温度测量与控制

第一章概述

1.1 选题背景

在工农业生产和科学研究中，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。在系统温度过高时要能通过报警电路来发出报警信号。同时所测量的温度以及加热温度门限值和报警温度门限值要能通过一定的显示电路来进行显示。这就需要有温度的测量、控制与显示电路。本设计电路可以准确的实现上述功能，为许多系统的控制提供了依据与方便。以下便是本电路的详细论述。

1.1.1 课题相关问题阐述

（1）温度

温度是表征体系中物质内部大量分子,原子平均动能的一个宏观物理量。物体内部分子,原子平均动能的增加或减少,表现为物体温度的升高或降低。物质的物理化学特性,无不与温度有着密切的关系,温度也是确定物体状态的一个基本参量。因此,准确测量和控制温度,在科学实验中十分重要。

温度是一个很特殊的物理量,两个物体的温度不能像两个物体的质量那样互相叠加,两个温度间只有相等或不相等的关系。为了表示温度的数值,需要建立温标,即温度间隔的划分与刻度的表示,这样才会有温度计的读数。国际温标是规定一些固定点,对这些固定点用特定的温度计做精确测量,在规定的固定点之间的温度的测量是以约定的内插方法及指定的测量仪器以及相应的物理量的函数关系来定义。确立一种温标,需要有以下三条:

1) 选择测温物质

2) 确定基准点

3) 划分温度值

实际上,一般所有物质的某种特性,与之间并非严格呈线性关系,因此,用不同物质做

温度计测量同一物体时,所显示的往往不完全相同。

（2) 温度测量

测量温度传统所用的方法是用水银或酒精温度计来测量，不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一，已经不能满足人们在数字化时代的要求。于是我们提出，测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化，通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化，实现模拟信号到数字信号的转换，然后利用数字信号处理方法计算得出温度值，实现温度的测量；并利用单限比较器来实现对加热的控制，从而实现对温度的控制；再者还加载了报警装置，使它的功能更加完善，使用方便起来。

(3）报警电路及其控制类型

目前最常用的报警方式是光电报警。本设计中用高电平驱动三极管导通，使蜂鸣器产生报警信号，实用有简单。

基本工作原理简介如下：先利用电位器与大电阻分压提供基准电压Vmax，当温度高于

最大值时， Vx>Vmax,Vo2输出高电平，二极管和三极管导通，蜂鸣器发声报警。否则输出第电平，二极管和三极管截止，蜂鸣器不工作。 1.1.2 课题技术要求

本设计电路要求能够实现以下功能，能够达到以下基本要求：

（1）被测温度和控制温度均可数字显示 （2）测量温度为0~1200C ，精度为±0．50C （3）控制温度连续可调，精度±1O C

（4）温度超过额定值时，产生蜂鸣器报警信号 1.1.3 课题设计指导思想

利用数字电路及模拟电路的基本知识，如放大电路，A/D 转换器，D/A 转换器等来实现上述功能。要实现上述要求，则需先将测量到的温度信号转换成为电信号，以控制电路进行温度调节。并要将模拟量的电信号，通过放大、滤波后送A/D 转换器转换成为相应的数字信号，再通过译码驱动显示电路显示对应的温度值。

（1） 传感器可以采用铂电阻、精密电阻和电位器1W R 组成测量电桥，电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器双端输入信号，将信号放大后由低通滤波器将高频信号滤去。图1．1所示。

在0o C,调节1W R ，使显示器显示0o C 。在50o C 时，调节放大器的增益（调节电位器2W R ），使显示器显示50o C 。注意放大的输出电压不允许大于A/D 转换器的最大输入电压值。 （2） 被测温度信号电压加于比较器（Ⅰ）与控制温度电压V REF 进行比较，比较结果通过调温控制电路控制执行机构的相应动作，使被控系统升温或降温。

（3） 当控制电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度对应值max V ，用声、光报警电路发出警报，值班人员将采取相应的紧急措施。

（4） 开关S 1可分别闭合系统温度、控制温度电压V REF 和报警温度电压max V ，通过A/D 转换器将模拟量转换成数字量，显示器显示出相应的温度数值。

图1.1

1.2 设计思路

简述如下：

要实现上述要求，则需先将测量到的温度信号转换成为电信号，以控制电路进行温度调节。并要将模拟量的电信号，通过放大、滤波后送A/D转换器转换成为相应的数字信号，再通过译码驱动显示电路显示对应的温度值。

电路共分为三部分，即恒温控制部分，报警部分和测量显示部分。下面分别对三部分的设计思路及原理进行说明。

（1）对温度进行测量、控制并显示，首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。可采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。

（2）恒温控制：将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压V

REF ，用实际测量值

I

v与

V

REF

进行比较，比较结果（输出状态）自动地控制、调节系统温度。

（3）报警部分：设定被控温度对应的最大允许值V

max

，当系统实际温度达到此对应值

V

max

时，发生报警信号。

（4）温度显示部分采用转换开关控制，可分别显示系统温度、控制温度对应值V

REF

，

报警温度对应值V

max

。

第二章 方案设计论述

2.1 几种方案设计原理及其特点

2.1.1方案一设计原理及特点

利用555构成的双门限温度控制及显示电路

本方案利用555的双门限比较电压，通过调节555门限值（调电位器）来控制连接在555上的电磁继电器来达到温度控制的目的，把温度锁定在两个设定值之间。然后通过三极管和A/D 转换器驱动数码管来进行显示。本方案使用的器件简单，不仅原理简单而且电路中也不曾用到一些不常用的器件，在器件的选择方面可行性较高，而且整个电路用220V 电压通过降压进行供电。不用电池或其他污染较大、成本较高、极易消耗的稳压源，在应用方面简单且广泛。但是Rt （热敏电阻）并非都是线性的，使得只能在实际温度下来调节门限电压（通过调电位器）也就是在Rt 重复性好的情况下，只利用其中的两个值，这就使得显示出的温度只有两个精确值，剩下的都为近似温度，而且不能进行报警。所以本方案由于过于简单不精确达不到要求，故放弃。 2.1.2 方案二设计原理及特点 温度的测量显示及控制电路

本方案是利用运放来进行电压比较从而使电路加入报警部分。且通过查找资料，对热敏电阻进行线性化，而且利用运放进行比较简单且易于调试。用于温度测量的元件是通过对热敏电阻的线性化来保证温度与电压之间的线性转化。应用7106三位半模数转化集成模块进行译码及驱动的功能。集成度高，且易于调试，显示的准确性和调零都可以通过调节7106的外围器件来完成。此方案原理简单，而准确度高元件应用少。用220V 降压供电在实际应用上会由于节省成本、维修容易等优点被广泛应用。但是热敏电阻线性化可行性不能保证，而且本次课设是在学校有这种器件的基础上来进行设计的，考虑到器件原因所 以本方案放弃。

2.1.3方案三设计原理及特点 温度的测量与控制电路

部分一：本方案利用AD590来进行精确的温度测量然后进行电压信号放大。因为AD590是每升高1℉将会在电路上多出1uA 电流，精确度非常高，而且线性度也非常的好。在它

所在的电路上加上1K 的电阻把电流信号转化成电压信号而且进行第一步的粗略信号放大。由于用的A/D 转化器只接收0～2V 的电压信号而温度显示为0～120 ℃所以每升高1℃就必须有10mV 的电压信号。第二次精确放大利用运算放大器接成负反馈电路，通过调节电位器来达到精确放大的目的。此时利用公式（2-1）

11

3

Vi R R V

（2-1）

因为AD590是华氏温度每升一度就增加1uA 电流也就是它在0℃时，仍然有约273.5uA 的电流。通过上述转化后变成2.735 V 的电压信号，应想办法消去华氏与摄氏温度不同造成的干扰。本方案再利用电位器分压的来提供相减电压。应用公式（2-2）： )22

3

113(

Vi R R Vi R R V +-= （2-2） 为了使运算放大器不由于接入负反馈而将模拟部分中的信号电压拉下来。本方案在每个运放前信号输入部分加上了电压跟随器以增加信号的输出阻抗，来保证信号不丢失。调试时容易测出准确的电压值。而且整个电路都应用的是负反馈的线性部分，使得放大过程线性程度好，信号准确，为以后的准确显示打下稳固基础。

部分二：本方案按照题目要求在电路中加入控制及报警部分。方案中用5V 电压来进行分压以求分压精确。电路用常用的电阻和电位器简单的设定一个限值而且可调节在应用上极为顺手。第一次消值分压要分出2.735V 的电压，为了保证电路中毫安级的电流应用1K 电阻和5K 电位器分压。第二次加热值分压首先预设为50℃，所以应分出电压信号0.5V 。所以采用4.7K 电阻与1K 电位器进行分压，使得加热的温度可调范围为0～88℃。第三次报警部分分压预设100℃，应分出1V 电压信号，所以选择用2K 电阻和1K 电位器进行分压，使报警温度的可调范围为0～167℃。符合实际与课设的要求标准。而且电路工作时有小绿灯亮，在温度加热时有小黄灯亮，报警时有小红灯亮。加热用12V-220V 电磁继电器达到低压控制高压而且提高加热速度和工作效率。加热用各种市面上加热的器件均可。根据实际情况选购。若环境是自动升温（如发酵罐）则只需要将加热器改成电磁阀来进行自动放水冷却。这使的本方案在实际应用上更广泛。

部分三：本方案采用14433三位半的双积分式A/D 转化集成模块和译码器CD4511反向驱动器1413和数码管来完成显示部分。其中14433在数据输出上为低电平有效，而信号输出上为高电平为有用信号，所以必须用4511来完成译码工作。而因为数据输出变成了高电平为有用信号，所以用共阴极数码管，因此也需要反向驱动器1413来完成数码管的驱动。为了不烧了数码管，在CD4511数据输出处各加100欧姆的电阻。 CD4511的真值表见表2-1：

表2-1 CD4511的真值表

其拥有温度显示的功能使电路中测量的信息时刻显示出来。在实际应用中使得人可以随时知道温度的情况。而且无须任何测量工具，调整加热限值与报警限值都在调整过程中

响应 输出 LE' Bi' LT' D

C

B

A

a b c d e f g L H' H' BCD 码 相应的BCD 码

× × L × × × × 输出高阻态 × L × × × × × 空白 H'

H'

H'

×

×

×

×

输出高阻态

显示出来。使应用更为方便。

部分四：本方案采用两入三出的变压器和7812、7805及7912等器件很好的将220V 电压稳成12V、5V和-12V。而并非由于需要太多的电源使得成本和电路体积大大增大。而且稳出的电源稳定、干净，以后在应用上更为简单容易。

2.1.4 最优方案选择及其优势

通过比较，我觉的第三个方案具有结合了前两种方案的全部优点，而且在很多方面都改进了，尤其是考虑了很多实际使用时的方便，符合课程设计的要求。也是经过修改前两种方案一步一步走过来的，所以我选择第三种方案。

2.2 工作原理及系统总体框图

2.2.1工作原理

用传统的水银或酒精温度计来测量温度，不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一，已经不能满足人们在数字化时代的要求。于是我们提出，测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化，通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化，实现模拟信号到数字信号的转换，然后利用数字信号处理方法计算得出温度值，实现温度的测量；并利用单限比较器来实现对加热的控制，从而实现对温度的控制；再者还加载了报警装置，使它的功能更加完善，使用方便起来。本设计是采用了温度的测量、温度的显示、温度的控制、报警装置四部分来具体实现上述目的。

工作原理见方案三。

2.2.2 系统总体框图

见如图2-1

2.2.3 原理图

（见最后附图)

2.3主要电路设计与参数计算

2.3.1.温度测量部分设计

（1）温度测量的实现过程

测量温度传统所用的方法是用水银或酒精温度计来测量，不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一，已经不能满足人们在数字化时代的要求。于是我们提出，测温电路利用温度传感器监测外界温度的变化，通过振荡器将温度传感器的阻值变化转换为频率信号的变化，实现模拟信号到数字信号的转换，然后利用数字信号处理方法计算得出温度，实现温度的测量；并利用单限比较器来实现对加热的控制，从而实现对温度的控制；再者还加载了报警装置，使它的功能更加完善，使用方便起来。

传感器AD590

比较器Ι

模数转换器MC14433经过放大的测量信号Vx 执行元件电

路丝

比较器II

驱动电路 1413P

被测系统

放大器

蜂鸣器报警

装置

数码管显示

电路

译码电路 CD4511报警控制电

路调温控制电

路

图2-1系统总体框图 （2）温度测量方框图及原理图 温度测量方框图 见图2-2

传感器AD590

被测系统

放大器

经过放大的测量信号Vx

图2-2 温度测量方框图

原理图 如图2-3

2.3.2 温度显示部分设计 (1) 温度显示的实现过程

①设计思路：可以将测到的电压值通过放大、滤波后送A/D 转换器转换成为相应的数字信号，再通过译码驱动显示电路显示对应的温度值。

图2-3温度测量原理图

②原理：由热敏元件Rt 测到的电阻值先转换为电压信号，再将电压值送入A/D 转换器UTC7106,转换成为数字信号并驱动显示管显示相应的温度值。转换开关S 可分别闭合系统温度、控制温度电压V REF 和报警温度电压max V ，通过转换开关实现各个显示。 (2) 温度显示电路方框图及原理图 温度显示电路方框图 见如图2-4

模数转换器MC14433

驱动电路 1413P

数码管显示

电路

译码电路 CD4511

经过放大的

测量信号Vx

图2-4温度显示电路方框图

原理图 如图2-5

图2-5温度显示电路原理图2.3.3 温度的恒温控制部分设计

(1) 恒温控制电路的实现过程

①设计思路： 温度的控制是靠一个单限比较器来定制一个预定温度的界限，从而控制继电器的开关，以实现电炉的加热开关。

②原理：将变压器所得电压先通过整流、滤波后再通过稳压管VZ1，稳定为12伏的电压。Rt 为负温度系数的热敏元件，VZ2和电阻R4分压后提供基准电压Vref1，其对应的温度值为50℃。当温度低于50℃时，Rt 与电位器RP1上分到的电压Vi1大于基准电压Vref1，运算比较器IC11的输出电压Vo1输出高电平，发光二极管导通发光，继电器K 的电键K-1闭合，加热元件EH 开始给系统加热，当温度达到50℃时，Vi1=Vref1,Vo1输出变为低电平，K 断开，停止加热。当温度高于50℃时，Vo1输出仍为地电平，K 不动作，系统自动冷却到设定温度。

(2) 恒温控制电路方框图及原理图 电路方框图 如图2-6

比较器1

执行元件电炉丝

被测系统

调温控制电路

经过放大的测

量信号

Vx

图2-6恒温控制电路方框图

原理图 如图2-7

图2-7 恒温控制电路原理图

2.3.4 报警装置部分设计(1)报警电路的实现过程

①设计思路：设定被控温度对应的最大允许值V

max ，当系统实际温度达到此对应值V

max

,

即控制电路出现故障使温度失控时，用温度蜂鸣器发出警报，值班人员将采取相应的紧急措施。

②原理：电位器与大电阻分压提供基准电压Vmax，当温度高于最大值时，Vi2>Vmax,Vo2输出高电平，二极管和三极管导通，蜂鸣器发声报警。否则输出第电平，二极管和三极管截止，蜂鸣器不工作。

(2)报警电路方框图及原理图

电路方框图

如图2-8

经过放大的测量信号Vx 比较器II

蜂鸣器报警

装置

报警控制电

路

图2-8 报警电路方框图

原理图

如图2-9

图2-9 警电路原理图

第三章课设总结

3.1调试分析与结论

3.1.1 安装调试

（1）根据电路图焊好电路板。

（2）检查连线等无误差后接好电源线。一个+5 V电源，一个+12V电源，一个-12V电源。

（3）按下相关按钮，观察显示温度。若有不正确之处，检查线路排查故障。反复检查测试，直到显示温度正确。

3.1.2 故障排查

在刚开始加电调试时，数码管无显示，于是对整个电路的接线进行了非常仔细的检查，以排除各种可能存在的端接、虚焊、漏焊等错误。

发现无误后，又进行了以下仔细检查与分析：先给数码管加电，观察其显示，发现显示正常，说明数码管完好无损。于是又给CD4511加上一个BCD码，观察其显示，发现也能正常显示，说明CD4511也没有问题，又对1413进行测试也正常。当检测到模数转换器MC14433时，发现其20～23脚，即Q0～Q3输出错误，本来经过模数转换后输出应该成为高低电平，然而经过测试发现，其输出却是四个各不相同的电平，不符合实际要求。于是觉得这可能就是问题所在。

接下来便是对14433的仔细检测与分析，先检测器件是否完好，经过检测，发现器件完好。于是又仔细分析核对14433的外围电路，上网查资料，去图书馆翻有关方面的书籍……然而电路中的用法完全符合本次实验的要求。那就说明外围电路也没有错误。

那么问题在哪呢？于是，紧接着我又有对14433的输入引脚Vx加信号来测试，发现也可以正常显示，但是连好电路后又无法正常显示了。说明问题原来在模数转换器之前的电路部分。

于是我又对前面的电路仔细排查，经过不断地测试、推理、猜测，我终于发现原来是运放出现了问题于是我在前面加了一个射随器，来保证输入的电压的准确性。加上以后，终于可以正常显示想要的效果了。

然后我调节电位器的值来设置加热门限温度值为50与报警门限温度值为100.当按下相应的开关后可以正常显示这两个值，但测量温度的显示仍然有些不太理想。于是我又仔细研究了AD590的引脚和用法，仔细排查了电路发现原来是有一个电阻的值不太适合，当换了合适的电阻后，所有显示终于完全正常而且准确。

最后，我又仔细的检查了几遍电路，确保各个地方的连接与焊接都准确无误。而且我还换了以下一些不太合适的连线方式，使得电路看起来美观而大方。

至此，调试工作结束。

3.2测试数据及调试结果

3.2.1 测试数据及调试结果

测试数据记录表：见表3-1

表3-1 测试数据记录表

测量系统加热门限值（0C）所测系统温度（0C）报警门限值（0C）

冰水混合物理论值50 0 100

实测值49.8 0 99.8

室温理论值50 17 100

实测值49.8 16.6 99.8

沸水理论值50 100 100

实测值49.8 92.5 99.8 误差分析：对于冰水混合物和室温，所测温度值有±0.50C以内的误差，这是由所用器件及测量仪器的精度影响所致，在误差允许范围内。

对于沸水的温度测量，由结果可见，误差比较大，这是由于在冬天大气压

强较低，所以水的沸点比较低，故测量只有92.50C。符合实际环境标准。

调试结果：通过对比发现调试结果很好，完全符合论题的技术要求。

3.2.2 结论分析

本温度测量、控制及显示电路要求能够实现以下功能，能够达到以下基本功要求：（1）被测温度和控制温度均可数字显示

（2）测量温度为0~1200C，精度为±0.50C

（3）控制温度连续可调，精度±1O C

（4）温度超过额定值时，产生蜂鸣器报警信号

通过对设计出的实物加电测试，可以观察到本电路可以正常而且准确的现实测量温度、加热温度门限值和报警温度门限值。

如本次试验中，预先设定加热温度门限值为500C，报警温度门限值为1000C，室温差不多为170C，经加电观察，当按下相应的开关时，可以基本的准确显示各个温度值。虽然其中存在一定得误差，如显示会差零点几度，但总体来看，本次课程设计相当成功。

3.3 方案存在问题及改定方法

从结果可以看出，显示还不是特别精确，可以选用精度更高的运算放大器与电阻，以提高测量的精度。别的应该不在存在什么问题。

3.4 课设心得与体会

通过本次课程设计，我学到了很多知识，同时也发现了很多问题。刚开始不是很自信，

感觉挺难的，觉得要总结出一份报告都已经很不容易了，更不要说在作出实物，而且实物必须能准确实现功能才可以。所以，刚开始设计电路图时觉得很不顺手，因为在平时看起来很简单的电路，现在要自己动手把它设计出来，真的不是一件简单的事情。所有的知识只是在课堂上学的一点和在电子实训时，所学的一点焊接与安装与调试的知识。而且一个方案的形成，不是一次成型的，必须经过反反复复的修改、检查、仿真与调试之后才可以成功。于是，我上网收集资料，去图书馆查阅资料，与老师同学反复交流探讨，终于经过几周时间，利用课余时间，自己设计出了一套完整而且可行的电路图。当然这套电路图是否能成功还要经过实践的考验，才可以称得上真正的完美与成功。

费了很大的周折，终于买齐了实验所需要的所有元器件并焊好了电路图。调试也是颇非周折。但功夫不负有心人，终于调试好了电路。心里充满了喜悦。

本次实验中收获很多:

1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

2、在设计和调试过程中，遇到了很多问题，但经过不懈努力，都一一克服了。锻炼了自己坚持到底，独立思考的能力。

3、巩固和加强了课本知识。很多元件的功能和应用有了更多的认识。

4、而且加强了相互学习和写作的能力。

对我而言，经过这次课设，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中十分兴奋。看着自己做出的第一件成品，我相信以后我会做的更好。既有知识上的收获，又有精神上收获。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，我顺利的完成了作品。很感谢老师的耐心指导和同学的热心帮助。

在以后的日子里，我会更加刻苦学习理论知识，并加强理论联系实践的能力。相信在下次的课设和以后的工作中，我会做的更好！

3.5本作品使用说明及操作要点

使用说明：将热敏元件置入要测量的系统中，插好电源，即可检测到相关的温度值。

按下相应的开关时，便可以得到想要现实的数据值。使用方便，测量准确，有

非常强的实用价值。

操作要点：1）使用时，由于电源是由220V变压得到，故需注意用电安全。

2）在冬天使用时，要注意不要用手随便碰触芯片，由于衣服上面可能有静电感应，会使芯片击穿而损坏。当然生产成为成品以后，会有包装外壳，不

会存在这个问题。

第五章附录

5.1 总电路图

（见最后附图）

5.2 器件清单表

见表5-1

表5-1 器件清单表

器件个数器件个数器件个数

1K电阻11 470u电容 4 MC14433 1

2K电阻 3 0.1u电容 3 CD4511 1 4.7K电阻 1 0.01u电容 3 1413 1 510Ω电阻 1 5K电位器 2 OP07 1 100Ω电阻8 25K电位器 1 TL082 2 470K电阻 1 1K电位器 3 LM741 1 7812 1 IN4007 1 AD590 1 7805 1 发光二极管 3 NPN三极管 2 7912 1 蜂鸣器 1 加热电炉丝 1 12V继电器 1 开关 3

参考资料

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