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1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目名稱: 溫度測(cè)量與控制器 班 級(jí): 學(xué) 號(hào): 姓 名: 指導(dǎo)教師: 日 期: 一、 設(shè)計(jì)題目溫度測(cè)量與控制器二、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求溫度是表征物體冷熱程度的物理量,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)研究中,經(jīng)常需要對(duì)某一系統(tǒng)的溫度進(jìn)行測(cè)量,并能自動(dòng)地控制、調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的溫度。下面設(shè)計(jì)并制作對(duì)某一系統(tǒng)的溫度進(jìn)行測(cè)量與控制的電路。電路要求為: 被測(cè)溫度和控制溫度均可數(shù)字顯示。 測(cè)量溫度范圍為,精度為。 控制溫度連續(xù)可調(diào),精度為。 溫度超過額定值時(shí),產(chǎn)生聲、光報(bào)警信號(hào)。三、 題目分析和內(nèi)容摘要題目分析:溫度測(cè)量與控制電路是在實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)廣泛的測(cè)量電路。本次設(shè)計(jì)主要運(yùn)用基本的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)

2、的知識(shí),同時(shí)綜合溫度傳感器的相關(guān)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量與控制電路的設(shè)計(jì)。內(nèi)容摘要:本次設(shè)計(jì)以數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)為主:用電壓比較器來實(shí)現(xiàn)溫度控制裝置,采用555構(gòu)成的多諧振蕩器來實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警裝置,用內(nèi)置譯碼器的四輸入數(shù)碼管譯碼顯示溫度,a/d轉(zhuǎn)換應(yīng)用集成芯片完成。同時(shí)運(yùn)用到模擬電子技術(shù)中的濾波放大電路的相關(guān)知識(shí): 在a/d轉(zhuǎn)換前置低通濾波器,來濾除干擾信號(hào),應(yīng)用放大電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度與元器件工作范圍的匹配。綜合傳感器知識(shí),設(shè)計(jì)決定采用熱敏電阻構(gòu)成的橋式電路來實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量與轉(zhuǎn)換。四、 整體構(gòu)思和方案選擇方案選擇:方案一:由555定時(shí)器組成多諧振蕩電路,時(shí)鐘電路產(chǎn)生100ms頻率時(shí)鐘,現(xiàn)在就變成了

3、每100ms計(jì)數(shù)器內(nèi)所計(jì)的數(shù)再經(jīng)分頻來作為溫度。每100ms到來時(shí),對(duì)鎖存器電路鎖存,鎖存以后才能對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。方案二:系統(tǒng)框圖如圖1所示,溫度傳感器測(cè)量溫度,轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后經(jīng)過濾波消除干擾信號(hào),放大電路將所測(cè)信號(hào)幅度與后續(xù)電路的工作范圍做一匹配,所得有用信號(hào)經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換專職轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。此數(shù)字信號(hào)有三條路徑:一、進(jìn)入超限報(bào)警裝置與所設(shè)定的溫度范圍進(jìn)行比較,若超限則發(fā)出聲光報(bào)警;二、經(jīng)過碼制轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)碼管顯示當(dāng)前所測(cè)溫度;三、進(jìn)入數(shù)字比較器與輸入的控制溫度進(jìn)行比較,產(chǎn)生溫度控制機(jī)構(gòu)的工作信號(hào),同時(shí)顯示輸入的控制溫度。此系統(tǒng)可以對(duì)被測(cè)體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量,并進(jìn)行有效控制,總體上實(shí)

4、現(xiàn)了溫度的測(cè)量與控制。圖1方案三:系統(tǒng)框圖如圖2所示,溫度傳感器用來測(cè)量被測(cè)體的實(shí)時(shí)溫度并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),該電壓信號(hào)經(jīng)過濾波放大電路,成為有用信號(hào)分兩路進(jìn)入后續(xù)電路:一路進(jìn)入a/d轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)顯示;電壓信號(hào)的另一路進(jìn)入電壓比較器,與輸入控制溫度電壓信號(hào)進(jìn)行比較,比較結(jié)果信號(hào)將驅(qū)動(dòng)溫度控制裝置工作,對(duì)被測(cè)體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,電壓比較器的比較結(jié)果將決定是否發(fā)出聲光報(bào)警。此方案是將測(cè)量溫度與輸入控制溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)了溫度的控制。圖2方案選擇:方案一:將熱電阻由溫度的變化通過555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器完成v/f變換。利用分頻實(shí)現(xiàn)控制溫度與頻率的對(duì)應(yīng),整個(gè)電路中以頻

5、率為參數(shù)參與溫度的控制過程。由于其中計(jì)數(shù)器、分頻器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等功能設(shè)計(jì)困難,故舍棄。方案二:將所有的信號(hào)都轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)處理,克服了模擬信號(hào)易受干擾的缺點(diǎn)。而且系統(tǒng)的主要處理部件均采用數(shù)字式的元器件,從而使信號(hào)的模式與之匹配,對(duì)于信號(hào)處理的精度就有了保證。但是由于其上、下限溫度限定電路復(fù)雜,故舍棄。方案三:符合要求中控制溫度與測(cè)量溫度的要求。控制電路中以模擬信號(hào)為主,實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確。綜上所述,考慮到三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn),選擇方案三作為我們此次溫度測(cè)量與控制電路的設(shè)計(jì)方案。整體構(gòu)思:總體設(shè)計(jì)框圖如下圖3所示,從溫度的采集到與設(shè)定溫度的比較,再到控制過程都是模擬信號(hào),在顯示電路中,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)

6、換成數(shù)字信號(hào)顯示。主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成:溫度傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、控制電路(溫控電路)、聲光報(bào)警器、轉(zhuǎn)碼電路、顯示電路、加熱電路。圖3五、 具體實(shí)現(xiàn)和各部分定性說明及定量計(jì)算下面就整體構(gòu)思中提及的八大模塊,依次進(jìn)行詳細(xì)的說明。包括:工作原理、原理圖、元器件的選擇、參數(shù)計(jì)算。最后附上元件的清單表。各模塊設(shè)計(jì):1、 溫度傳感器:a)鉑測(cè)溫金屬:金屬具有隨著溫度的升高電阻值增大的特性,電阻率與溫度的具體關(guān)系為:=0(1+t),其中0為零度時(shí)導(dǎo)體的電阻率,為導(dǎo)體的溫度系數(shù)。利用金屬的這一特性,我們可以通過監(jiān)測(cè)金屬電阻的變化實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。制作測(cè)溫電阻的材料除了鉑以外還可以是銅活鎳等,而鉑的

7、純度大于99.999%,是最佳的測(cè)溫材料。常見鉑測(cè)溫電阻的標(biāo)稱電阻值為100,溫度系數(shù)是3850×10-6/。標(biāo)稱值的誤差影響偏置,而溫度系數(shù)的誤差影響增益。溫度跨度越大誤差也越大。標(biāo)稱值的誤差可用一點(diǎn)調(diào)整,而溫度系數(shù)的誤差要由間隔溫度的兩點(diǎn)調(diào)整。當(dāng)要求很細(xì)微的調(diào)整溫度時(shí),要選用溫度系數(shù)一致的傳感器。 b)測(cè)溫基本電路:電路的輸出: eout=r1rvin /(r1 +r0 +r)(r1 +r0 )由于分母中有r項(xiàng)的存在,在恒定條件下工作除了傳感器的非線性誤差外,還有恒壓電路產(chǎn)生的誤差,使得誤差變得更大。為此在恒壓下工作必須要有線性校正電路。線性校正電路: 恒壓工作時(shí),在傳感器自身的

8、非線性誤差上還有一個(gè)由恒壓工作帶來的非線性誤差,不進(jìn)行校正就無法實(shí)現(xiàn)該精度測(cè)量。校正的方法采用正反饋線性校正。如圖4,在電路中,把運(yùn)算放大器a 2 的輸入反饋到輸入端v in ,反饋量由r 3、vr 3 、r 4 決定,而且是串聯(lián)加到v in 。這樣v out 大,對(duì)傳感器所加的電壓v b 也大,結(jié)果使得v out 變小,實(shí)現(xiàn)了線性校正。圖42、 a/d轉(zhuǎn)換器a/d轉(zhuǎn)換部分有兩種方案:方案一:利用集成芯片ad574,再結(jié)合兩片74ls283(4 位二進(jìn)制超前進(jìn)位全加器)構(gòu)成。該方案工作原理是先將模擬量轉(zhuǎn)換成9位二進(jìn)制數(shù),再將最低一位和前八位相加這樣就可以將測(cè)量精度提高到±0.5.方案

9、二:利用電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換,此種方案要求的比較器個(gè)數(shù)較多,不符合節(jié)約型社會(huì)的要求,而且電路復(fù)雜,較難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。綜合考慮,選擇方案一,即ad574來實(shí)現(xiàn)a/d轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)原理圖如下圖5所示:濾波放大信號(hào)的輸出作為a/d轉(zhuǎn)換的模擬量輸入,進(jìn)入引腳20vin,引腳d0d9作為數(shù)字信號(hào)輸出,當(dāng)電路圖如此連接后就可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,當(dāng)經(jīng)過濾波放大的電壓信號(hào)輸入時(shí),經(jīng)過轉(zhuǎn)換就可以輸出9位二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。將這9位數(shù)字信號(hào)的高8位與最低一位相加,從而將轉(zhuǎn)換精度提高。圖53、 電壓比較器lm324是運(yùn)放集成電路,電路模型如圖6所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器,除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。

10、每一組運(yùn)算放大器可用圖7所示的符號(hào)來表示,它有5個(gè)引出腳,其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端,“v+”、“v-”為正、負(fù)電源端,“vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中,vi-(-)為反相輸入端;vi+(+)為同相輸入端。 lm324的引腳排列見圖7。 圖6 圖74、 控制電路(溫控電路)由于通過溫度傳感器測(cè)得溫度后,將溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值,因此,利用電壓值之間的大小關(guān)系就可以控制溫度的大小。我們調(diào)節(jié)溫度是將其轉(zhuǎn)化為電壓的形式,通過改變電壓值來實(shí)現(xiàn)控制溫度與被測(cè)溫度的比較。所以,利用剛才介紹的lm324電壓比較器來完成控制電路的核心控制,由于比較器最小輸入電壓差為40mv,而溫度測(cè)量中輸出電壓精度在5

11、mv,因此需要加大電阻以提高電壓值,以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電壓的正常比較??刂齐娐穲D如下:圖8溫度控制選擇可通過電位器w2來實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)w2可使其中間頭的電壓在01.2v之間的范圍內(nèi)變換,對(duì)應(yīng)的控制溫度范圍為0120,完全可以滿足一般的加熱需要。將開關(guān)k打在2的位置,電位器w2中間頭的電壓經(jīng)過電壓跟隨器a后送到數(shù)顯表頭輸入端來顯示控制溫度數(shù)值 調(diào)節(jié)電位器w2,數(shù)顯表頭所顯示的數(shù)值隨之變化,所顯示的溫度數(shù)值即為控制溫度值電位器w1為預(yù)控溫度調(diào)節(jié),其電壓調(diào)節(jié)范圍為00.27v,對(duì)應(yīng)可調(diào)節(jié)溫度范圍為027此電位器調(diào)整后,其中間頭的電壓與電位器w2中間頭的電壓分別送入比較放大器b(放大倍數(shù)為1)的反相及同相輸入端

12、,b輸出端的電壓為二輸入電壓之差此電壓對(duì)應(yīng)兩個(gè)設(shè)定的溫度值之差當(dāng)溫度傳感器輸出的電壓小于b的輸出電壓時(shí),c輸出高電平。 當(dāng)溫度傳感器輸出的電壓大于b的輸出電壓而小于a的輸出電壓時(shí),表明實(shí)際溫度已接近控制溫度,c輸出低電平,電壓比較器d輸出高電平。當(dāng)實(shí)際溫度上升到100以上時(shí),溫度傳感器的輸出電壓大于1v,電壓比較器d輸出低電平。5、 聲光報(bào)警器該報(bào)警裝置如圖9所示,主要構(gòu)成器件為555定時(shí)器集成芯片。它組成的多諧振蕩器再加上發(fā)光器件和揚(yáng)聲器,就構(gòu)成了此聲光報(bào)警器,當(dāng)前置電路產(chǎn)生的邏輯信號(hào)為高電平時(shí),則該聲光報(bào)警裝置工作,發(fā)出聲光報(bào)警。該設(shè)計(jì)的發(fā)聲頻率為: f=1.44/(r1+2r2)c1 1

13、0khz所以,發(fā)聲持續(xù)時(shí)間: t=1/f1×10-4s圖9當(dāng)測(cè)溫電路測(cè)量出溫度時(shí),信號(hào)傳送至rst端即可,電路如圖10:圖106、 轉(zhuǎn)碼電路當(dāng)電壓信號(hào)經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后變成了8位二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào),而后續(xù)電路需要的是8421bcd碼,所以需要進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換。我們選用集成芯片74185來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能,如圖11是74185的元件圖:圖117、 顯示電路如圖12所示,為控制溫度的顯示電路。這里采用的是七輸入數(shù)碼管,即七段顯示數(shù)碼管,這種數(shù)碼管有共陰極和共陽極之分。應(yīng)用此種數(shù)碼管時(shí),必須前置譯碼電路,即7448n七段數(shù)碼顯示譯碼器。 圖128、 加熱電路圖13加熱電路如圖13,當(dāng)溫度傳感器輸

14、出的電壓小于b的輸出電壓時(shí),c輸出高電平,可控硅t1因獲得偏流一直導(dǎo)通,交流220v直接加在電熱元件兩端,進(jìn)行大功率快速加熱當(dāng)溫度傳感器輸出的電壓大于b的輸出電壓而小于a的輸出電壓時(shí),表明實(shí)際溫度已接近控制溫度,c輸出低電平,可控硅t1因無偏流處于截止?fàn)顟B(tài),電壓比較器d輸出高電平,可控硅t2仍處于導(dǎo)通狀態(tài),交流220v需要通過二極管d2加在電熱元件兩端,進(jìn)行小功率慢速加熱當(dāng)實(shí)際溫度上升到100以上時(shí),溫度傳感器的輸出電壓大于1v,電壓比較器d輸出低電平,可控硅t2也截止,電熱元件斷電,停止加熱??傠娐吩韴D: 以下是用總線連接的原理圖和最終的總電路原理圖。其中總線連接的原理圖中各分電路在上述的

15、模塊設(shè)計(jì)已經(jīng)詳細(xì)指出,只需要用總線連接在一起即可。另外,附上網(wǎng)上的一個(gè)原電路圖,圖中有部分參數(shù)和元件我已經(jīng)做了修改,僅作參考而已!采用總線形式連接的原理圖總電路原理圖網(wǎng)上總電路原理參考圖元件清單表:序號(hào)元器件型號(hào)名稱功能數(shù)量1ad548ch運(yùn)算放大器12ad648ch運(yùn)算放大器13ad57412位a/d轉(zhuǎn)換器1474ls283d4 位二進(jìn)制超前進(jìn)位全加器2574185二進(jìn)制8421bcd轉(zhuǎn)換器36lm324d差動(dòng)輸入四運(yùn)算放大器4774ls32d兩輸入或非門1802bz2.2穩(wěn)壓管19sonalert蜂鳴器110555定時(shí)器1117448n七段數(shù)碼顯示譯碼器3127輸入數(shù)碼管7輸入數(shù)碼管313

16、2n5444可控硅2141n1202c整流器115vcc/vee直流電壓源若干六、 設(shè)計(jì)收獲、體會(huì)和建議第一次接觸數(shù)字電子技術(shù)的課程設(shè)計(jì),對(duì)我來說,確實(shí)是項(xiàng)浩大的工程!雖然可選擇的題目非常多,但是個(gè)個(gè)都有特點(diǎn),都有難點(diǎn)。想要編出一個(gè)符合題意的電路圖,不光需要的是理論上的知識(shí)支撐,還必須有吃苦耐勞,對(duì)真理追求的執(zhí)著精神。因?yàn)樵谶@個(gè)過程中,為了達(dá)到更高的要求,往往會(huì)涉及到高深知識(shí),然后自己就不得不去查找相關(guān)的資料,來擴(kuò)充自己的知識(shí)面,無論是對(duì)數(shù)電,對(duì)自己學(xué)習(xí)的習(xí)慣和方法都是一個(gè)很好的鍛煉!下面來分模塊講一講自己的收獲和體會(huì):測(cè)溫電路,主要的應(yīng)用就是鉑電阻測(cè)溫基本電路。其間運(yùn)用了ad548ch和ad

17、648ch兩個(gè)電壓比較器進(jìn)行溫度的比較測(cè)量。由于電路的輸出有r存在,故有可能產(chǎn)生線性漂移。所以外加了一個(gè)正反饋線性調(diào)整電路,減弱了由于傳感器自身的非線性誤差引起的誤差??刂齐娐肥窃O(shè)計(jì)的核心。通過溫度傳感器測(cè)得溫度后,將溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值,因此,利用電壓值之間的大小關(guān)系就可以控制溫度的大小,這就涉及到一個(gè)物理量的轉(zhuǎn)換問題。所以,控制電路在調(diào)控溫度時(shí),就可以調(diào)節(jié)電壓的大小來間接調(diào)節(jié)溫度的高低。四個(gè)連續(xù)的lm324d構(gòu)成了控制電路的核心部件,而調(diào)節(jié)溫度的具體實(shí)現(xiàn)為w1,w2兩個(gè)電位器的調(diào)節(jié)。根據(jù)電路的vcr,可以計(jì)算出從0120時(shí),w1為468歐姆,w2為35.6k歐姆。聲光報(bào)警電路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,

18、其核心部件為555定時(shí)器。由于我們剛上了數(shù)電,對(duì)555定時(shí)的原理和功能有了較全面的了解,所以設(shè)計(jì)起來得心應(yīng)手。其中的關(guān)鍵是如何判定超限。該電路用了兩個(gè)lm324d電壓比較器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度上限和溫度下限的比較,經(jīng)過一與門進(jìn)入555的co電壓控制端,實(shí)現(xiàn)了報(bào)警的溫度控制。其中555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,產(chǎn)生一個(gè)固定的頻率用于蜂鳴器的報(bào)警。a/d轉(zhuǎn)換電路采用了美國模擬數(shù)字公司(analog)推出的單片高速12位逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器,應(yīng)用單極性輸出,將傳送過來的電壓值輸出8位二進(jìn)制代碼,再由兩片74ls283d(4 位二進(jìn)制超前進(jìn)位全加器)算出電壓和。為輸出系統(tǒng)的溫度值做準(zhǔn)備。顯示電路首先需要將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,再將其變?yōu)?421bcd碼。具體實(shí)現(xiàn)為用74185將模擬量轉(zhuǎn)為8421bcd碼。然后用三片7448n前置電路將8421bcd碼轉(zhuǎn)換為7段數(shù)碼顯示譯碼器能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào),顯示溫度。電熱電路的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,采用了兩個(gè)可控硅t1、t2,充當(dāng)了二極管的作用,不過優(yōu)勢(shì)之處在于有快速加熱和慢速加熱之分。因?yàn)檎蚝头聪蛟试S通過的電流限額不同,其加熱的速率也就不一樣。最后,通過這次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì),讓我掌握了不少關(guān)于溫控設(shè)計(jì)的知識(shí)。其中最大的收獲莫

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