温度测量与控制电路设计

学号

电子设计

设计说明书

温度测量与控制电路

起止日期：2012 年6 月18 日至2012 年 6 月29 日

学生姓名

班级信科（一）

成绩

指导教师(签字)

计算机与信息工程学院

2012年6月29 日

天津城市建设学院

课程设计任务书

20 —20 学年第学期

计算机与信息工程学院电子信息科学与技术专业（一）班级

课程设计名称：电子线路

设计题目：温度测量与控制电路

完成期限：自 2012 年 6月 18 日至 2012 年 6月 29 日共 2 周

设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：

1.设计一电路可以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。

2.技术指标：

⑴被测温度和控制温度均可数字显示；

⑵测量温度为0~1200C，精度为±0．50C；

⑶控制温度连续可调，精度±1O C；

⑷温度超过额定值时，产生声、光报警信号。

3. 设计思路

（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

m

指导教师（签字）：

系主任（签字）：

批准日期：2012年6月15 日

目录

一、温度测量与控制电路分析 (3)

1.1 摘要 (3)

二、整体构思和方案选择 (3)

2.1 方案 (3)

2.2 整体构思 (4)

三、具体实现和各部分定性说明及定量计算 (4)

3.1、温度传感器 (5)

3.2、A/D转换器 (5)

3.3、电压比较器 (6)

3.4、控制电路（温控电路） (7)

3.5、声光报警器 (8)

3.6、转码电路 (9)

3.7、显示电路 (9)

3.8、加热电路 (10)

3.9总电路原理图 (11)

四、元件清单表 (12)

五、收获体会 (14)

六、参考文献 (14)

一、温度测量与控制电路分析

1.1 摘要

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，从基本的单元电路出发，实现了温度测量与控制电路的设计。总体设计中的主要思想：一、达到设计要求；二、尽量应用所学知识；三、设计力求系统简单可靠，有实际价值。温度传感采用热电偶和温度补偿原理。大家共同商议共同确定了总的电路结构，将设计分为2部分，汪鹏负责温度传感部分，李小龙负责温度控制部分；二进制到8421BCD码的转换用EEPROM 281024实现；显示译码部分用74LS48和数码管实现；温度控制范围设定采用数字设定方式，用74LS160十进制加计数器和锁存器74LS175实现；温度的判断比较数值比较器74LS85的级联实现；通过使用74LS160和ADG508F实现了多路温度循环监测功能。声光报警加入了单稳态。温度控制执行部分采用555构成的单稳态电路，提高了加热系统与降温系统的稳定性和实用性。

关键词

温度传感器A/D转换控制温度声光报警二进制转BCD 译码显示

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。

二、整体构思和方案选择

2.1 方案

系统框图如图1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1

2.2 整体构思

总体设计框图如下图2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2

三、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。

3.1、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: Eout=R1ΔRVIN /(R1 +R0 +ΔR)(R1 +R0 )

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3，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3

3.2、A/D转换器

A/D转换部分方案：

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℃.即AD574来实现A/D转换。设计原理图如下图4所示：滤波放大信号的输出作为A/D转换的模拟量输入，进入引脚20VIN，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4

3.3、电压比较器

LM324是运放集成电路，电路模型如图5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6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6。

图5 图6

3.4、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7

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。

3.5、声光报警器

该报警装置如图8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/[(R1+2R2)C1] ≈10KHZ

所以，发声持续时间：T=1/f≈1×10-4s

图8

当测温电路测量出温度时，信号传送至RST端即可，电路如图9：

图9

3.6、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10是74185的元件图：

图10

3.7、显示电路

如图11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11

3.8、加热电路

图12

加热电路如图12，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。

3.9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

网上总电路原理参考图

四、元件清单表

温度测量与控制电路器件表序号元器件型号名称功能数量

1 AD548CH 运算放大器 1

2 AD648CH 运算放大器 1

3 AD57

4 12位A/D转换器 1

4 74LS283D 4 位二进制超前进位全加器 2

5 74185 二进制~8421BCD转换器 3

6 LM324D 差动输入四运算放大器 4

7 74LS32D 两输入或非门 1

8 02BZ2.2 稳压管 1

9 SONALERT 蜂鸣器 1

10 555 定时器 1

11 7448N 七段数码显示译码器 3

12 7输入数码管7输入数码管 3

13 2N5444 可控硅 2

14 1N1202C 整流器 1

15 VCC/VEE 直流电压源若干

16 导线连接电路若干

17 电阻1MΩ 4

602KΩ 1

500KΩ 1

100KΩ 1

51KΩ 1

47KΩ 1

38KΩ 1

22KΩ 2

11.4KΩ 1

10KΩ10

3KΩ 2

2KΩ 2

1KΩ 1

390Ω 4

100Ω 2

2Ω 1

0Ω 2

18 电容100mf

5.6mf 2

0f 1

100uF 1 19 滑动电阻47KΩ（key= A 50% ) 1

10KΩ（key= A 50% ) 1

1KΩ（key= A 50% ) 1

50Ω（key= A 50% ) 1

100Ω（key= A 50% ) 1

500KΩ（key= A 50% ) 1

468Ω（key= A 50% ) 1

35.6KΩ（key= A 50% ) 1

五、收获体会

在电路图往一起合并的时候，都非常激动。大家的通力合作，才完成了整个设计。这次课程设计中，我负责温度传感模块的设计，大部分是模电方面的内容。

第一次将所学的知识运用到实际当中，非常兴奋，就和学了一门外语以后和老外交谈的感觉一样。当然在设计过程中也遇到了不少问题。

刚拿到这个题目的时候，觉得很简单，心里想着，不就是一个传感器接几个显示装置么，应该很简单。但是开始一点一点做的时候才发现，远非如此。具体到怎么传感，怎么显示，怎么报警，甚至是一些其他小问题，比如怎么截图，怎么画电路，都成了拦路虎。然后我们开始分工，我负责传感部分。最开始遇到的难题就是，温度范围要求很广，一般热敏电阻的线性关系到高温时就很差了，然后就想找一个线性修正电路，但是后来发现线性化修正电路十分复杂。然后在查阅很多资料之后想到了热电偶这个方法，突然又感觉马上就能大功告成了，结果在资料中发现了要进行冷接点补偿，第一次听说这个概念，只能硬着头皮查资料，问老师，最后才得以克服。然后是算法的问题，通过资料，采用了一种利用函数与反函数关系的方法，把温度的单位直接换成了mV,1比1对应，自己感觉这一点应给是很有特点的地方。最后又进行滤波电路设计，模拟，写论文，最终完成了课程设计。

在这个过程中，经常产生一种“马上就要完成了”的错觉，但是每次又遇到新的问题，所以不能急躁，要想得全面一些，才能达到最好的效果。这次实验中发现，不能完全依靠理论的东西，运用于实践的时候要具体情况具体操作。

在进行课设的过程中，发现团队合作十分重要，分开部分各个击破，使问题变得容易了很多，不然就这个题目而言，一个人做的话是非常复杂的，而且时间也不够。最后的一点体会是，面对困难的时候，如果绕不过去，就要努力克服，可以求助于老师，同学，查阅资料，不要轻易放弃和改变已选定的方法。总之，这次课设投入了很多，也收获了很多，把所学知识进一步深入，并学到了很多课本以外的工作，感觉这次课设对我有很大帮助，课程设计的确是一门好的课程。

六、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