電子技術課程設計-溫度測量與控制器

1、<p><b>　　電子技術課程設計</b></p><p>　　題目名稱： 溫度測量與控制器 </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　姓 名： &

2、lt;/p><p>　　指導教師： </p><p>　　日 期： </p><p><b>　　設計題目</b></p><p><b>　　溫度測量與控制器</b></p><p><b>　

3、　設計任務與要求</b></p><p>　　溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學研究中，經(jīng)常需要對某一系統(tǒng)的溫度進行測量，并能自動地控制、調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的溫度。下面設計并制作對某一系統(tǒng)的溫度進行測量與控制的電路。</p><p><b>　　電路要求為：</b></p><p>　　被測溫度和控制溫度均可數(shù)字顯示。<

4、;/p><p>　　測量溫度范圍為~，精度為。</p><p>　　控制溫度連續(xù)可調(diào)，精度為。</p><p>　　溫度超過額定值時，產(chǎn)生聲、光報警信號。</p><p><b>　　題目分析和內(nèi)容摘要</b></p><p><b>　　題目分析：</b></p>

5、<p>　　溫度測量與控制電路是在實際應用中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和數(shù)字電子技術的知識，同時綜合溫度傳感器的相關應用，實現(xiàn)溫度測量與控制電路的設計。</p><p><b>　　內(nèi)容摘要：</b></p><p>　　本次設計以數(shù)字電子技術的基礎知識為主：用電壓比較器來實現(xiàn)溫度控制裝置，采用555構成的多諧振蕩器來實現(xiàn)聲光報

6、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)換應用集成芯片完成。同時運用到模擬電子技術中的濾波放大電路的相關知識： 在A/D轉(zhuǎn)換前置低通濾波器，來濾除干擾信號，應用放大電路來實現(xiàn)信號幅度與元器件工作范圍的匹配。綜合傳感器知識，設計決定采用熱敏電阻構成的橋式電路來實現(xiàn)溫度的測量與轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　整體構思和方案選擇</b></p><p>

7、<b>　　方案選擇：</b></p><p>　　方案一：由555定時器組成多諧振蕩電路，時鐘電路產(chǎn)生100ms頻率時鐘，現(xiàn)在就變成了每100ms計數(shù)器內(nèi)所計的數(shù)再經(jīng)分頻來作為溫度。每100ms到來時，對鎖存器電路鎖存，鎖存以后才能對計數(shù)器進行清零。</p><p>　　方案二：系統(tǒng)框圖如圖1所示，溫度傳感器測量溫度，轉(zhuǎn)換成電壓信號后經(jīng)過濾波消除干擾信號，放大電路將

8、所測信號幅度與后續(xù)電路的工作范圍做一匹配，所得有用信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換專職轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。此數(shù)字信號有三條路徑：一、進入超限報警裝置與所設定的溫度范圍進行比較，若超限則發(fā)出聲光報警；二、經(jīng)過碼制轉(zhuǎn)換后進入數(shù)碼管顯示當前所測溫度；三、進入數(shù)字比較器與輸入的控制溫度進行比較，產(chǎn)生溫度控制機構的工作信號，同時顯示輸入的控制溫度。此系統(tǒng)可以對被測體的溫度進行實時跟蹤測量，并進行有效控制，總體上實現(xiàn)了溫度的測量與控制。</p><

9、;p><b>　　圖1</b></p><p>　　方案三：系統(tǒng)框圖如圖2所示，溫度傳感器用來測量被測體的實時溫度并轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)過濾波放大電路，成為有用信號分兩路進入后續(xù)電路：一路進入A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號顯示；電壓信號的另一路進入電壓比較器，與輸入控制溫度電壓信號進行比較，比較結果信號將驅(qū)動溫度控制裝置工作，對被測體的溫度進行實時控制，電壓比較器的比較結果將

10、決定是否發(fā)出聲光報警。此方案是將測量溫度與輸入控制溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號進行比較，從而實現(xiàn)了溫度的控制。</p><p><b>　　圖2</b></p><p><b>　　方案選擇：</b></p><p>　　方案一：將熱電阻由溫度的變化通過555定時器構成的多諧振蕩器完成V/F變換。利用分頻實現(xiàn)控制溫度與頻率的對應，整

11、個電路中以頻率為參數(shù)參與溫度的控制過程。由于其中計數(shù)器、分頻器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等功能設計困難，故舍棄。</p><p>　　方案二：將所有的信號都轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號處理，克服了模擬信號易受干擾的缺點。而且系統(tǒng)的主要處理部件均采用數(shù)字式的元器件，從而使信號的模式與之匹配，對于信號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雜，故舍棄。</p><p>　　方案三：符合要求中控制溫度與測量

12、溫度的要求?？刂齐娐分幸阅M信號為主，實現(xiàn)起來簡單且準確。</p><p>　　綜上所述，考慮到三個方案的優(yōu)缺點，選擇方案三作為我們此次溫度測量與控制電路的設計方案。</p><p><b>　　整體構思：</b></p><p>　　總體設計框圖如下圖3所示，從溫度的采集到與設定溫度的比較，再到控制過程都是模擬信號，在顯示電路中，將模擬信號轉(zhuǎn)

13、換成數(shù)字信號顯示。主要由以下幾個模塊構成：溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、控制電路（溫控電路）、聲光報警器、轉(zhuǎn)碼電路、顯示電路、加熱電路。</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　具體實現(xiàn)和各部分定性說明及定量計算</p><p>　　下面就整體構思中提及的八大模塊，依次進行詳細的說明。包括：工作原理、原理圖、元器件

14、的選擇、參數(shù)計算。最后附上元件的清單表。</p><p><b>　　各模塊設計：</b></p><p><b>　　溫度傳感器：</b></p><p><b>　　a)鉑測溫金屬：</b></p><p>　　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系

15、為：ρ=ρ0（1+αt），其中ρ0為零度時導體的電阻率，α為導體的溫度系數(shù)。利用金屬的這一特性，我們可以通過監(jiān)測金屬電阻的變化實現(xiàn)溫度測量。制作測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99.999%，是最佳的測溫材料。</p><p>　　常見鉑測溫電阻的標稱電阻值為100Ω，溫度系數(shù)是3850×10-6/℃。標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。標稱值

16、的誤差可用一點調(diào)整，而溫度系數(shù)的誤差要由間隔溫度的兩點調(diào)整。當要求很細微的調(diào)整溫度時，要選用溫度系數(shù)一致的傳感器。</p><p><b>　　b)測溫基本電路:</b></p><p>　　電路的輸出: Eout=R1ΔRVIN /(R1 +R0 +ΔR)(R1 +R0 )</p><p>　　由于分母中有ΔR項的存在，在恒定條件下工作除了傳

17、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。</p><p>　　線性校正電路: 恒壓工作時，在傳感器自身的非線性誤差上還有一個由恒壓工作帶來的非線性誤差，不進行校正就無法實現(xiàn)該精度測量。</p><p>　　校正的方法采用正反饋線性校正。如圖4，在電路中，把運算放大器A 2 的輸入反饋到輸入端V in ，反饋量由R 3、VR 3 、

18、R 4 決定，而且是串聯(lián)加到V in 。這樣V out 大，對傳感器所加的電壓V B 也大，結果使得V out 變小，實現(xiàn)了線性校正。</p><p><b>　　圖4</b></p><p><b>　　A/D轉(zhuǎn)換器</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換部分有兩種方案：</p><p>　　方案

19、一：利用集成芯片AD574，再結合兩片74LS283（4 位二進制超前進位全加器）構成。該方案工作原理是先將模擬量轉(zhuǎn)換成9位二進制數(shù)，再將最低一位和前八位相加這樣就可以將測量精度提高到±0.5℃.</p><p>　　方案二：利用電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，此種方案要求的比較器個數(shù)較多，不符合節(jié)約型社會的要求，而且電路復雜，較難準確實現(xiàn)。</p><p>　　綜合考慮，選擇方案一，即

20、AD574來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。設計原理圖如下圖5所示：濾波放大信號的輸出作為A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入，進入引腳20VIN，引腳D0～D9作為數(shù)字信號輸出，當電路圖如此連接后就可以實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，當經(jīng)過濾波放大的電壓信號輸入時，經(jīng)過轉(zhuǎn)換就可以輸出9位二進制的數(shù)字信號。將這9位數(shù)字信號的高8位與最低一位相加，從而將轉(zhuǎn)換精度提高。</p><p><b>　　圖5</b></p>&l

21、t;p><b>　　電壓比較器</b></p><p>　　LM324是運放集成電路，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算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖7所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端；Vi+（+）為同相

22、輸入端。 LM324的引腳排列見圖7。</p><p>　　圖6 圖7</p><p>　　控制電路（溫控電路）</p><p>　　由于通過溫度傳感器測得溫度后，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現(xiàn)控制溫度與被測溫度的

23、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，而溫度測量中輸出電壓精度在5mV，因此需要加大電阻以提高電壓值，以實現(xiàn)兩個電壓的正常比較?？刂齐娐穲D如下：</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　溫度控制選擇可通過電位器W2來實現(xiàn)．通過調(diào)節(jié)W2可使其中間頭的電壓在0~1.2V之間的范圍內(nèi)

24、變換，對應的控制溫度范圍為0~120℃，完全可以滿足一般的加熱需要。將開關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為預控溫度調(diào)節(jié)，其電壓調(diào)節(jié)范圍為0——0.27V，對應可調(diào)節(jié)溫度范圍為0——27℃．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

25、倍數(shù)為1）的反相及同相輸入端，B輸出端的電壓為二輸入電壓之差．此電壓對應兩個設定的溫度值之差．　　當溫度傳感器輸出的電壓小于B的輸出電壓時，C輸出高電平。　　 當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，表明實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。當實際溫度上升到100℃以上時，溫度傳感器的輸出電壓大于1V，電壓比較器D輸出低電平。</p><p><b&

26、gt;　　聲光報警器</b></p><p>　　該報警裝置如圖9所示，主要構成器件為555定時器集成芯片。它組成的多諧振蕩器再加上發(fā)光器件和揚聲器，就構成了此聲光報警器，當前置電路產(chǎn)生的邏輯信號為高電平時，則該聲光報警裝置工作，發(fā)出聲光報警。該設計的發(fā)聲頻率為：</p><p>　　f=1.44/[(R1+2R2)C1] ≈10KHZ</p><p>

27、　　所以，發(fā)聲持續(xù)時間： T=1/f≈1×10-4s</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　當測溫電路測量出溫度時，信號傳送至RST端即可，電路如圖10：</p><p><b>　　圖10</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)碼電路</b>

28、;</p><p>　　當電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后變成了8位二進制的數(shù)字信號，而后續(xù)電路需要的是8421BCD碼，所以需要進行碼制轉(zhuǎn)換。我們選用集成芯片74185來實現(xiàn)這個功能,如圖11是74185的元件圖：</p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　顯示電路</b></p>

29、<p>　　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。應用此種數(shù)碼管時，必須前置譯碼電路，即7448N七段數(shù)碼顯示譯碼器。</p><p><b>　　圖12</b></p><p><b>　　加熱電路</b></p><p><b

30、>　　圖13</b></p><p>　　加熱電路如圖13，當溫度傳感器輸出的電壓小于B的輸出電壓時，C輸出高電平，可控硅T1因獲得偏流一直導通，交流220V直接加在電熱元件兩端，進行大功率快速加熱．　當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，表明實際溫度已接近控制溫度，C輸出低電平，可控硅T1因無偏流處于截止狀態(tài)，電壓比較器D輸出高電平，可控硅T2仍處于導通狀態(tài)，交流220V

31、需要通過二極管D2加在電熱元件兩端，進行小功率慢速加熱</p><p>　　當實際溫度上升到100℃以上時，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。</p><p><b>　　總電路原理圖：</b></p><p>　　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

32、各分電路在上述的模塊設計已經(jīng)詳細指出，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?。。?lt;/p><p>　　采用總線形式連接的原理圖</p><p><b>　　總電路原理圖</b></p><p>　　網(wǎng)上總電路原理參考圖</p><p><b>

33、;　　元件清單表：</b></p><p>　　設計收獲、體會和建議</p><p>　　第一次接觸數(shù)字電子技術的課程設計，對我來說，確實是項浩大的工程！雖然可選擇的題目非常多，但是個個都有特點，都有難點。想要編出一個符合題意的電路圖，不光需要的是理論上的知識支撐，還必須有吃苦耐勞，對真理追求的執(zhí)著精神。因為在這個過程中，為了達到更高的要求，往往會涉及到高深知識，然后自己就不得

34、不去查找相關的資料，來擴充自己的知識面，無論是對數(shù)電，對自己學習的習慣和方法都是一個很好的鍛煉！</p><p>　　下面來分模塊講一講自己的收獲和體會：</p><p>　　測溫電路，主要的應用就是鉑電阻測溫基本電路。其間運用了AD548CH和AD648CH兩個電壓比較器進行溫度的比較測量。由于電路的輸出有△R存在，故有可能產(chǎn)生線性漂移。所以外加了一個正反饋線性調(diào)整電路，減弱了由于傳感器

35、自身的非線性誤差引起的誤差。</p><p>　　控制電路是設計的核心。通過溫度傳感器測得溫度后，將溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值，因此，利用電壓值之間的大小關系就可以控制溫度的大小，這就涉及到一個物理量的轉(zhuǎn)換問題。所以，控制電路在調(diào)控溫度時，就可以調(diào)節(jié)電壓的大小來間接調(diào)節(jié)溫度的高低。四個連續(xù)的LM324D構成了控制電路的核心部件，而調(diào)節(jié)溫度的具體實現(xiàn)為W1，W2兩個電位器的調(diào)節(jié)。根據(jù)電路的VCR，可以計算出從0~120℃時

36、，W1為468歐姆，W2為35.6K歐姆。</p><p>　　聲光報警電路的結構比較簡單，其核心部件為555定時器。由于我們剛上了數(shù)電，對555定時的原理和功能有了較全面的了解，所以設計起來得心應手。其中的關鍵是如何判定超限。該電路用了兩個LM324D電壓比較器，實現(xiàn)了對溫度上限和溫度下限的比較，經(jīng)過一與門進入555的CO電壓控制端，實現(xiàn)了報警的溫度控制。其中555定時器構成多諧振蕩器，產(chǎn)生一個固定的頻率用于蜂

37、鳴器的報警。</p><p>　　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，應用單極性輸出，將傳送過來的電壓值輸出8位二進制代碼，再由兩片74LS283D（4 位二進制超前進位全加器）算出電壓和。為輸出系統(tǒng)的溫度值做準備。</p><p>　　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。具體實現(xiàn)為用74185將模擬

38、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別的數(shù)字信號，顯示溫度。</p><p>　　電熱電路的實現(xiàn)比較簡單，采用了兩個可控硅T1、T2，充當了二極管的作用，不過優(yōu)勢之處在于有快速加熱和慢速加熱之分。因為正向和反向允許通過的電流限額不同，其加熱的速率也就不一樣。</p><p>　　最后，通過這次電子技術課程設計，讓我掌握了不少關

39、于溫控設計的知識。其中最大的收獲莫過于學會了使用Multisim這個強大的軟件，其地位不亞于Matlab。里面所有的電路圖均為本人使用Multisim畫出來的，由于對軟件的不熟悉，和元件庫的缺失，有些元件比如AD574、74LS283D等無法用軟件模擬出來，所以也就無法發(fā)揮出Multisim最強大的功能：仿真。實乃一大遺憾。不過，本次課程設計確實讓我大開眼界，認識到了如此有用的軟件。加深了電壓比較器的認識和一些專業(yè)元件比如可控硅，整流管

40、等?？傊?，感謝老師給予我的這次鍛煉自己的機會，在今后的學習中，我一定會保持這種追求真理，探索知識的優(yōu)秀品質(zhì)！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1、《電子技術實驗》 郝國法 粱柏華 編著 冶金工業(yè)出版社 2007年4月第1版</p><p>　　2、《電子技術基礎（模擬部分）第五版》 康華光 主編 高等教育出版社

41、 2006年1月第5版</p><p>　　3、《電子技術基礎（數(shù)字部分）第五版》 康華光 主編 高等教育出版社 2006年1月第5版</p><p>　　4、《數(shù)字電子技術》 吳建國 張彥 主編 華中科技大學出版社 2010年8月第1版第1次印刷</p><p>　　5、《數(shù)字電路課程設計及實驗》 李維 主編 大連理工大學出版社 2008年第1版</p>

42、;<p>　　6、《電子技術實驗與實踐》 李素梅 郭榮生 編著 中國石油大學出版社 2007年10月第1版</p><p>　　7、《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 2007年7月第1版</p><p>　　8、《數(shù)字電子技術》 James Bignell Robert Donovan 編著 科學出版社 2005年