温度测量与控制电路

《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建筑设施智能技术班级32060801学生姓名孙文涛学号32060801086月12日至6月22日共1.5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的各个方面，特别是在工业生产中，温度自动控制已经成为一个相当成熟的技术。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，以及传感器的相关知识综合运用，二是系统了解温度监测特别是工业上的温度控制的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。在确定课设题目，经仔细分析问题后，实现温度的测量与控制方法很多，大致可以分为两大类型，一种是以单片机为主的软硬件结合方式，另一种是用简单芯片构成实现电路。由于单片机知识的匮乏，我们决定用后者实现。共同确定了总的电路结构，将设计分为三部分，陈涛负责温度传感部分，孙文涛负责温度显示和温度范围控制部分，张晓阳负责温度控制执行电路和声光报警部分。温度传感部分由热电偶构成的温度传感器，数字显示和设定控制部分由模数转换器AD574A、281024CMOSEEPROM、锁存器74LS175等组成，声光报警和温控加热降温执行电路主要用时基芯片555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，我们在总结出总体方案框图的基础上，应用Multisim11.0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，所以本次设计中难免存在缺点和错误，敬请老师批评指正。设计者2010年6月20日目录课题名称……………………………………………………………………………………………………1摘要…………………………………………………………………………………………………………1关键词………………………………………………………………………………………………………1设计要求……………………………………………………………………………………………………1正文…………………………………………………………………………………………………………1一、系统概述和总体方案论证与选择…………………………………………………………………1二、单元电路设计………………………………………………………………………………………2（一）温度传感模块………………………………………………………………………………3（二）数字显示与温度范围控制模块……………………………………………………………31、方案的论证与选择…………………………………………………………………………32、AD转换与解码……………………………………………………………………………83、译码显示……………………………………………………………………………………104、控制温度设定………………………………………………………………………………115、温度超限判断………………………………………………………………………………126、多路温度循环检测功能……………………………………………………………………137、方案的优点与缺点以及改进………………………………………………………………14（三）声光报警……………………………………………………………………………………15（四）温度控制执行………………………………………………………………………………15三、总体电路图…………………………………………………………………………………………16四、结束语………………………………………………………………………………………………16五、参考文献……………………………………………………………………………………………17六、元器件明细…………………………………………………………………………………………17七、收获体会……………………………………………………………………………………………27八、鸣谢…………………………………………………………………………………………………27附录……………………………………………………………………………………………………………27教师评语………………………………………………………………………………………………………28【课题名称】温度测量与控制电路【摘要】温度测量与控制电路是在实际应用中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和数字电子技术的知识，从基本的单元电路出发，实现了温度测量与控制电路的设计。总体设计中的主要思想：一、达到设计要求；二、尽量应用所学知识；三、设计力求系统简单可靠，有实际价值。温度传感采用热电偶和温度补偿原理。AD转换部分使用集成芯片AD574A；二进制到8421BCD码的转换用EEPROM281024实现；显示译码部分用74LS48和数码管实现；温度控制范围设定采用数字设定方式，用74LS160十进制加计数器和锁存器74LS175实现；温度的判断比较数值比较器74LS85的级联实现；通过使用74LS160和ADG508F实现了多路温度循环监测功能。声光报警加入了单稳态。温度控制执行部分采用555构成的单稳态电路，提高了加热系统与降温系统的稳定性和实用性。【关键词】：温度传感器A/D转换控制温度声光报警二进制转BCD译码显示【设计要求】1.测量温度范围为200C～1650C，精度0.50C；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【正文】一、系统概述和总体方案论证与选择方案A.如图1-1所示，温度传感器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，温度控制执行模块和声光报警部分。图1-1总体设计方案A框图方案B.如图1-2所示，温度传感和A/D转换，译码显示，温控执行和报警均与方案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，该方案易受外界干扰如使用环境温度等因素，另外由滑变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控范围的准确性。方案B主要采用数字芯片逻辑控制实现，其工作的稳定性准确性和功能扩展性较强。图1-2总体设计方案B框图二、单元电路设计（一）温度传感模块如图2-1-1所示，温度传感把模块把温度大小转化为电压信号，传入数字显示与温度范围控制模块。使用时将热电偶的热端（工作端）放入被测量的环境中，注意连接导线选用阻值受温度影响小的材料，且有良好的绝缘材料包裹。长时间使用后可对电路进行校准，在标准温度下，测量输出电压值，并通过调整滑动变阻器进行校准。其输出电压Uo(V)和温度T(℃)的关系式为Uo=0.02384*T。图2-1-1温度传感模块电路图（二）数字显示与温度范围控制模块1、方案的论证与选择经分析，数字显示与温度范围控制模块的核心主要有两部分：（1）A/D转换和码制转换部分（2）温度范围设定与温度超限行为判断部分每部分分别有两种方案：（1）A/D转换部分方案A.首先要把温度传感器的电压信号转换成频率不同的矩形波信号。如图2-2-1所示，电压/频率转换电路由一只运算放大器和一只555以及少量电阻和电容组成，运算放大器部分作成差分积分电路，同相输入端是由555的3脚输出端反馈加来的，由于555的触发电平是1/3VCC，因此当输入电压信号iU在1/2VCC内变化时，该电路的输入电压Ui和输出的矩形波的频率0f具有良好的线性关系（由于该方案最终未被采纳，只给出V/F对应关系表作为参照，见表1，该电路的具体原理和Ui~0f线性关系的详细计算和在此不再赘述）。图2-2-1555和差分积分放大电路构成的V/F转换器V/F转换关系对应表表1R3220kΩ22kΩ10kΩ5KΩC31μF0.1μF2μF200pFR1,R21MΩ220kΩ100k10kΩC1,C22μF0.1μF2nF300pF频率/电压1Hz/V100Hz/V10kHz/V100kHz/VV/F转换器输出的频率不同的矩形波信号要转化成可数字显示的BCD码，如图2-2-2所示，频率---8421BCD码的转换由4片同步十进制加法器74LS160实现，第（1）片74LS160的RCO进位输出接第（2）片的CLK时钟信号输入端，当第（1）片74LS160计数器进位时，第（2）片74LS160加1，第（2）片再向第（3）片74LS160进位，以此类推，4组QDQCQBQA分别为百位、十位、个位、小数位，分别经过4片锁存器74LS175，接到4片七段数字显示译码器74LS48，再连接数码管即可实现温度的十进制数显示。图2-2-2频率信号转BCD码把4片锁存器74LS175的CLK时钟端接在一起，引出节点①。4片74LS160的清零端接在一起，引出节点②。V/F转换器的频率信号经过图2-2-4中的与门“U2A”进入③。节点①和②的波形关系需满足如图2-2-3所示关系，即满足“先锁存，后清零”，这样，在“计数开始”（②的上升沿）到“锁存器状态翻转”（①的上升沿）的这段时间t内，通过的波形周期数就等于数码管上显示的数字。时间t的大小可以通过调节图2-2-4中的R、C参数来调整，t=0.7R2C1≈0.49s，使其在这段时间内恰巧通过一定的周期数，就可以使计数器计数到该温度并显示出来。比如，当温度为10.0℃时，V/F转换电路产生一定频率的矩形波，在指定的时间t内，使其恰巧通过100个完整波形，四片计数器的输出状态为0000000100000000，即可译码显示为“10.0”代表10.0℃图2-2-3方案A中节点①和②的波形关系该波形由图2-2-4所示电路产生。电容C3起到消除竞争与冒险的作用，没有C3，可能使锁存器锁入数据0000000000000000，数码管上会显示0.0(℃)。并引起错误报警，和温控执行电路的不合理启动。图2-2-4方案A清零信号，计数信号，锁存信号产生电路综上所述，该电路工作过程复杂，虽然理论上可行，也通过了在Multisim中的模拟检测，但是在实际中，图2-2-4中的RC参数也都会受到温度影响，造成测量温度不准确，如果电容C3短路，更可能造成误报警和错误加热操作的不良后果。另外，该电路的功耗太大，不利于实际应用。所以，最终放弃了该方案。方案B采用集成芯片AD574A作为模数转换芯片，AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。AD574A可以把电压信号转换成二进制数，但是二进制数并不能直接在数码管上显示，所以AD574A输出的二进制数到8421BCD码的转换成为该方案的核心问题，经过查阅大量资料，最终决定采用281024CMOSEEPROM实现二进制到8421BCD码的，其电路连接简单，转换效率高，功耗低，出错率低。综上所述，B方案工作稳定性强，不易出错，所以采用B方案。具体电路和实施方案见后文“2.AD转换与解码”。AD574A的详细资料见“元器件明细”。（2）控制温度设定与温度超限行为判断部分有两种方案：A.如图2-2-5所示，通过旋动滑动变阻器获得不同的分压代表相应的的温度值，分压一路通过AD转换显示设定温度，一路经过电压比较器和温度传感模块输出的Ui进行比较，输出高低电平指示信号控制报警和温控执行模块。该方式虽然简便可行，但其受外界环境干扰较大，当实际温度在控制温度附近时，有可能由于其他干扰比如滑动变阻器上的电压若有电池提供，其输出电压会随着使用时间的增加而变化，无人值守时，设定的温度会随着电池电压的减小而变化，达不到理想的温控效果，温度控温精度并不高。图2-2-5控制温度设定与温度超限行为判断方案A思路框图B.采用数字设定方式。如图2-2-6所示：通过计数器精确设定温控范围，以8421BCD码的