電子技術課程設計溫度測量與控制電路

1、電子技術課程設計報告題目溫度測量與控制電路學院（部）電子與控制工程學院專業(yè)自動化（卓越工程師）班級學生姓名學號7 月 6 日至7 月 10 日共 1 周指導教師（簽字）前言溫度測量與控制電路廣泛應用于生產(chǎn)生活中各個方面， 特別是在工業(yè)生產(chǎn)中， 溫度自動控制已經(jīng)成為一項相當成熟的技術。 本次課程設計給我們創(chuàng)造了良好的學習機會： 一是通過課外查閱資料將自己所學的數(shù)字電子技術， 模擬電子技術以及傳感器與檢測技術的相關知識綜合運用； 二是系統(tǒng)了解工業(yè)中溫度檢測與控制的詳細過程， 為日后的學習和工作增長知識，積累經(jīng)驗。在確定課設題目， 組員們經(jīng)仔細分析問題后， 實現(xiàn)溫度測量與控制的方法很多， 大致可以分

2、為兩大類型，一是以單片機為主的軟硬件結合方式， 二是用簡單芯片構成實際電路。由于課程要求， 我們選定用后者實現(xiàn)。 總的電路結構設計分為三部分： 劉祝成負責溫度傳感部分，渠開發(fā)負責溫度顯示和溫度范圍控制部分， 李元成負責溫度控制執(zhí)行和聲光報警部分。溫度控制部分主要是熱電偶構成的溫度傳感器， 數(shù)字顯示和設定控制部分主要由模數(shù)轉換器 ad574a、281024 cmos eeprom和鎖存器 74ls175等組成，聲光報警和溫度控制執(zhí)行主要由 555 定時器構成的多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)電路組成。 在確定了單元電路的設計方案后，在總結出總體方案框圖的基礎上，應用 multisim13.0 仿真軟件畫出了各

3、單元模塊電路圖，最后匯總電路圖。由于缺少實踐經(jīng)驗， 并且知識有限， 本次設計中難免存在錯誤和缺點， 敬請老師批評指正。渠開發(fā)2015 年 7 月 9 日目錄溫度測量與控制電路摘要1一、系統(tǒng)概述2二、單元電路設計與分析3三、結束語12四、參考文獻12五、元器件明細表12六、收獲體會14七、鳴謝14八、【附錄】15評語16溫度測量與控制電路摘要溫度測量與控制電路是在工業(yè)中應用相當廣泛的測量電路。本次設計主要運用基本的模擬電子技術、數(shù)字電子技術以及傳感器與檢測技術的知識，從基本的單元電路出發(fā)，實現(xiàn)溫度測量與控制電路的設計。 總體設計的主要思想： 一是達到設計要求； 二是盡量應用所學知識； 三是設計力

4、求系統(tǒng)簡單可靠， 又實用價值。組員共同討論確定了總的電路結構，將設計分為三部分，溫度傳感部分， 溫度顯示和溫度范圍控制部分，溫度控制執(zhí)行和聲光報警部分。 溫度傳感器部分采用熱電偶及其溫度補償原理， 保證其精確度。 a/d 轉換部分使用集成芯片 ad5740；二進制到 8421bcd碼的轉換用 eeprom281024實現(xiàn)；顯示譯碼部分用 4511bd和七段數(shù)碼管實現(xiàn)；溫度控制范圍設定采用數(shù)字設定方式，用十進制加計數(shù)器 74ls160和鎖存器 74ls175實現(xiàn)；溫度的判斷比較通過數(shù)值比較器 74ls85的級聯(lián)實現(xiàn)。聲光報警利用 555 定時器構成多諧振蕩器組成。關鍵詞溫度傳感器a/d 轉換溫度

5、控制聲光報警二進制轉 bcd 譯碼顯示技術要求1. 測量溫度范圍為 200c1650 c，精度50c；2. 被測量溫度與控制溫度均可數(shù)字顯示；3. 控制溫度連續(xù)可調(diào)；4. 溫度超過設定值時，產(chǎn)生聲光報警。1一、 系統(tǒng)概述方案 a.如圖 1-1 所示，溫度傳感部分將溫度線性地轉變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)過濾波放大，一路輸入 a/d 轉換電路，經(jīng)過譯碼進行數(shù)字顯示，另一路與滑變分壓經(jīng)過電壓比較器進行比較輸出高低電平指示信號，指向溫度控制執(zhí)行模塊和聲光報警部分。溫度控制執(zhí)行溫度傳濾波放大電路電壓比較器感器a/d 轉換聲光報警裝置滑變分壓設定溫度顯示顯示圖 1-1 總體方案 a 框圖方案 b.如圖 1-2 所示

6、，溫度傳感模塊和a/d 轉換模塊，譯碼顯示模塊，溫度執(zhí)行和報警模塊均與方案a 相同，不同處在于控制溫度設定方式和溫度超限判斷方式。方案 a 的超限判斷模塊和控制溫度設定主要使用模擬信號，該方案易于受外界干擾，如使用環(huán)境溫度等因素。另外由滑變分壓設定溫度不易調(diào)節(jié)精確，實際中，若采用電池供電，電源電壓的變化會影響其溫度控制的準確性。此方案主要采用數(shù)字邏輯芯片數(shù)字比較器、鎖存器等控制實現(xiàn)，其工作的穩(wěn)定性、準確性和功能擴展性較強。2溫度傳放大電路a/d數(shù)字比鎖存器感器轉換較器聲光報警溫度顯示設定溫控執(zhí)行顯示圖 1-2 總體方案 b 框圖比較以上兩種方案， 方案 a 電路簡單，誤差比較大；方案 b 電路

7、復雜，但精度較高，可移植性好。 結合以上兩種方案的優(yōu)缺點， 最終我們選擇方案 b 來完成設計要求的溫度測量和控制電路。二、 單元電路設計（一）溫度傳感模塊1. 溫度傳感方法的選擇常用的具有溫度傳感功能的電路， 有鉑電阻、二極管、三極管、可編程器件 ds18b20 做溫度傳感器、直接利用現(xiàn)有的具有溫度傳感功能的芯片及熱電偶等。（ 1）利用鉑電阻測溫原理：鉑電阻的電阻隨溫度變化而變化，通過電阻兩端電壓的變化來反映溫度的變化。把電阻兩端變化的電壓信號經(jīng)過處理后，就可以和預設電壓比較。優(yōu)點：測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復現(xiàn)性好。缺點：鉑電阻的電阻率較大，電阻- 溫度關系呈非線性。排除理由：熱電阻

8、在一定的溫度范圍內(nèi)有良好的線性關系，但這個范圍很窄，不能達到課題設計要求的范圍。若進行電阻的線性化，則電路復雜，不利于設計。（ 2）利用二極管測溫原理：和鉑電阻相似，但是利用的是二極管電壓隨溫度變化而變化。使用中可以利用橋路將其連接，并用放大器放大后輸出。排除理由：雖然測溫電路簡單實用，但是靈敏度不高，變化范圍太窄，線性化也3不好。（ 3）利用三極管測溫原理：利用了硅晶體的基極和發(fā)射級之間的負溫度系數(shù)。排除理由：靈敏度不高，可以用作判斷報警，但不宜用于測量溫度。（ 4）用可編程器件 ds18b20做溫度傳感器原理： ds18b20數(shù)字溫度計是 dallas公司生產(chǎn)的 1-wire ，即單總線器

9、件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，線路簡單，十分方便。ds18b20產(chǎn)品具有以下特點：一是只要求一個端口即可實現(xiàn)通信；二是在 ds18b20中的每個器件上都有獨一無二的序列號； 三是實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。排除理由： ds18b20需要單片機軟件控制，與本次設計要求不符。（ 5）現(xiàn)有溫度傳感芯片測溫芯片：如 lm335，ad590，ltc1052排除理由：測溫范圍不能達到設計要求。（ 6）熱電偶測溫（ k 型熱電偶）原理：熱電偶的測溫原理基于熱電效應。 將兩種不同的導體 a 和 b 連成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢，即塞貝

10、克效應。熱電勢的大小只與熱電偶導體材質以及兩端溫度有關。與熱電偶導體的長度和直徑無關。熱電偶測溫電路是以熱電偶為基礎進行測溫。熱電偶閉合回路中產(chǎn)生的熱電勢有兩種電勢組成：溫差電勢（又稱湯姆遜電勢）和接觸電勢（又稱波爾帖電勢） ，其中兩導體自身的溫差電勢均比接觸電勢小很多，通?？珊雎圆挥?。采用理由：熱電偶在很大范圍內(nèi)線性非常明顯，且測溫范圍廣，響應速度快，抗干擾性強。2. 溫度傳感電路的思路說明（1）設計思路框圖k 型熱電偶濾波放大比例減法輸出補償導線加入另一電壓信號圖 2-1 設計思路框圖4（2）思路說明k 型熱電偶作為主要的測溫元件， 其溫度與電壓的關系已知且穩(wěn)定， 線性化很好。由于熱電偶的

11、特殊性，要對其進行冷接點補償（詳細內(nèi)容后面介紹）。由于補償選擇的方案會產(chǎn)生很小的一部分噪聲，所以要濾波。由放大、加入另一電壓信號及比例減法這三個部分構成了運算電路，這部分不是單純的放大，二是根據(jù)k 型熱電偶的溫度與電壓的關系所設計的，目的是把溫度與電壓等數(shù)值的表示出來。最后輸出23.84 mv/的信號，是為了接下來的的電路控制和顯示電路的需要。3. 電路參數(shù)的計算對于 k 型熱電偶其電壓和溫度滿足：u=0.226t-0.707（1）其中電壓對應第一級放大電路的輸入電壓， 即經(jīng)過溫度補償和濾波之后的電壓，單位為 mv，t 為熱力學溫度，而課題設計要求得到攝氏溫度，經(jīng)換算得：u=0.226(t+2

12、73.5)-0.707（2）由（2）式可算出經(jīng)熱電偶轉化后的電壓。經(jīng)過第一級放大電路，即將電壓放大a=100倍輸出。則可得到t-u 關系如下：t=(100u-6100.4)/22.6（3）這個函數(shù)就是運算電路所實現(xiàn)的函數(shù)。這樣一來，測得的溫度值比如設為x，經(jīng)過熱電偶的電壓與溫度的關系式后，得到一個電壓，設為y，滿足 y=f(x),在經(jīng)過后面的運算電路，又出現(xiàn)新的電壓，此時運算后電壓（設為z）與運算前的電壓滿足關系式 z=g(y),f與 g 分別對應 u=0.226(t+273.5)-0.707和 t=(100u-6100.4)/22.6，他們互為反函數(shù)， 故 x=z。這樣就實現(xiàn)了把溫度的單位變

13、成毫伏的轉化，且每毫伏對應一度。如果把輸出的電壓表直接接在毫伏表上，上面顯示的讀數(shù)，就是溫度，不用再做任何的換算。但是由于后面電路對顯示和判斷的需要，進行了進一步的放大，放大到每攝氏度對應23.84mv(這個數(shù)值是負責數(shù)據(jù)顯示的同學提供的) 。運算電路的構成如下：首先用一個同相比例電路，實現(xiàn)100 倍的放大，再有滑動變阻器提供 6100.4mv的電壓，最后減法運算，除法運算以及乘法運算，用一個比例減法運算器一次完成。同相比例運算滿足： a=1+r4/r3,這里取 r4=99k， r3=1k 。提供電壓用到的是 200大小的滑動變阻器接在 9v 電壓上。然后兩者進行比例減法運算。對于比例減法運算

14、電路， 當 r1=r2，r5=r6時，放大倍數(shù)為 r6/r1(u2-u1)，5u1為變阻器上取得的電壓， u2 為一級放大輸出的電壓。由公式可知，當比例減法的比值為 1:22.6 時，得到 1mv/的輸出，而為了得到 23.84mv/的輸出，則把比值調(diào)整為 23.84:22.6 。最終選擇 r1=r2=226， r5=r6?？傊?，整個運算電路，把溫度通過一個函數(shù)（熱電偶的電壓與溫度的關系函數(shù)）轉化為電壓信號，再通過這個函數(shù)的反函數(shù)（運算電路）把電壓變成溫度對應的變壓，可以說是整個電路給溫度換了單位，把攝氏度換成毫伏。4. 溫度傳感部分的溫度補償熱電偶是兩種不同材料的導體連接成的閉合回路，如果熱

15、電偶的兩端放在不同的溫度區(qū)域中，會產(chǎn)生一定的電勢。熱電偶輸出的是兩個端口溫度差的函數(shù)，通常溫度高的一端稱為熱端（或工作端） ，溫度低的那端稱為冷端（或自由端） ，則輸出電壓為函數(shù) u=f(t2-t1) ，則若冷端為 0，輸出為測試溫度（熱端）的單值函數(shù)。但實際中，冷端的溫度不為 0，則要進行補償， 使其在相應的溫度下電壓為 0 度時的電壓。如果精度要求不高，可以忽略。但是精度要求高時，必須進行冷接點補償。常用的冷接點補償?shù)姆椒ㄓ校豪涠撕銣胤ā⒀a償導線法、數(shù)字補償、查表法、不平衡電橋法、計算法、傳感器溫度補償法。本次設計中用芯片 lt1025，由于要求精度高，通過電阻分壓后要達到很精確的數(shù)字，這

16、也要求電阻不隨溫度變化，但是電阻隨溫度都有一定程度的變化，這樣會產(chǎn)生誤差，所以要盡可能少的使用電阻。 lt1025 的 1,6,7,8 端口能分別直接提供 60.9 uv/， 6 uv/ ,40.6 uv/ ,51.7 uv/。相差 60.9 uv/，非常小的誤差，完全可以忽略，這樣電路就變得簡單，而且排除了溫度對電阻不利影響。由于決定最后的輸出因素非常多，所以要進行校準，即利用已有的數(shù)據(jù)進行調(diào)整，通過對實驗中的滑動變阻器的調(diào)整，達到校準的目的，如果還有很大的偏差，則對電阻進行更換。整個補償電路中的導線，盡量不要使用隨溫度變化太大的材料，不然會對冷接點補償造成影響，而且也要控制導線的長度，并用

17、絕熱性強的材料來包裝導線，盡量減少金屬自身的熱電勢的產(chǎn)生。利用溫度傳感器時，會產(chǎn)生一定的噪聲干擾，所以要進行濾波。5. 濾波電路的選擇從傳感器的資料說明上發(fā)現(xiàn)lt1025 會產(chǎn)生 0.1-10hz 的噪聲，所以要設置濾波環(huán)節(jié)。而濾波得方法有很多，濾波的最終效果是盡可能把交流信號去掉，所以沒必6要用帶阻濾波電路，只要讓濾過的最大值小于0.1hz 即可。常用的主要濾波電路有：一階有源濾波電路、二階有源濾波電路。但這些電路的參數(shù)設定非常復雜，所以沒必要在本次設計中采用高精度的濾波電路，畢竟產(chǎn)生的噪聲不是很大。后來考慮了一種比較簡單且很適合本次設計電路要求的方法，就是熱電偶輸出電壓時并聯(lián)一個電容接地，

18、即可把大部分的交流信號濾過。選c1=4.7uf是和類似電路比較，而且這個數(shù)值的電容電解電容就可以，體積大小也合適。6、溫度傳感部分電路圖（二）溫度顯示和范圍控制1、溫度顯示模塊溫度顯示模塊可以劃分為測試溫度的顯示和控制溫度的顯示。兩個溫度顯示模塊共使用了八個數(shù)碼管。（1） 檢測溫度顯示 數(shù)碼管檢測溫度顯示模塊使用了三塊普通共陽極數(shù)碼管， 由于要顯示小數(shù)點后一位，故使用了一塊可顯示小數(shù)點的數(shù)碼管，譯碼器數(shù)碼管顯示器作為一種最常見的顯示器件， 他的應用領悟非常廣泛。數(shù)碼管顯示器按照發(fā)光物質可分為 led數(shù)碼顯示器、 熒光數(shù)碼顯示器、液體數(shù)碼顯示器以及氣體放點數(shù)碼顯示器。其中在數(shù)字電路中最常見的數(shù)字

19、顯示器件是 led數(shù)碼管，它一般由八個發(fā)光二極管組成， 可根據(jù)其內(nèi)部結構可分為共陽極和共陰極兩種。共陰極數(shù)碼管使用時要求將共陰極接地（即接參考電平） ，發(fā)光二極管遇到高電平導通， 這一數(shù)字段就點亮發(fā)光。共陽極數(shù)碼管與此相反為了限制發(fā)光二極管的電流， 在使用時需要串聯(lián)限流電阻。一般是對每個發(fā)光二極管分別接入限流電阻。 限流電阻的取值可根據(jù)電源電壓、發(fā)光二極管的工作電流和正向壓降確定。 普通發(fā)光二極管的正向壓降紅色約為 1.6v, 黃色約為 1.4v, 藍色與白色約為 2.5v, 工作電流為 5-10ma。電路中使用的 電路中使用的數(shù)碼管為三個共陽極數(shù)碼管， 在使用時ca端應接高地平。注意的是，由

20、于第三個數(shù)碼管是帶有小數(shù)點的數(shù)碼管，多出的一個管腳應該接地或者低電平，保證小數(shù)點常亮 顯示譯碼器7為了使電路輸入的二進制代碼在 led數(shù)碼管顯示出對應的數(shù)字或者符號，一般可通過顯示譯碼器實現(xiàn)。 led顯示譯碼器根據(jù)數(shù)碼管的共陽極和共陰極兩種結構可分為低電平輸出有效和高電平輸出有效兩種。 根據(jù)顯示譯碼器的電路結構又可分為 ttl 和 cmos兩種。常用的 led顯示譯碼器如下表所示。由于在本學期的數(shù)電學習中學習了ttl電路，而且印象較為深刻， 故選用 ttl 顯示譯碼器。再加上在數(shù)電學習中直接學習了7447七段顯示譯碼器，故采用74ls47作為本電路模塊的顯示譯碼器。4ls47有 4 個 bcd

21、碼輸入端 a、b、c 和 d，其中 d為最高有效位， a 為最低有效位， 它們分別與輸出端口中的 4 位相連。74ls47的 7 個輸出引腳 ag 直接與 led的相應引腳相連。七段 led顯示器的 h 拐角接高電平滅燈，接低電平燈亮。lt 非端為試燈端， rbo非端為滅零輸入端，（bi/rbo）非端為特殊控制端。當 lt=0(bi/rbo)=1,rbi=x 時，顯示“日”，工作時 lt=1. 當 lt=1，rbo=0時，dcba=0000,滅零，此時 (bi/rbo)=0; 當 lt=1,rb=1,dcba=0000,顯示零，此時 (bi/rbo)=1 。 (bi/rbo) 是特殊控制端。輸

22、出rbo與輸入 bi在芯片內(nèi)連在一起， 共用一根線引出。 當 (bi/rbo) 作為輸入端時， 滅零輸入。控制顯示管的顯示。即bi=0 不管其他輸入端如何，字型處于熄滅狀態(tài)。當(bi/rbo) 作輸出端使用時， 是動態(tài)滅零，常與下一位 rbi相連。通知下一位如果是零，則熄滅。8（ 2）控制溫度顯示如圖所示，溫度設置裝置由4 片十進制加法計數(shù)器74ls160構成，且均處于計數(shù)狀態(tài)， 4 個 clk時鐘端分別接一個開關， 其談起時處于低電平，按下時接5v 高電平，當進行設置時，通過按動開關既可以手動使計數(shù)器計數(shù)，控制百位，十位，個位，小數(shù)位的數(shù)字，其數(shù)據(jù)輸出端在此顯示模塊中接譯碼顯示電路，時實顯示

23、設定數(shù)值的變化，共 4 組 16 位數(shù)據(jù)直接通過4 片 4511bd轉換成七段顯示驅動信號，在 lcd數(shù)碼管中進行十進制顯示。974ls160 真值表2. 溫度范圍控制模塊如圖，有 8 片數(shù)值比較器74ls85，上面四片級聯(lián)用于比較檢測到的溫度與設定的溫度上限的大小，下面4 片用于比較檢測溫度和設定的溫度下限的比較。其中，a0-a3，b0-b3 是待比較的兩組四位二進制的輸入。oagtb,oaeqb,oaltb分別10表示 ab,a=b,ab, oagtb,oaeqb,oaltb是三個級聯(lián)的輸入端。需要擴大待比較的二進制的位數(shù)時， 可以將低位比較器的輸出端對應接到高位比較器的輸入端。最低位的數(shù)

24、字比較器的級聯(lián)端應該將agtb,altb端接地，將 aeqb端接高電平。（三）聲光報警和控制執(zhí)行方案一測量溫度與規(guī)定溫度直接進行電壓比較，在其后直接連接聲光報警（即直接連接發(fā)光二極管和蜂鳴器）和控制溫度執(zhí)行部分。方案二報警電路由 555 時基電路、發(fā)光二極管、蜂鳴器等組成。電路中555 時基集成電路接成多諧振蕩器。方案選擇：方案一線路簡單，但是相對于方案二，產(chǎn)生的信號不穩(wěn)定。方案二較方案一復雜，但是產(chǎn)生的信號比方案一的穩(wěn)定。而且發(fā)光二極管和蜂鳴器的頻率可以自己設定。綜合兩個方案的優(yōu)缺點，最終選擇方案二。11三、結束語本次溫度測量與控制電路的設計主要內(nèi)容如上所述， 在此次設計中運用到的知識大多數(shù)

25、為課本所學。設計中難免有缺點和漏洞，真誠希望老師知道，以求改進。本次設計中有如下幾個難點：一是對整體測溫方案的選擇， 閱讀大量資料后進行比較， 最后選擇了線性化很強，而且測溫范圍廣，靈敏度高的熱電偶。二是運算方法，最終選擇了利用熱電偶的電壓與溫度的關系函數(shù)的反函數(shù)構成運算電路，這樣等于是溫度通過一次函數(shù)運算（熱電偶的測溫）得到電壓，電壓再經(jīng)過一次函數(shù)運算（運算電路）得到新的電壓值， 第一次與第二次的運算函數(shù)互為反函數(shù)。三是冷接點補償，選用了lt1025，能直接輸出所需的溫度補償電壓。四是濾波方法的選擇，最后選用了簡單的將交流信號通過一個電容接地的方法。以上即是對本次課程設計中主要問題的討論與解

26、決方案，敬請老師給予指正， 以求得更好的解決方法。四、參考文獻1. 傳感器與檢測技術周杏鵬 主編清華大學出版社2. 數(shù)字電路設計手冊徐志軍 荀殿棟 編著電子工業(yè)出版社3. 數(shù)字電子技術基礎林濤 主編清華大學出版社4. 模擬電子技術基礎林濤 林薇 編著清華大學出版社5.電子線路 設計與實踐 姚福安 主編華中電子科技大學出版社6. multisim8 仿真與應用實例開發(fā) 從宏壽 程衛(wèi)群 李紹鉊 編著清華大學出版社7. 新編電子控制電路300 例機械工業(yè)出版社8. 數(shù)字單元電路 轉換電路 分冊 梁廷貴 主編9. 數(shù)字電子技術james bignell robert donovan編著 科技出版社五、

27、元器件明細表序號名稱型號參數(shù)數(shù)量備注12174hc02n8兩輸入或非門27432n1兩輸入與門374ls160n4十進制加法計數(shù)器4ua741cd1集成運放5lm55cm2555 定時器628102464k*161coms_eeprom7ad57401模數(shù)轉換器8buzzer200hz1蜂鳴器9led_red2紅光二極管10led_green21綠光二極管1174ls85d8四位數(shù)值比較器124511bd5v8譯碼芯片13seven_seg_dectmal_2七段數(shù)碼管（含小數(shù)com_k點）14rpack_variable_2x8 1802排阻15rpack_variable_2x7 1806排阻序號名稱型號參數(shù)數(shù)量備注1674ls175d8鎖存器17resistor1004電阻18resistor1201電阻19resistor3001電阻20resist