温度检测与控制电路

温度检测与控制电路设计报告
一. 设计要求
运用双臂电桥、差动集成运放、滞回比较器、继电器等设计温度监测与控制电路, 检测电路中用热敏电阻Pt100（或热电偶）作为测温原件，对实时温度进行监控采集，当温度超过设定值（如60±2˚C)时，能自动停止加热，否则将继续加热，具有自动指示“加热”与“停止”功能(不设计加热电路)，并用单片机控制A/D转换和实时温度显示。

1、根据要求设计温度检测电路和温度控制电路的原理图；
2、运用multisim仿真软件对所设计的电路进行仿真，并确定连接实物时所需采用的原件，连接实物图；
3、制作PCB电路板图；
4、编写用单片机控制A/D转换和温度显示的程序，并在单片机实验箱上进调试；
5、分析实验现象，记录实验结果。

二. 设计的作用、目的
学习运用双臂电桥、差动集成运放、滞回比较器设计温度监测及控制电路的方法，学会电子电路的组装、调试和测量方法；同时掌握运用单片机试验箱即时显示温度的原理和单片机试验箱的使用。

三.设计的具体实现
1．系统概述
运用双臂电桥、差动集成运放搭建温度采集电路，Pt100热电阻作为双臂电桥的一个桥臂，当温度变化时，Pt100对应的阻值也会发生变化，电桥会产生差压，通过差动集成运放对差压信号进行放大，并送给滞回比较器进行电压比较，从而决定滞回比较器的输出电位（“高”或者“低”），控制二极管的亮灭。

同时将放大的信号送入单片机，通过温度与阻值，阻值与电压值的对应关系编写程序来实现温度显示。

系统结构框图：
2．单元电路设计、仿真与分析
用multisim仿真电路图如下：
3.用Protel绘制电路原理图和PCB电路板图
用Protel绘制的电路原理图：
电气规则检查：
PCB电路板图：
4．电路的安装与调试
①设计实现
根据multisim仿真原理图连接实物图如下：
连接时，首先要注意电路设计板的导通方式，窄条的插孔为横向导通、较宽条的插孔则为纵向导通；其次，因为电路元件较多，插线较为复杂，所以要注意设计板上元件的分布，切勿杂乱无章，这样有利于在出现故障时检查电路；再次，由于此实物连接只是插板，并没有制板焊接，因此电路连接可能不稳，导线连接时要注意露出端不要和电路的其他部分接触，防止电路发生短路，损坏元件。

受实验条件的限制，无法准确采集热电阻在某一温度值时的电阻值，只能用温度源给定大致的温度，粗略测量一下热电偶对应的电阻值，并与查表所得的热
电阻阻值进行比较校正（查表结果如下）。

通过滑动变阻器得到下表中的不同温
度条件下的电阻值，以此来代替热电阻接入电路中采集不同温度时电路输出电压值。

其中输出电压包括送入滞回比较器的比较电压和送入A/D转换器的显示电压。

通过上表可以看出，热电阻Pt100的温度与阻值之间近似呈线性关系。

送入滞回比较器的比较电压是指当温度恰好达到设定值（60o C）时，一级差动集成运放的输出电压。

当加热热电阻达到60o C时，发光二极管刚好由亮转灭。

因为缺少稳定的温度源，故我们调节滑动变阻器阻值为Pt100在60o C时的阻值，并将其接入电路中，此时调节控制滞回比较器的正端电压值的滑动变阻器，使发光二极管刚好由亮转灭，固定此时滑动变阻器的位置，便于以后使用方便。

送入A/D转换器的显示电压是指滑动变阻器不同阻值时对应的输入电压值。

用万用表测量滑动变阻器不同阻值时对应的电压值如下
由上表得下图：
温度与电压的对应关系：U= 0.048T + 0.360
（1）
通过查阅相关的资料，我们了解到TLC549是一种逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

TLC549的八位输出口以255个精度来显示。

可将参考电压设定为4V，这样就使输入电压范围为0-4V，显示精度为4/255=0.0158V，由温度与电压的关系可知，温度变化每1 o C，电压变化0.0485V，即显示误差不到1/3V，满足了精度要求。

单片机试验箱连接图如下：
在单片机输出显示时，需要将TLC549转化出的数字电压信号与相应的温度对应上。

不做调整的情况下，数显值：
x=U*255/4 （2）将（2）代入（1，）数显值转化为温度显示值，关系如下：
T=（x-25）/3 （3）（3）式就是单片机显示转换的对应关系，这样就实现了温度的显示。

TLC549每隔128us采集一次数据，即每隔128us采集显示一次温度值。

这样也就实现了温度的及时采集显示。

（在实际的实验中对温度信号的采集显示存在滞后现象）
②仪器设备
温度源（只用于电路调试和关系确定，不用于实验演示）、单片机实验箱、不同阻值电阻、电容等（参考元件清单）。

③实验结果
开启电源，将程序写入单片机，此时数码显示管上显示室温（18o C），将Pt100放入热水中使其温度升高，数码显示管显示温度值逐渐升高。

此时，二极管始终处于发光状态，即加热；当数码显示管显示温度值60o C，发光二极管开始不停的闪烁直至熄灭，之后继续升温，二极管始终熄灭。

取出Pt100，放入冷水中，当温度降至60o C时，二极管开始闪烁直至放光，当温度在60o C以下时，二极管始终发光。

四．心得体会及建议
这次实习让我对之前所学的电路知识得以巩固，且对集成运放，双臂电桥，滞回比较等有了更加深刻的认识和更深入的了解，这是对我们课堂所学知识的学以致用，是课堂学习的延伸。

如果当初学习电路的时候就能接触这些实践内容，我认为对课本所学知识掌握的会更加牢固。

另外对单片机的应用，让我对本学期学习的单片机知识进行了复习。

对于我来说，本次实习的难点在于实际电路的连接。

条件有限，不能焊接电路是一个原因，主要还是自己缺乏耐心，面对复杂的电路，有点无从下手，而且总希望一次能够连接成功，不喜欢重复检查电路中出现的问题。

但是当调试出现问题时，现实让我不得不硬着头皮，一遍又一遍的仔细去检查。

“功夫不负有心人”，最后看到实验成功时，心中无比的喜悦，这是自己辛勤付出换来的。

从中我体会到了“耐心、细心、专心、用心、恒心”的重要性，对我以后的学习和工作受益匪浅。

对于这次实习，我也有一些小小的建议：个人认为实习的条件有些“艰苦”，导致最后得到的实践成果也相应的有些欠缺。

主要表现在以下几个方面：（1）机房设备差，经常是做着做着电脑就死机了，有些没有及时存盘的文件丢失，还得重新来完成，影响仿真的进度；（2）程设计中虽然有制作PCB这一要求，但是并没有印刷电路板，且元件提供不是特别充足，不敢进行实际电路板焊接，在插板过程中经常会出现连接的电路不稳，连接点容易断开，对实际参数的测定造成了一定的影响。

五．附录
六．参考文献
1.单片机/微机实验系统使用说明及实验指导书·北京精仪达盛科技有限公司
2.李良荣·电子设计技术·机械工业出版社·2007.8
3.清源科技·Protel 99 SE 电路原理图与PCB 设计与仿真·机械工业出版社·2007.7
4.康华光·电子技术基础（模拟部分）·高等教育出版社·2006.1。