温度测量与控制电路课程设计

目录题目…………………………………………………………………………………………………1摘要…………………………………………………………………………………………………1关键词………………………………………………………………………………………………1设计要求……………………………………………………………………………………………1第一章系统概述和总体方案论证与选择…………………………………………………………1第二章单元电路设计…………………………………………………………………………………32.1温度传感模块…………………………………………………………………………………32.2数字显示与温度范围控制模块………………………………………………………………62.2.1方案的论证与选择………………………………………………………………………62.2.2AD转换与解码………………………………………………………………………82.2.3译码显示…………………………………………………………………………………122.2.4控制温度设定……………………………………………………………………………142.2.5温度超限判断……………………………………………………………………………162.3声光报警与温度控制执行模块………………………………………………………………182.3.1声光报警……………………………………………………………………………………18\2.3.2温度执行…………………………………………………………………………………182.4总体电路图……………………………………………………………………………………182.5方案的优点与缺点以及改进…………………………………………………………………19第三章参考文献………………………………………………………………………………………21第四章元器件明细表…………………………………………………………………………………23第五章收获与体会……………………………………………………………………………………24-1-、【题目】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及其基本的温度传感器知识，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。温度传感选用高精度摄氏温度传感器LM35进行数据采集，通过UA741芯片构成同相比例器实现放大。AD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4511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。温度控制执行部分采用继电器控制的加热制冷装置来实现。此模块的存在，提高了该系统在工业上的实用性。【关键词】温度测量、A/D转换、温度控制、声光报警、译码显示、555定时器【技术要求】1.测量温度范围00C～1200C，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；精度0.1;4.温度超过设定值时，产生声光报警。第一章系统概述和总体方案论证与选择在本系统的总体设计中，有以下两种思路：方案A如图1-1-1所示，温度传感器模块将温度线性地转变为电压信号，经过放大电路，一路输入给A/D转换电路，经过译码进行数字显示，另一路与滑变分压电路相连，由此设定控制温度上下限，经过电压比较器，输出高低电平指示信号，由此控制温度控制执行模块和声光报警部分。此电路最基本的特点就-2-、是电路结构简单，实现比较容易。温度传感器放大电路电压比较器A/D转换显示声光报警滑变分压设定温度上下限显示温控执行图1-1-1总体设计方案A框图方案B如图1-1-2所示，温度传感器模块将温度线性地转变为电压信号，经过放大电路，一路输入给A/D转换电路，经过译码进行数字显示,另一路与数字比较器相连，由此设定控制温度上下限，经过数字比较器，输出指示信号，由此控制温度控制执行模块和声光报警部分。温度传感模块和A/D转换模块，译码显示模块，温控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，该方案易受外界干扰如使用环境温度等因素，另外由于滑变设定温度不易精确调节，误差较大。方案B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。温度传感器放大电路A/D转换温控执行声光报警显示显示数字比较器温度设定锁存器图1-1-2总体设计方案B框图比较以上两种方案，方案A电路简单，误差较大；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，我们选择方案B进行系统设计。-3-、第二章单元电路设计2.1温度传感模块温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等。方案一：采用二极管做温度传感器晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。测温范围为-50—+150℃。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。方案二：用可编程器件DS18B20做温度传感器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：①只要求一个端口即可实现通信。②在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。③实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。④测量温度范围在0℃到＋120℃之间。⑤数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。⑥内部有温度上、下限告警设置。但是18B20需要单片机软件控制，与本次设计要求不符。方案三：用LM35做温度传感器LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。-4-、LM35集成温度传感器是利用一个热电偶检测相应的温度，热电偶是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如下图2-1-1所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应工作的。图2-1-1热电效应原理图LM35温度传感器其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。转换公式如下：_3510()outLMmVVTTCCLM35温度传感器线性度好，电路简单。考虑到各种传感器的特点、工作温度以及精度，结合本次设计要求的考虑，决定采用方案三，选用高精度摄氏温度传感器LM35。LM35温度传感器电源供应模式有单电源与正负双电源两种。其接脚图如下2-1-2（a）、（b）所示。单电源提供正温度的测量，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测。在静止温度中自低热效应(0.08℃)，单电源模式在25°C下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。其电流温度特性曲线如下图2-1-3所示。图2-1-3电流温度特性曲线图2-1-2（a）单电源模式图2-1-2（b）双电源模式-5-、考虑到本课题的要求，我们选用单电源模式，其电路图如下2-1-4所示。图2-1-4温度传感模块电路图温度传感器LM35单端接电源，经过同相比例器放大输出。根据所选AD转换器的芯片参数，放大倍数选择为3。其具体参数计算如下：322011310ufRKARK选择适当的电阻值可以有不同的放大倍数，着有效的增加了此模块移植性。为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：①组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；③补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。-6-、2.2数字显示与温度范围控制模块2.2.1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转换部分采用集成芯片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，该方案工作稳定性强，不易出错，所以采用该方案。具体电路和实施方案以及AD574A的详细资料见后文“2.AD转换与解码”。（2）控制温度设定与温度超限判断部分有两种方案：方案一：如图2-2-1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，特别是当实际温度在控制温度附近时，有可能由于其它干扰达不到理想的温控效果，温度控温精度并不高。设定温度显示A/D转换滑动变阻器分压装置电压比较器声光报警及温控执行单元传感器输出电压图2-2-1控制温度设定与温度超限判断方案一框图方案二：利用计数器和锁存器精确设定温控范围。如图2-2-2所示：通过计数器，把设定温度以8421BCD码的形式保存到锁存器中，经过级联的数值比较器与EEPROM输出的代表温度的8421BCD码进行比较。来判-7-、定温度是否超限，由数值比较器输出高低电平作为指示信号控制报警和温控执行电路。数值比较器声光报警及温控执行单元锁存器计数器（温度设定装置）设定温度显示EEPROM输出图2-2-2控制温度设定与温度超限判断方案二框图综上所述，方案二温度设定简单方便，控制更加精确，工作稳定性更好。所以采用此方案。由此可以画出此系统的具体框图如下图2-2-3所示。c图2-2-3系统完整框图2.2.2AD转换与解码1)、AD转换：A/D转换器的功能是在规定时间内把模拟信号在时刻t的幅度值（电压值）转换为一个相应的数字量。由于A/D转换器输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号是离散的。所以只能在一系列选定的瞬间进行A/D转换，这样既要求对输入的模拟信号先进行采样，然后再把这些采样值转换为二进制数字进行输出。因此，一般的A/D转换过程需要经过采样、保持、量化和编码这四个步骤来完成。采样就是把一个在时间上连续的信号变换为在时间上的离散的信号。因为每次把采样得到的电压值转换为二进制数字都需要经过一段的时间T，所以在时间T中要保持采样值的不变，及要求利用保持电路对采样值经行储存。