(shè)定值時，控制電路發(fā)出接通繼電器的信號，使燈泡通電加熱，盒內(nèi)空氣溫度上升，如此周而復(fù)始的測控操作，使盒內(nèi)空氣溫度維持在設(shè)定值附近。

4.3 溫度實驗板的電路原理圖

?????? ???????? ??????? ??????? ?????????? 圖3 ? 溫度實驗電路圖

4.4 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109工作原理和通道增益

?? 如圖4為雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7109實驗電路圖。待測模擬信號從實驗箱的外部接線端7109+和7109-輸入。
?? 7109的Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

式中， —— A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓；
—— A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的12bit數(shù)字量；
?? —— A/D轉(zhuǎn)換器外部參考輸入電壓，調(diào)節(jié)為=2.048V；
由上式可知，若=2.048V ，則即為以mv單位表示了，即

??????????????????????????????? 圖4?? 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器7109測量電壓原理

(3) 增益選擇電路

??? 待測模擬信號經(jīng)過兩級測量放大器進行信號放大，前級放大器的增益有3檔，分別為1、10、100，后級放大器的增益有4檔，分別為0.5、1、2、5，通過模擬開關(guān)CD4052選擇放大器反饋電阻，即可進行兩級放大器的增益組合選擇，設(shè)置了10檔量程： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V，對應(yīng)增益：×100 、× 50、× 20、×10、×5、×2、×1、×0.5。選擇的依據(jù)是輸入信號經(jīng)過放大后的電壓范圍為－4V～＋4V。

五、設(shè)計指導(dǎo)

5.1．方案設(shè)計

??? 本實驗基于“SJ8002B電子測量實驗箱”的模擬輸入通道A/D轉(zhuǎn)換和基于PC機的虛擬儀器軟件平臺（Labview）構(gòu)建測量方案，實現(xiàn)溫度檢測和控制。其過程是7109轉(zhuǎn)換，加熱的啟動及停止控制，傳感器電壓檢測以及放大，電壓值通過計算轉(zhuǎn)換為溫度值，當前時間/溫度及初始時間/溫度值獲取。
?? （1）整個程序為循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)內(nèi)部采取順序結(jié)構(gòu)，依次實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，溫度檢測，加熱控制，溫度顯示和時間顯示。設(shè)計思路流程圖如圖5：

?

?

?

?

?

?

?

?

????????????????? 圖5 設(shè)計總流程圖???????????????????? 圖 6 溫度檢測流程圖

?? （2）溫度檢測的流程圖如圖6：

?? （3）加熱工作模式分為手動和自動兩種。加熱控制的流程圖如圖7：

?

?

?

?

?

?

?

?

? ????? ? ?????????????????????????? 圖7 加熱控制流程圖

?? （4）總的系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)如圖8所示：

?

?

?

?

????????????????????????????????? 圖8 系統(tǒng)設(shè)計總圖

5.2．功能與前面板界面設(shè)計

??? 虛擬溫度監(jiān)控儀主要完成溫度板溫度的測量、顯示及控制。因此，在虛擬儀器界面上需有多個布爾控件，如加熱/加熱方式控制，退出選擇；同時需要數(shù)字輸入和接受控件，如溫度，電壓，實驗相關(guān)信息的輸入和測量值獲取等；以及溫度計和表格顯示控件，溢出指示。
??? 圖9為前面板設(shè)計的參考。啟動虛擬儀器labview軟件開發(fā)環(huán)境，建立新的工程文件，打開front Panel設(shè)計界面，并存儲，由界面文件自動生成相關(guān)流程圖框架。

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

????????????????????????????????? ???????????

?

圖9? 軟件界面

?? 本程序中需要用到的前面板控件有：
?????????????????????????????????????? 表1 前面板控件

5.3．動態(tài)鏈接庫調(diào)用

?? 本程序設(shè)計的主要實現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時可直接調(diào)用實驗箱提供的驅(qū)動函數(shù)動態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動函數(shù)I原型及常數(shù)和變量在t_control.prj中，因此，程序設(shè)計時，應(yīng)加入動態(tài)鏈接t_control.dll。另外，本程序調(diào)用了兩個個Labview自帶的時間函數(shù)：獲取當前日期/時間：All Controls>Time&Diaglogue>Get Date/Time String;計算經(jīng)歷時間：All Controls>Time&Dialogue>Elapsed Time。實現(xiàn)溫度檢測及控制的驅(qū)動函數(shù)如下表：
?????????? ?????? ???????? ??????? ???? 表2? 動態(tài)鏈接調(diào)用

動態(tài)鏈接調(diào)用舉例： int? led_display(double display_data):
? 在block panel中點擊右鍵：All functions>Advanced>Call library function node.

? ?????????????????????????????? 圖10? 動態(tài)鏈接調(diào)用界面

雙擊出現(xiàn)如圖11：

????????????????????????????????????? 圖11 動態(tài)鏈接調(diào)用

? 此時可根據(jù)調(diào)用函數(shù)的路徑，參數(shù)及名稱進行設(shè)置進行得到圖12：

?

?

?

?

?

?

?

?

????????????????????????????????????? 圖12 動態(tài)鏈接設(shè)置
??? 這樣就完成了動態(tài)鏈接的調(diào)用及設(shè)置。

5.4．流程圖設(shè)計

?? （1）整個程序要求由 “退出”按扭來控制程序的運行與否，因此主框架可以設(shè)計為structure中的while循環(huán)。 整個程序分為三個部分：溫度測量，加熱控制及溫度顯示，時間顯示。因此可在總循環(huán) 內(nèi)部采取順序結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)以上功能。
? （2）溫度測量：在初始化系統(tǒng)以后，要測量溫度是依靠運行7109實現(xiàn)的。將7109測到的電壓通過溫度電壓的轉(zhuǎn)換公式溫度(℃)=71-500*電壓（mV），即可以得到當前溫度。同時取選初值作為起始溫度。注：此處需要調(diào)用兩個動態(tài)鏈接：run_7109和led_display來實現(xiàn)溫度的檢測及顯示。
? （3）加熱控制及溫度顯示：
?? 加熱控制實現(xiàn)的方式包括兩種：自動加熱方式和手動加熱方式。可以通過case結(jié)構(gòu)來判斷前面板布爾量進行選擇加熱方式 “設(shè)定溫度”框中填入值是要求達到的目標溫度；實驗過程中，溫度值通過“當前溫度”顯示框顯示，或者由“溫度指示”的模擬溫度計顯示。加熱過程中溫度隨時間變化的曲線可由右邊的GRAPH顯示屏顯示。“加熱狀態(tài)”指示燈的紅色代表正在加熱，白色代表停止加熱。
注意：“溫度設(shè)定”的范圍是：

???????????????????????????????? ????????????????? 表3 加熱控制

?? <1> 自動加熱：
?? 自動加熱方式時，當“自控開始”按下，且設(shè)定溫度<當前溫度：啟動加熱，并將當前溫度送到顯示。
?? 自動加熱方式時，當“自控開始”按下，但設(shè)定溫度〈當前溫度，加熱停止，但溫度仍然送顯示。直到當前溫度〈當前溫度，重復(fù)上一步，再次加熱。如此循環(huán)。
?? 自動加熱方式時，當“自控結(jié)束”按下，停止加熱，溫度值不再送顯。
?? <2> 手動加熱：與自動加熱方式相同的是，手動方式也需判斷“手控開始”按下與否，但手動方式中不用判斷當前溫度與設(shè)定溫度之間的關(guān)系。
?? 手動加熱方式中，當“手控開始”按下時，即開始加熱，并將當前溫度送顯。
手動加熱方式中，當“手控停止”按下時，停止加熱，但溫度仍然送顯。
? （3）時間顯示：本程序最后一個步驟是將當前時間與初始時間送顯。基于LavVIEW自身強大的功能，我們可以通過調(diào)用后面板中 AllFunctions>Time&Dialogue>Elapsed Time來實現(xiàn)。

?六、測試和調(diào)試

? 6.1．硬件連線

? 硬件連線如圖16。在開電源前插卡和連線：

??????????????????? 圖13 溫度檢測與控制實驗硬件連線圖

6.2．程序功能檢查
? （1）溫度測量檢查： 運行程序，不加熱，這時測量的溫度值為室溫，左上角顯示的“傳感器電壓”范圍在0.09V～0.13V之間，顯示的放大后電壓＝5×傳感器電壓。

?（2）加熱控制檢查
?? 手控方式時，點擊“手控加熱”，燈泡點亮，溫度上升；關(guān)閉“手控加熱”，燈泡滅，溫度下降。
?? 自控方式時，點擊“自控開始”，當設(shè)定溫度>當前溫度時，燈泡點亮，溫度上升；當設(shè)定溫度≤當前溫度時，燈泡滅，溫度下降。

6.3 溫度檢測與控制實驗

表4? 自動加熱溫度檢測實驗板的數(shù)據(jù)記錄表

由表4的數(shù)據(jù)和程序記錄的溫度－時間曲線，計算出溫度的上升時間、穩(wěn)定時間、穩(wěn)定度、超調(diào)量。

附：溫度檢測實驗板溫度校正方法