一、實驗目的???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

1．了解晶體管PN結作為溫度傳感器的測溫原理。
2．進一步理解雙積分A/D轉換的工作原理。
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計。

1．學習溫度檢測和控制電路的原理。
2．使用Labview，設計溫度檢測和控制的程序,要求：
（1）設計用戶界面；
（2）控制A/D轉換，測量電壓計算轉換為溫度；
（3）溫度控制到設定溫度；
（4）顯示溫度隨時間的變化曲線。
3．調試和測試溫度檢測和控制儀，記錄和分析實驗結果。

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結溫度二極管的測溫原理

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

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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，若實際溫度超過設定值，控制電路發出信號，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，盒內空氣溫度下降，當下降到低于設定值時，控制電路發出接通繼電器的信號，使燈泡通電加熱，盒內空氣溫度上升，如此周而復始的測控操作，使盒內空氣溫度維持在設定值附近。

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轉換器ICL7109工作原理和通道增益

?? 如圖4為雙積分A/D轉換器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轉換關系為：

式中， —— A/D轉換器輸入電壓；
—— A/D轉換結果的12bit數字量；
?? —— A/D轉換器外部參考輸入電壓，調節為=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轉換器7109測量電壓原理

(3) 增益選擇電路

??? 待測模擬信號經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，設置了10檔量程： 40mV、80mV、200mV、400mV、800mV、2V、4V、8V，對應增益：×100 、× 50、× 20、×10、×5、×2、×1、×0.5。選擇的依據是輸入信號經過放大后的電壓范圍為－4V～＋4V。

五、設計指導

5.1．方案設計

??? 本實驗基于“SJ8002B電子測量實驗箱”的模擬輸入通道A/D轉換和基于PC機的虛擬儀器軟件平臺（Labview）構建測量方案，實現溫度檢測和控制。其過程是7109轉換，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）整個程序為循環結構，循環內部采取順序結構，依次實現系統的初始化，溫度檢測，加熱控制，溫度顯示和時間顯示。設計思路流程圖如圖5：

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????????????????? 圖5 設計總流程圖???????????????????? 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：

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

?? （4）總的系統簡化結構如圖8所示：

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????????????????????????????????? 圖8 系統設計總圖

5.2．功能與前面板界面設計

??? 虛擬溫度監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；同時需要數字輸入和接受控件，如溫度，電壓，實驗相關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為前面板設計的參考。啟動虛擬儀器labview軟件開發環境，建立新的工程文件，打開front Panel設計界面，并存儲，由界面文件自動生成相關流程圖框架。

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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．動態鏈接庫調用

?? 本程序設計的主要實現已經做成底層fp函數（用Labwindows/CVI實現），在程序實現時可直接調用實驗箱提供的驅動函數動態鏈接（即.dll函數），驅動函數I原型及常數和變量在t_control.prj中，因此，程序設計時，應加入動態鏈接t_control.dll。另外，本程序調用了兩個個Labview自帶的時間函數：獲取當前日期/時間：All Controls>Time&Diaglogue>Get Date/Time String;計算經歷時間：All Controls>Time&Dialogue>Elapsed Time。實現溫度檢測及控制的驅動函數如下表：
?????????? ?????? ???????? ??????? ???? 表2? 動態鏈接調用

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

? ?????????????????????????????? 圖10? 動態鏈接調用界面

雙擊出現如圖11：

????????????????????????????????????? 圖11 動態鏈接調用

? 此時可根據調用函數的路徑，參數及名稱進行設置進行得到圖12：

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????????????????????????????????????? 圖12 動態鏈接設置
??? 這樣就完成了動態鏈接的調用及設置。

5.4．流程圖設計

?? （1）整個程序要求由 “退出”按扭來控制程序的運行與否，因此主框架可以設計為structure中的while循環。 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 內部采取順序結構以實現以上功能。
? （2）溫度測量：在初始化系統以后，要測量溫度是依靠運行7109實現的。將7109測到的電壓通過溫度電壓的轉換公式溫度(℃)=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：此處需要調用兩個動態鏈接：run_7109和led_display來實現溫度的檢測及顯示。
? （3）加熱控制及溫度顯示：
?? 加熱控制實現的方式包括兩種：自動加熱方式和手動加熱方式。可以通過case結構來判斷前面板布爾量進行選擇加熱方式 “設定溫度”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”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，重復上一步，再次加熱。如此循環。
?? 自動加熱方式時，當“自控結束”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定溫度之間的關系。
?? 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，我們可以通過調用后面板中 AllFunctions>Time&Dialogue>Elapsed Time來實現。

?六、測試和調試

? 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”，當設定溫度>當前溫度時，燈泡點亮，溫度上升；當設定溫度≤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據記錄表

由表4的數據和程序記錄的溫度－時間曲線，計算出溫度的上升時間、穩定時間、穩定度、超調量。

附：溫度檢測實驗板溫度校正方法