电子技术课程设计温度测量与控制电路..pdf

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1、电子技术课程设计报告 题目温度测量与控制电路 学院（部）电子与控制工程学院 专业自动化（卓越工程师） 班级 学生姓名 学号 7 月 6 日至 7 月 10 日共 1 周 指导教师（签字） 前言 温度测量与控制电路广泛应用于生产生活中各个方面，特别是在工业生产中， 温度自 动控制已经成为一项相当成熟的技术。本次课程设计给我们创造了良好的学习机会：一是 通过课外查阅资料将自己所学的数字电子技术，模拟电子技术以及传感器与检测技术的相 关知识综合运用； 二是系统了解工业中温度检测与控制的详细过程，为日后的学习和工作 增长知识，积累经验。 在确定课设题目， 组员们经仔细分析问题后， 实现温度测量与控制的

2、方法很多，大致 可以分为两大类型，一是以单片机为主的软硬件结合方式， 二是用简单芯片构成实际电路。 由于课程要求， 我们选定用后者实现。 总的电路结构设计分为三部分：刘祝成负责温度传 感部分，渠开发负责温度显示和温度范围控制部分，李元成负责温度控制执行和声光报警 部分。温度控制部分主要是热电偶构成的温度传感器，数字显示和设定控制部分主要由模 数转换器 AD574A 、281024 CMOS EEPROM和锁存器 74LS175等组成，声光报警和温度控制 执行主要由 555定时器构成的多谐振荡器和单稳态电路组成。在确定了单元电路的设计方 案后，在总结出总体方案框图的基础上，应用Multisim1

3、3.0仿真软件画出了各单元模块 电路图，最后汇总电路图。 由于缺少实践经验， 并且知识有限， 本次设计中难免存在错误和缺点，敬请老师批评 指正。 渠开发 2015 年 7 月 9 日 目录 温度测量与控制电路 摘要 1 一、系统概述 . 2 二、单元电路设计与分析 3 三、结束语 . 12 四、参考文献 . 12 五、元器件明细表 . 12 六、收获体会 . 14 七、鸣谢 . 14 八、【附录】 . 15 评语 16 1 温度测量与控制电路 摘要 温度测量与控制电路是在工业中应用相当广泛的测量电路。本次设计主要运用基本 的模拟电子技术、数字电子技术以及传感器与检测技术的知识，从基本的单元电路

4、出发， 实现温度测量与控制电路的设计。总体设计的主要思想： 一是达到设计要求； 二是尽量应 用所学知识； 三是设计力求系统简单可靠， 又实用价值。 组员共同讨论确定了总的电路结 构，将设计分为三部分，温度传感部分，温度显示和温度范围控制部分，温度控制执行和 声光报警部分。 温度传感器部分采用热电偶及其温度补偿原理，保证其精确度。 A/D 转换 部分使用集成芯片AD5740 ；二进制到 8421BCD 码的转换用 EEPROM281024实现；显示译码 部分用 4511BD和七段数码管实现；温度控制范围设定采用数字设定方式，用十进制加计 数器 74LS160和锁存器 74LS175实现；温度的判

5、断比较通过数值比较器74LS85的级联实 现。声光报警利用555定时器构成多谐振荡器组成。 关键词 温度传感器 A/D 转换温度控制声光报警二进制转 BCD 译码显示 技术要求 1. 测量温度范围为20 0C1650C ，精度50C ； 2. 被测量温度与控制温度均可数字显示； 3. 控制温度连续可调； 4. 温度超过设定值时，产生声光报警。 2 一、 系统概述 方案 A. 如图 1-1 所示，温度传感部分将温度线性地转变为电压信号，经过滤波放大， 一路输入 A/D 转换电路，经过译码进行数字显示，另一路与滑变分压经过电压比 较器进行比较输出高低电平指示信号，指向温度控制执行模块和声光报警部分

6、。 图 1-1 总体方案 A框图 方案 B. 如图 1-2 所示，温度传感模块和A/D 转换模块，译码显示模块，温度执行和 报警模块均与方案A 相同，不同处在于控制温度设定方式和温度超限判断方式。 方案 A 的超限判断模块和控制温度设定主要使用模拟信号，该方案易于受外界干 扰，如使用环境温度等因素。另外由滑变分压设定温度不易调节精确，实际中， 若采用电池供电，电源电压的变化会影响其温度控制的准确性。此方案主要采用 数字逻辑芯片数字比较器、锁存器等控制实现，其工作的稳定性、准确性和功能 扩展性较强。 温 度 传 感 器 滤波放大电路电压比较器 A/D 转换 显示 声光报警装置 温度控制执行 滑变

7、分压设定温度 显示 3 图 1-2 总体方案 B框图 比较以上两种方案， 方案 A电路简单，误差比较大；方案B电路复杂，但精度 较高，可移植性好。 结合以上两种方案的优缺点， 最终我们选择方案B来完成设计 要求的温度测量和控制电路。 二、 单元电路设计 （一）温度传感模块 1. 温度传感方法的选择 常用的具有温度传感功能的电路， 有铂电阻、二极管、 三极管、 可编程器件 DS18B20 做温度传感器、直接利用现有的具有温度传感功能的芯片及热电偶等。 （1）利用铂电阻测温 原理：铂电阻的电阻随温度变化而变化，通过电阻两端电压的变化来反映温度的 变化。把电阻两端变化的电压信号经过处理后，就可以和预

8、设电压比较。 优点：测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好。 缺点：铂电阻的电阻率较大，电阻- 温度关系呈非线性。 排除理由：热电阻在一定的温度范围内有良好的线性关系，但这个范围很窄，不 能达到课题设计要求的范围。若进行电阻的线性化，则电路复杂，不利于设计。 （2）利用二极管测温 原理：和铂电阻相似，但是利用的是二极管电压随温度变化而变化。使用中可以 利用桥路将其连接，并用放大器放大后输出。 排除理由：虽然测温电路简单实用，但是灵敏度不高，变化范围太窄，线性化也 温度传 感器 放大电路 A/D 转换 数字比 较器 锁存器 温度 设定 显示 声光报警 温控 执行 显示 4 不好。 （3）利用

9、三极管测温 原理：利用了硅晶体的基极和发射级之间的负温度系数。 排除理由：灵敏度不高，可以用作判断报警，但不宜用于测量温度。 （4）用可编程器件 DS18B20 做温度传感器 原理： DS18B20 数字温度计是 DALLAS 公司生产的 1-Wire ，即单总线器件，具有 线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，线路简单，十分方便。 DS18B20 产品具有以下特点：一是只要求一个端口即可实现通信；二是在DS18B20 中 的每个器件上都有独一无二的序列号；三是实际应用中不需要外部任何元器件即可实 现测温。 排除理由： DS18B20 需要单片机软件控制，与本次设计要求不符。 （

10、5）现有温度传感芯片测温 芯片：如 LM335 ，AD590 ，LTC1052 排除理由：测温范围不能达到设计要求。 （6）热电偶测温（ K型热电偶） 原理：热电偶的测温原理基于热电效应。 将两种不同的导体A和 B连成闭合回路， 当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，即塞贝克效应。热电势的大小只 与热电偶导体材质以及两端温度有关。与热电偶导体的长度和直径无关。热电偶测温 电路是以热电偶为基础进行测温。热电偶闭合回路中产生的热电势有两种电势组成： 温差电势（又称汤姆逊电势）和接触电势（又称波尔帖电势），其中两导体自身的温 差电势均比接触电势小很多，通常可忽略不计。 采用理由：热电偶在很大

11、范围内线性非常明显，且测温范围广，响应速度快，抗 干扰性强。 2. 温度传感电路的思路说明 （1）设计思路框图 图 2-1 设计思路框图 K 型热电偶滤波放大比例减法输出 补偿导线加入另一电压信号 5 （2）思路说明 K型热电偶作为主要的测温元件， 其温度与电压的关系已知且稳定， 线性化很好。 由于热电偶的特殊性，要对其进行冷接点补偿（详细内容后面介绍）。由于补偿选择 的方案会产生很小的一部分噪声，所以要滤波。由放大、加入另一电压信号及比例 减法这三个部分构成了运算电路，这部分不是单纯的放大，二是根据K 型热电偶的 温度与电压的关系所设计的，目的是把温度与电压等数值的表示出来。最后输出 23.

12、84mV/ 的信号，是为了接下来的的电路控制和显示电路的需要。 3. 电路参数的计算 对于 K型热电偶其电压和温度满足： U=0.226T-0.707 （1） 其中电压对应第一级放大电路的输入电压，即经过温度补偿和滤波之后的电压， 单位为 mV ，T 为热力学温度，而课题设计要求得到摄氏温度，经换算得： U=0.226(t+273.5)-0.707 （2） 由（2）式可算出经热电偶转化后的电压。经过第一级放大电路，即将电压放大 A=100倍输出。则可得到t-U 关系如下： t=(100U-6100.4)/22.6 （3） 这个函数就是运算电路所实现的函数。这样一来， 测得的温度值比如设为x，经

13、 过热电偶的电压与温度的关系式后，得到一个电压，设为y，满足 y=f(x),在经过后 面的运算电路，又出现新的电压，此时运算后电压（设为z）与运算前的电压满足关 系式 z=g(y),f与 g 分别对应 U=0.226(t+273.5)-0.707和 t=(100U-6100.4)/22.6， 他们互为反函数， 故 x=z。这样就实现了把温度的单位变成毫伏的转化，且每毫伏对 应一度。如果把输出的电压表直接接在毫伏表上，上面显示的读数，就是温度，不 用再做任何的换算。但是由于后面电路对显示和判断的需要，进行了进一步的放大， 放大到每摄氏度对应23.84mV(这个数值是负责数据显示的同学提供的)。

14、运算电路的构成如下：首先用一个同相比例电路，实现100 倍的放大，再有滑 动变阻器提供 6100.4mV的电压，最后减法运算，除法运算以及乘法运算，用一个比 例减法运算器一次完成。同相比例运算满足：A=1+R4/R3,这里取R4=99 k，R3=1k 。提供电压用到的是200大小的滑动变阻器接在9V电压上。然后两者进行比例 减法运算。对于比例减法运算电路， 当 R1=R2 ，R5=R6时，放大倍数为 R6/R1(U2-U1)， 6 U1为变阻器上取得的电压， U2为一级放大输出的电压。由公式可知，当比例减法的 比值为 1:22.6时，得到 1mV/ 的输出，而为了得到23.84mV/的输出，则

15、把比值 调整为 23.84:22.6 。最终选择 R1=R2 =226，R5=R6 =。 总之，整个运算电路，把温度通过一个函数（热电偶的电压与温度的关系函数） 转化为电压信号，再通过这个函数的反函数（运算电路）把电压变成温度对应的变 压，可以说是整个电路给温度换了单位，把摄氏度换成毫伏。 4. 温度传感部分的温度补偿 热电偶是两种不同材料的导体连接成的闭合回路，如果热电偶的两端放在不同 的温度区域中，会产生一定的电势。热电偶输出的是两个端口温度差的函数，通常 温度高的一端称为热端（或工作端） ，温度低的那端称为冷端（或自由端），则输出 电压为函数 U=f(T2-T1) ，则若冷端为0，输出为

16、测试温度（热端）的单值函数。但 实际中，冷端的温度不为0，则要进行补偿， 使其在相应的温度下电压为0度时的电 压。如果精度要求不高，可以忽略。但是精度要求高时，必须进行冷接点补偿。常 用的冷接点补偿的方法有：冷端恒温法、补偿导线法、数字补偿、查表法、不平衡 电桥法、计算法、传感器温度补偿法。 本次设计中用芯片LT1025，由于要求精度高，通过电阻分压后要达到很精确的 数字，这也要求电阻不随温度变化，但是电阻随温度都有一定程度的变化，这样会 产生误差，所以要尽可能少的使用电阻。LT1025 的 1,6,7,8端口能分别直接提供 60.9 uV/，6 uV/,40.6 uV/,51.7 uV/。相

17、差 60.9 uV/，非常小的误差， 完全可以忽略，这样电路就变得简单，而且排除了温度对电阻不利影响。由于决定 最后的输出因素非常多，所以要进行校准，即利用已有的数据进行调整，通过对实 验中的滑动变阻器的调整，达到校准的目的，如果还有很大的偏差，则对电阻进行 更换。整个补偿电路中的导线，尽量不要使用随温度变化太大的材料，不然会对冷 接点补偿造成影响，而且也要控制导线的长度，并用绝热性强的材料来包装导线， 尽量减少金属自身的热电势的产生。利用温度传感器时，会产生一定的噪声干扰， 所以要进行滤波。 5. 滤波电路的选择 从传感器的资料说明上发现LT1025会产生 0.1-10Hz 的噪声，所以要设

18、置滤波 环节。而滤波得方法有很多，滤波的最终效果是尽可能把交流信号去掉，所以没必 7 要用带阻滤波电路，只要让滤过的最大值小于0.1Hz 即可。常用的主要滤波电路有： 一阶有源滤波电路、二阶有源滤波电路。但这些电路的参数设定非常复杂，所以没 必要在本次设计中采用高精度的滤波电路，毕竟产生的噪声不是很大。后来考虑了 一种比较简单且很适合本次设计电路要求的方法，就是热电偶输出电压时并联一个 电容接地，即可把大部分的交流信号滤过。选C1=4.7uF是和类似电路比较，而且这 个数值的电容电解电容就可以，体积大小也合适。 6、温度传感部分电路图 （二）温度显示和范围控制 1、温度显示模块 温度显示模块可

19、以划分为测试温度的显示和控制温度的显示。两个温度显示模 块共使用了八个数码管。 （1） 检测温度显示 数码管 检测温度显示模块使用了三块普通共阳极数码管，由于要显示小数点 后一位，故使用了一块可显示小数点的数码管，译码器数码管显示器作为 一种最常见的显示器件， 他的应用领悟非常广泛。数码管显示器按照发光 物质可分为 LED数码显示器、 荧光数码显示器、液体数码显示器以及气体 放点数码显示器。其中在数字电路中最常见的数字显示器件是LED 数码管， 它一般由八个发光二极管组成， 可根据其内部结构可分为共阳极和共阴极 两种。共阴极数码管使用时要求将共阴极接地（即接参考电平），发光二 极管遇到高电平导

20、通， 这一数字段就点亮发光。共阳极数码管与此相反为 了限制发光二极管的电流， 在使用时需要串联限流电阻。一般是对每个发 光二极管分别接入限流电阻。限流电阻的取值可根据电源电压、发光二极 管的工作电流和正向压降确定。 普通发光二极管的正向压降红色约为1.6v, 黄色约为 1.4v, 蓝色与白色约为 2.5v, 工作电流为 5-10mA 。 电路中使用的电路中使用的数码管为三个共阳极数码管，在使用时 CA端应接高地平。注意的是，由于第三个数码管是带有小数点的数码管， 多出的一个管脚应该接地或者低电平，保证小数点常亮 显示译码器 8 为了使电路输入的二进制代码在LED 数码管显示出对应的数字或者 符

21、号，一般可通过显示译码器实现。LED显示译码器根据数码管的共阳极 和共阴极两种结构可分为低电平输出有效和高电平输出有效两种。根据显 示译码器的电路结构又可分为TTL和 CMOS 两种。常用的 LED显示译码器 如下表所示。 由于在本学期的数电学习中学习了TTL电路，而且印象较为深刻， 故 选用 TTL显示译码器。再加上在数电学习中直接学习了7447 七段显示 译码器，故采用 74LS47作为本电路模块的显示译码器。 4LS47有 4 个BCD 码输入端A、B、 C和 D ，其中D为最高有效位， A为最低有效位， 它们分别与输出端口中的4 位相连。74LS47的 7 个输出 引脚ag 直接与LE

22、D的相应引脚相连。七段 LED显示器的 h拐角接高 电平灭灯，接低电平灯亮。 LT非端为试灯端， RBO 非端为灭零输入端，（BI/RBO）非端为特殊控 制端。当 LT=0(BI/RBO)=1,RBI=X 时，显示“日”，工作时 LT=1. 当 LT =1， RBO=0 时， DCBA=0000, 灭零， 此时(BI/RBO)=0; 当 LT=1,RB=1,DCBA=0000, 显示零，此时 (BI/RBO)=1。 (BI/RBO) 是特殊控制端。输出RBO 与输入 BI 在芯片内连在一起， 共用一根线引出。 当(BI/RBO) 作为输入端时， 灭零输 入。控制显示管的显示。即BI=0 不管其

23、他输入端如何，字型处于熄灭状 态。当(BI/RBO) 作输出端使用时， 是动态灭零，常与下一位 RBI相连。 通知下一位如果是零，则熄灭。 9 （2）控制温度显示 如图所示，温度设置装置由4 片十进制加法计数器74LS160构 成，且均处于计数状态， 4 个 CLK时钟端分别接一个开关， 其谈起时 处于低电平，按下时接5v 高电平，当进行设置时，通过按动开关 既可以手动使计数器计数，控制百位，十位，个位，小数位的数字， 其数据输出端在此显示模块中接译码显示电路，时实显示设定数值 的变化，共 4 组 16 位数据直接通过 4 片 4511BD转换成七段显示驱 动信号，在 LCD数码管中进行十进制

24、显示。 10 74LS160 真值表 2. 温度范围控制模块 如图，有 8 片数值比较器 74LS85 ，上面四片级联用于比较检测到的温度与设 定的温度上限的大小，下面4 片用于比较检测温度和设定的温度下限的比较。 其中，A0-A3，B0-B3 是待比较的两组四位二进制的输入。OAGTB,OAEQB,OALTB分别 11 表示 AB,A=B,AB, OAGTB,OAEQB,OALTB是三个级联的输入端。需要扩大待比较的 二进制的位数时， 可以将低位比较器的输出端对应接到高位比较器的输入端。最低 位的数字比较器的级联端应该将AGTB,ALTB 端接地，将 AEQB 端接高电平。 （三）声光报警和

25、控制执行 方案一 测量温度与规定温度直接进行电压比较，在其后直接连接声光报警（即直接 连接发光二极管和蜂鸣器）和控制温度执行部分。 方案二 报警电路由 555 时基电路、发光二极管、蜂鸣器等组成。电路中555时基集 成电路接成多谐振荡器。 方案选择： 方案一线路简单，但是相对于方案二，产生的信号不稳定。方案二较方案一 复杂，但是产生的信号比方案一的稳定。而且发光二极管和蜂鸣器的频率可以自 己设定。综合两个方案的优缺点，最终选择方案二。 12 三、结束语 本次温度测量与控制电路的设计主要内容如上所述，在此次设计中运用到的知识 大多数为课本所学。设计中难免有缺点和漏洞，真诚希望老师知道，以求改进。

26、 本次设计中有如下几个难点： 一是对整体测温方案的选择， 阅读大量资料后进行比较， 最后选择了线性化很强， 而且测温范围广，灵敏度高的热电偶。 二是运算方法， 最终选择了利用热电偶的电压与温度的关系函数的反函数构成运 算电路，这样等于是温度通过一次函数运算（热电偶的测温）得到电压，电压再经过 一次函数运算（运算电路） 得到新的电压值， 第一次与第二次的运算函数互为反函数。 三是冷接点补偿，选用了LT1025，能直接输出所需的温度补偿电压。 四是滤波方法的选择，最后选用了简单的将交流信号通过一个电容接地的方法。 以上即是对本次课程设计中主要问题的讨论与解决方案，敬请老师给予指正，以 求得更好的解

27、决方法。 四、参考文献 1. 传感器与检测技术周杏鹏 主编清华大学出版社 2. 数字电路设计手册徐志军 荀殿栋 编著电子工业出版社 3. 数字电子技术基础林涛 主编清华大学出版社 4. 模拟电子技术基础林涛 林薇 编著清华大学出版社 5.电子线路设计与实践 姚福安 主编华中电子科技大学出版社 6. Multisim8 仿真与应用实例开发从宏寿 程卫群 李绍鉊 编著 清华大学出版社 7. 新编电子控制电路300 例机械工业出版社 8. 数字单元电路转换电路分册 梁廷贵 主编 9. 数字电子技术 James Bignell Robert Donovan 编著 科技出版社 五、元器件明细表 序号名称

28、型号参数数量备注 13 1 74HC02N 8 两输入或非门 2 7432N 1 两输入与门 3 74LS160N 4 十进制加法计数器 4 UA741CD 1 集成运放 5 LM55CM 2 555 定时器 6 281024 64k*16 1 COMS_EEPROM 7 AD5740 1 模数转换器 8 BUZZER 200Hz 1 蜂鸣器 9 LED_red 2 红光二极管 10 LED_green 21 绿光二极管 11 74LS85D 8 四位数值比较器 12 4511BD 5V 8 译码芯片 13 SEVEN_SEG_DECTMAL_ COM_K 2 七段数码管（含小数 点） 14

29、RPACK_VARIABLE_2X8 1802 排阻 15 RPACK_VARIABLE_2X7 1806 排阻 序号名称型号参数数量备注 16 74LS175D 8 锁存器 17 RESISTOR 1004 电阻 18 RESISTOR 1201 电阻 19 RESISTOR 3001 电阻 20 RESISTOR 3k1 电阻 21 RESISTOR 10k2 电阻 22 RESISTOR 20k1 电阻 23 RESISTOR 100k8 电阻 24 RESISTOR 140k1 电阻 25 POTENTIOMETER 1k1 电位器 26 CAPACITOR 10nF 1 电容 27

30、CAPACITOR 10uF 2 电容 14 28 CAPACITOR 100Uf 1 电容 29 LM35 1 高精度摄氏温度传感 器 30 PB_DBT 6 微动开关 31 DPST_2NO_SB 2 双刀双置开关 32 SEVEN_SEG_COM_K 6 七段数码管 33 LT1025 1 热电偶冷端补偿器 六、收获体会 这次课程设计主要负责的是温度的显示和范围的控制部分。 通过这次课程设计，我学到了在课堂里没有学过的知识，体会到了把知识转化为 实践的艰辛和困难。这次也许是我学习生涯中为数不多的把知识转化为实践的尝试， 遇到了前所未有的问题，熬了夜，体会到了一种紧迫感。刚开始感觉题目比较

31、难，无 从下手，也查阅了一些资料，还是看不懂，感觉和课堂上所学的知识没有交集。通过 和同学的进一步讨论，以及对学长老师的请教，逐渐有了思路，并在老师的指导下， 确定了具体方案，并对比进行明确分工，各司其职，最后汇总，共同完成本次电路设 计。在这个课程设计的过程中，发现团队合作十分重要，分开部分各个击破，使问题 变得容易了很多，不然就这个题目而言，一个人做的话是非常复杂的，而且时间也不 够。最后大家的电路图往一起合并的时候，都非常激动。大家的通力合作，才完成了 整个设计。 最后一点体会是， 面对困难的时候， 如果绕不过去， 就要迎难而上， 努力去克服， 可以求助于老师、同学，可以查阅资料学习新知识，不应该轻易放弃和改变已选定的 方法。总之，这次课设投入了很多，也收获了很多，把所学的知识进一步深入，并学 到了很多新知识，还有一些书本上学不到的。感觉这次课程设计对我有很大的帮助， 课程设计的确是一门好的课程。 七、鸣谢 15 感谢学院为我们安排了这一次课程设计，使我们得到了一个学习机会。 感谢老师的辛勤指导，使我们抓住解决问题的关键，从而顺利完成课程设计。 感谢同组同学的团结合作，以及其他同学的帮助，使我们的课程设计得以圆满完成。 八、 【附录】 附录：完整电路图 16 评语 评阅人： 日期：