溫度測(cè)量與控制課程設(shè)計(jì)

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(guò)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)的知識(shí)，同時(shí)

2、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(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制裝置，采用555構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)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(lái)濾除干擾信號(hào)，應(yīng)用放大電路來(lái)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(lái)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)在就變成了每100ms

3、計(jì)數(shù)器內(nèi)所計(jì)的數(shù)再經(jīng)分頻來(lái)作為溫度。每100ms到來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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)現(xiàn)了溫度的測(cè)

4、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(lái)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(guò)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(guò)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)電路中以頻率為參數(shù)參與

5、溫度的控制過(guò)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?？刂齐娐分幸阅M信號(hào)為主，實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(guò)程都是模擬信號(hào)，在顯示電路中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)

6、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(shuō)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(shuō)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(guò)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，而鉑的純度大于99

7、.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)，在傳感器自身的非線性誤差上

8、還有一個(gè)由恒壓工作帶來(lái)的非線性誤差，不進(jìn)行校正就無(wú)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.方案二：利用電阻

9、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(lái)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(guò)濾波放大的電壓信號(hào)輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)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。每一組運(yùn)算放

10、大器可用圖7所示的符號(hào)來(lái)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(guò)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(guò)改變電壓值來(lái)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(lái)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5mV，因此需要

11、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(guò)電位器W2來(lái)實(shí)現(xiàn)通過(guò)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(guò)電壓跟隨器A后送到數(shù)顯表頭輸入端來(lái)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，B輸出端的電壓

12、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 10KHZ所以，發(fā)聲

13、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(guò)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(lái)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(yáng)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)溫度傳感器輸出的電壓小于B的輸出

14、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(wú)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(guò)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模塊設(shè)計(jì)已經(jīng)詳細(xì)指出，

15、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3132N5444可控硅21

16、41N1202C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(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)擴(kuò)充自己的知識(shí)面，無(wú)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(lái)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AD648CH兩個(gè)電壓比較

17、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(guò)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(lái)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，其核心部件為555定時(shí)

18、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(lái)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(guò)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(guó)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(guò)來(lái)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(guò)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(guò)的電流限額不同，其加熱的速率也就不一樣。最后，通過(guò)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