温度测量与控制课程设计

电子技术课程设计

题目名称：温度测量与控制器

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指导教师：

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一、 设计题目

温度测量与控制器

二、 设计任务与要求

温度是表征物体冷热程度的物理量，在工农业生产或科学研究中，经常需要对某一系统的温度进行测量，并能自动地控制、调节该系统的温度。下面设计并制作对某一系统的温度进行测量与控制的电路。

电路要求为：

① 被测温度和控制温度均可数字显示。

② 测量温度范围为C 0?~C 120?，精度为C 0.5±?

。 ③ 控制温度连续可调，精度为C 1±?。

④ 温度超过额定值时，产生声、光报警信号。

三、 题目分析和内容摘要

题目分析：

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，同时综合温度传感器的相关应用，实现温度测量与控制电路的设计。

内容摘要：

本次设计以数字电子技术的基础知识为主：用电压比较器来实现温度控制装置，采用555构成的多谐振荡器来实现声光报警装置，用内置译码器的四输入数码管译码显示温度，A/D 转换应用集成芯片完成。同时运用到模拟电子技术中的滤波放大电路的相关知识： 在A/D 转换前置低通滤波器，来滤除干扰信号，应用放大电路来实现信号幅度与元器件工作范围的匹配。综合传感器知识，设计决定采用热敏电阻构成的桥式电路来实现温度的测量与转换。

四、整体构思和方案选择

方案选择：

方案一：由555定时器组成多谐振荡电路，时钟电路产生100ms频率时钟，现在就变成了每100ms计数器内所计的数再经分频来作为温度。每100ms 到来时，对锁存器电路锁存，锁存以后才能对计数器进行清零。

方案二：系统框图如图1所示，温度传感器测量温度，转换成电压信号后经过滤波消除干扰信号，放大电路将所测信号幅度与后续电路的工作范围做一匹配，所得有用信号经过A/D转换专职转换成数字信号。此数字信号有三条路径：

一、进入超限报警装置与所设定的温度范围进行比较，若超限则发出声光报警；

二、经过码制转换后进入数码管显示当前所测温度；三、进入数字比较器与输入的控制温度进行比较，产生温度控制机构的工作信号，同时显示输入的控制温度。此系统可以对被测体的温度进行实时跟踪测量，并进行有效控制，总体上实现了温度的测量与控制。

图1

方案三：系统框图如图2所示，温度传感器用来测量被测体的实时温度并转换成电压信号，该电压信号经过滤波放大电路，成为有用信号分两路进入后续电路：一路进入A/D转换电路将其转换成数字信号显示；电压信号的另一路进入电压比较器，与输入控制温度电压信号进行比较，比较结果信号将驱动温度控制装置工作，对被测体的温度进行实时控制，电压比较器的比较结果将决定是否发出声光报警。此方案是将测量温度与输入控制温度转换成电压信号进行比较，从

而实现了温度的控制。

图2

方案选择：

方案一：将热电阻由温度的变化通过555定时器构成的多谐振荡器完成V/F变换。利用分频实现控制温度与频率的对应，整个电路中以频率为参数参与温度的控制过程。由于其中计数器、分频器和单稳态触发器等功能设计困难，故舍弃。

方案二：将所有的信号都转换成数字信号处理，克服了模拟信号易受干扰的缺点。而且系统的主要处理部件均采用数字式的元器件，从而使信号的模式与之匹配，对于信号处理的精度就有了保证。但是由于其上、下限温度限定电路复杂，故舍弃。

方案三：符合要求中控制温度与测量温度的要求。控制电路中以模拟信号为主，实现起来简单且准确。

综上所述，考虑到三个方案的优缺点，选择方案三作为我们此次温度测量与控制电路的设计方案。

整体构思：

总体设计框图如下图3所示，从温度的采集到与设定温度的比较，再到控制过程都是模拟信号，在显示电路中，将模拟信号转换成数字信号显示。主要由以下几个模块构成：温度传感器、A/D转换器、电压比较器、控制电路（温控电路）、声光报警器、转码电路、显示电路、加热电路。

图3

五、具体实现和各部分定性说明及定量计算

下面就整体构思中提及的八大模块，依次进行详细的说明。包括：工作原理、原理图、元器件的选择、参数计算。最后附上元件的清单表。

各模块设计：

1、温度传感器：

a)铂测温金属：

金属具有随着温度的升高电阻值增大的特性，电阻率与温度的具体关系为：ρ=ρ0（1+αt），其中ρ0为零度时导体的电阻率，α为导体的温度系数。利用金属的这一特性，我们可以通过监测金属电阻的变化实现温度测量。制作测温电阻的材料除了铂以外还可以是铜活镍等，而铂的纯度大于99.999%，是最佳的测温材料。

常见铂测温电阻的标称电阻值为100Ω，温度系数是3850×10-6/℃。标称值的误差影响偏置，而温度系数的误差影响增益。温度跨度越大误差也越大。标称值的误差可用一点调整，而温度系数的误差要由间隔温度的两点调整。当要求很细微的调整温度时，要选用温度系数一致的传感器。

b)测温基本电路:

电路的输出: E

out =R

1

ΔRV

IN

/(R

1

+R

+ΔR)(R

1

+R

)

由于分母中有ΔR项的存在，在恒定条件下工作除了传感器的非线性误差外，还有恒压电路产生的误差，使得误差变得更大。为此在恒压下工作必须要有线性校正电路。

线性校正电路: 恒压工作时，在传感器自身的非线性误差上还有一个由恒压工作带来的非线性误差，不进行校正就无法实现该精度测量。

校正的方法采用正反馈线性校正。如图4，在电路中，把运算放大

器A

2的输入反馈到输入端V

in

，反馈量由R

3

、VR

3

、R

4

决定，而且是串联加

到V

in 。这样V

out

大，对传感器所加的电压V

B

也大，结果使得V

out

变小，实

现了线性校正。

图4

2、A/D转换器

A/D转换部分有两种方案：

方案一：利用集成芯片AD574，再结合两片74LS283（4 位二进制超前进位全加器）构成。该方案工作原理是先将模拟量转换成9位二进制

数，再将最低一位和前八位相加这样就可以将测量精度提高到±0.5℃.

方案二：利用电阻网络实现A/D转换，此种方案要求的比较器

个数较多，不符合节约型社会的要求，而且电路复杂，较难准确实现。

综合考虑，选择方案一，即AD574来实现A/D转换。设计原理

图如下图5所示：滤波放大信号的输出作为A/D转换的模拟量输入，进入引，引脚D0～D9作为数字信号输出，当电路图如此连接后就可以实现

脚20V

IN

模数转换功能，当经过滤波放大的电压信号输入时，经过转换就可以输出9

位二进制的数字信号。将这9位数字信号的高8位与最低一位相加，从而将

转换精度提高。

图5

3、电压比较器

LM324是运放集成电路，电路模型如图6所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信

号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端；Vi+（+）为同相输入端。 LM324的引脚排列见图7。

图6 图7

4、控制电路（温控电路）

由于通过温度传感器测得温度后，将温度值转化为电压值，因此，利用电压值之间的大小关系就可以控制温度的大小。我们调节温度是将其转化为电压的形式，通过改变电压值来实现控制温度与被测温度的比较。所以，利用刚才介绍的LM324电压比较器来完成控制电路的核心控制，由于比较器最小输入电压差为40mV，而温度测量中输出电压精度在5mV，因此需要加大电阻以提高电压值，以实现两个电压的正常比较。控制电路图如下：

图8

温度控制选择可通过电位器W2来实现．通过调节W2可使其中间头的电压在0~1.2V之间的范围内变换，对应的控制温度范围为0~120℃，完全可以满足一般的加热需要。将开关K打在2的位置，电位器W2中间头的电压经过电压跟随器A后送到数显表头输入端来显示控制温度数值．

调节电位器W2，数显表头所显示的数值随之变化，所显示的温度数值即为控制温度值．电位器W1为预控温度调节，其电压调节范围为0——0.27V，对应可调节温度范围为0——27℃．此电位器调整后，其中间头的电压与电位器W2中间头的电压分别送入比较放大器B(放大倍数为1）的反相及同相输入端，B 输出端的电压为二输入电压之差．此电压对应两个设定的温度值之差．当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时，C输出高电平。

当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电平，电压比较器D输出高电平。当实际温度上升到100℃以上时，温度传感器的输出电压大于1V，电压比较器D输出低电平。

5、声光报警器

该报警装置如图9所示，主要构成器件为555定时器集成芯片。它组成的多谐振荡器再加上发光器件和扬声器，就构成了此声光报警器，当前置电路

产生的逻辑信号为高电平时，则该声光报警装置工作，发出声光报警。该设计的发声频率为：

f=1.44/[(R

1+2R

2

)C

1

] ≈10KH

Z

所以，发声持续时间： T=1/f≈1×10-4s

图9

当测温电路测量出温度时，信号传送至RST端即可，电路如图10：

图10

6、转码电路

当电压信号经过A/D转换器转换后变成了8位二进制的数字信号，

而后续电路需要的是8421BCD码，所以需要进行码制转换。我们选用集成芯片74185来实现这个功能,如图11是74185的元件图：

图11

7、显示电路

如图12所示，为控制温度的显示电路。这里采用的是七输入数

码管，即七段显示数码管，这种数码管有共阴极和共阳极之分。应用此种数

码管时，必须前置译码电路，即7448N七段数码显示译码器。

图12

8、加热电路

图13

加热电路如图13，当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时，C 输出高电平，可控硅T1因获得偏流一直导通，交流220V直接加在电热元件两端，进行大功率快速加热．当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A 的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电平，可控硅T1因无偏流处于截止状态，电压比较器D输出高电平，可控硅T2仍处于导通状态，交流220V需要通过二极管D2加在电热元件两端，进行小功率慢速加热

当实际温度上升到100℃以上时，温度传感器的输出电压大于1V，电压比较器D输出低电平，可控硅T2也截止，电热元件断电，停止加热。

总电路原理图：

以下是用总线连接的原理图和最终的总电路原理图。其中总线连接的原理图中各分电路在上述的模块设计已经详细指出，只需要用总线连接在一起即可。另外，附上网上的一个原电路图，图中有部分参数和元件我已经做了修改，仅作参考而已！！！

采用总线形式连接的原理图

总电路原理图

网上总电路原理参考图

元件清单表：

六、设计收获、体会和建议

第一次接触数字电子技术的课程设计，对我来说，确实是项浩大的工程！虽然可选择的题目非常多，但是个个都有特点，都有难点。想要编出一个符合题意的电路图，不光需要的是理论上的知识支撑，还必须有吃苦耐劳，对真理追求的执着精神。因为在这个过程中，为了达到更高的要求，往往会涉及到高深知识，然后自己就不得不去查找相关的资料，来扩充自己的知识面，无论是对数电，对自己学习的习惯和方法都是一个很好的锻炼！

下面来分模块讲一讲自己的收获和体会：

测温电路，主要的应用就是铂电阻测温基本电路。其间运用了AD548CH

和AD648CH两个电压比较器进行温度的比较测量。由于电路的输出有△R存在，故有可能产生线性漂移。所以外加了一个正反馈线性调整电路，减弱了由于传感器自身的非线性误差引起的误差。

控制电路是设计的核心。通过温度传感器测得温度后，将温度值转化为电压值，因此，利用电压值之间的大小关系就可以控制温度的大小，这就涉及到一个物理量的转换问题。所以，控制电路在调控温度时，就可以调节电压的大小来间接调节温度的高低。四个连续的LM324D构成了控制电路的核心部件，而调节温度的具体实现为W1，W2两个电位器的调节。根据电路的VCR，可以计算出从

0~120℃时，W1为468欧姆，W2为35.6K欧姆。

声光报警电路的结构比较简单，其核心部件为555定时器。由于我们刚上了数电，对555定时的原理和功能有了较全面的了解，所以设计起来得心应手。其中的关键是如何判定超限。该电路用了两个LM324D电压比较器，实现了对温度上限和温度下限的比较，经过一与门进入555的CO电压控制端，实现了报警的温度控制。其中555定时器构成多谐振荡器，产生一个固定的频率用于蜂鸣器的报警。

A/D转换电路采用了美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，应用单极性输出，将传送过来的电压值输出8位二进制代

码，再由两片74LS283D（4 位二进制超前进位全加器）算出电压和。为输出系统的温度值做准备。

显示电路首先需要将模拟量转化为数字量，再将其变为8421BCD码。具体实现为用74185将模拟量转为8421BCD码。然后用三片7448N前置电路将8421BCD 码转换为7段数码显示译码器能够识别的数字信号，显示温度。

电热电路的实现比较简单，采用了两个可控硅T1、T2，充当了二极管的作用，不过优势之处在于有快速加热和慢速加热之分。因为正向和反向允许通过的电流限额不同，其加热的速率也就不一样。

最后，通过这次电子技术课程设计，让我掌握了不少关于温控设计的知识。其中最大的收获莫过于学会了使用Multisim这个强大的软件，其地位不亚于Matlab。里面所有的电路图均为本人使用Multisim画出来的，由于对软件的不熟悉，和元件库的缺失，有些元件比如AD574、74LS283D等无法用软件模拟出来，所以也就无法发挥出Multisim最强大的功能：仿真。实乃一大遗憾。不过，本次课程设计确实让我大开眼界，认识到了如此有用的软件。加深了电压比较器的认识和一些专业元件比如可控硅，整流管等。总之，感谢老师给予我的这次锻炼自己的机会，在今后的学习中，我一定会保持这种追求真理，探索知识的优秀品质！

七、参考文献

1、《电子技术实验》郝国法粱柏华编著冶金工业出版社 2007年4月第1版

2、《电子技术基础（模拟部分）第五版》康华光主编高等教育出版社2006年1月第5版

3、《电子技术基础（数字部分）第五版》康华光主编高等教育出版社2006年1月第5版

4、《数字电子技术》吴建国张彦主编华中科技大学出版社 2010年8月第1版第1次印刷

5、《数字电路课程设计及实验》李维主编大连理工大学出版社 2008年第1版

6、《电子技术实验与实践》李素梅郭荣生编著中国石油大学出版社2007年10月第1版

7、《Multisim8仿真与应用实例开发》从宏寿程卫群李绍鉊编著清华大学出版社 2007年7月第1版

8、《数字电子技术》 James Bignell Robert Donovan 编著科学出版社 2005年2月第1版