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1、义及为孽电子技术课程设计报告题目温度测量与控制电路学院（部）电子与控制工程学院专业自动化（卓越工程师）班 级学生姓名学 号工月_6_日至工月0_日 共，周指导教师（签字）温度测量与控制电路广泛应用于生产生活中各个方面，特别是在工业生产中，温度自动控制已经成为一项相当成熟的技术。 本次课程设计给我们创造了良好的学习机会：一是通过课外查阅资料将自己所学的数字电子技术， 模拟电子技术以及传感器与检测技术的相 关知识综合运用；二是系统了解工业中温度检测与控制的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。在确定课设题目，组员们经仔细分析问题后，实现温度测量与控制的方法很多，大致 可以分为两大类型，一
2、是以单片机为主的软硬件结合方式，二是用简单芯片构成实际电路。 由于课程要求，我们选定用后者实现。总的电路结构设计分为三部分：刘祝成负责温度传 感部分，渠开发负责温度显示和温度范围控制部分， 李元成负责温度控制执行和声光报警 部分。温度控制部分主要是热电偶构成的温度传感器， 数字显示和设定控制部分主要由模 数转换器AD574A 281024 CMOS EEPRG健存器74LS175等组成，声光报警和温度控制 执行主要由555定时器构成的多谐振荡器和单稳态电路组成。 在确定了单元电路的设计方 案后，在总结出总体方案框图的基础上，应用 Multisim13.0仿真软件画出了各单元模块 电路图，最后汇
3、总电路图。由于缺少实践经验，并且知识有限，本次设计中难免存在错误和缺点， 敬请老师批评 指正。渠开发2015年7月9日目录温度测量与控制电路摘要1一、系统概述2二、单元电路设计与分析 3三、结束语12四、参考文献12五、元器件明细表12六、收获体会 14七、鸣谢14八、【附录】 15评语16温度测量与控制电路摘要温度测量与控制电路是在工业中应用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、数字电子技术以及传感器与检测技术的知识，从基本的单元电路出发， 实现温度测量与控制电路的设计。 总体设计的主要思想：一是达到设计要求；二是尽量应 用所学知识；三是设计力求系统简单可靠，又实用价值。
4、组员共同讨论确定了总的电路结 构，将设计分为三部分，温度传感部分，温度显示和温度范围控制部分，温度控制执行和 声光报警部分。温度传感器部分采用热电偶及其温度补偿原理，保证其精确度。A/D转换部分使用集成芯片 AD5740二进制到8421BC则的转换用EEPROM2810旗现；显示译码 部分用4511BDW七段数码管实现；温度控制范围设定采用数字设定方式，用十进制加计 数器74LS160和锁存器74LS175实现；温度的判断比较通过数值比较器 74LS85的级联实 现。声光报警利用555定时器构成多谐振荡器组成。关键词温度传感器 A/D转换 温度控制 声光报警 二进制转BCD译码显示技术要求1
5、.测量温度范围为200C1650C,精度5 C;2 .被测量温度与控制温度均可数字显示；3 .控制温度连续可调；4 .温度超过设定值时，产生声光报警。#系统概述方案A.如图1-1所示，温度传感部分将温度线性地转变为电压信号，经过滤波放大,一路输入A/D转换电路，经过译码进行数字显示，另一路与滑变分压经过电压比 较器进行比较输出高低电平指示信号，指向温度控制执行模块和声光报警部分。图1-1总体方案A框图方案B.如图1-2所示，温度彳感模块和A/D转换模块，译码显示模块，温度执行和 报警模块均与方案A相同，不同处在于控制温度设定方式和温度超限判断方式。 方案A的超限判断模块和控制温度设定主要使用模
6、拟信号，该方案易于受外界干 扰，如使用环境温度等因素。另外由滑变分压设定温度不易调节精确，实际中， 若采用电池供电，电源电压的变化会影响其温度控制的准确性。此方案主要采用 数字逻辑芯片数字比较器、锁存器等控制实现，其工作的稳定性、准确性和功能 扩展性较强。图1-2总体方案B框图比较以上两种方案，方案A电路简单，误差比较大；方案B电路复杂，但精度 较高，可移植性好。结合以上两种方案的优缺点，最终我们选择方案B来完成设计 要求的温度测量和控制电路。二、单元电路设计(一) 温度传感模块1 .温度传感方法的选择常用的具有温度传感功能的电路，有钻电阻、二极管、三极管、可编程器件DS18B20 做温度传感
7、器、直接利用现有的具有温度传感功能的芯片及热电偶等。(1)利用铝电阻测温原理：珀电阻的电阻随温度变化而变化，通过电阻两端电压的变化来反映温度的变化。把电阻两端变化的电压信号经过处理后，就可以和预设电压比较。优点：测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好。缺点：珀电阻的电阻率较大，电阻-温度关系呈非线性。排除理由：热电阻在一定的温度范围内有良好的线性关系，但这个范围很窄，不 能达到课题设计要求的范围。若进行电阻的线性化，则电路复杂，不利于设计。(2)利用二极管测温原理：和铝电阻相似，但是利用的是二极管电压随温度变化而变化。使用中可以 利用桥路将其连接，并用放大器放大后输出。排除理由：虽然测温电
8、路简单实用，但是灵敏度不高，变化范围太窄，线性化也不好(3)利用三极管测温原理：利用了硅晶体的基极和发射级之间的负温度系数。排除理由：灵敏度不高，可以用作判断报警，但不宜用于测量温度。(4)用可编程器件DS18B20故温度传感器原理：DS18B2嗷字温度计是DALLA泌司生产的1-Wire ,即单总线器件，具有 线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，线路简单，十分方便。DS18B2旷品具有以下特点：一是只要求一个端口即可实现通信；二是在DS18B2计的每个器件上都有独一无二的序列号；三是实际应用中不需要外部任何元器件即可实 现测温。排除理由：DS18B2CM要单片机软件控制，与本
9、次设计要求不符。(5)现有温度传感芯片测温芯片：LM LM335 AD59Q LTC1052排除理由：测温范围不能达到设计要求。(6)热电偶测温(K型热电偶)原理：热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体A和B连成闭合回路， 当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，即塞贝克效应。热电势的大小只 与热电偶导体材质以及两端温度有关。与热电偶导体的长度和直径无关。热电偶测温 电路是以热电偶为基础进行测温。热电偶闭合回路中产生的热电势有两种电势组成： 温差电势(又称汤姆逊电势)和接触电势(又称波尔帖电势) ，其中两导体自身的温 差电势均比接触电势小很多，通常可忽略不计。采用理由：热电偶在很
10、大范围内线性非常明显，且测温范围广，响应速度快，抗 干扰性强。2 .温度传感电路的思路说明1 1)设计思路框图(2)思路说明K型热电偶作为主要的测温元件，其温度与电压的关系已知且稳定，线性化很好。由于热电偶的特殊性，要对其进行冷接点补偿(详细内容后面介绍)。由于补偿选择的方案会产生很小的一部分噪声，所以要滤波。由放大、加入另一电压信号及比例 减法这三个部分构成了运算电路，这部分不是单纯的放大，二是根据K型热电偶的温度与电压的关系所设计的，目的是把温度与电压等数值的表示出来。最后输出 23.84mV/C的信号，是为了接下来的的电路控制和显示电路的需要。3 .电路参数的计算对于K型热电偶其电压和温
11、度满足：U=0.226T-0.707(1)其中电压对应第一级放大电路的输入电压，即经过温度补偿和滤波之后的电压，单位为mV T为热力学温度，而课题设计要求得到摄氏温度，经换算得：U=0.226(t+273.5)-0.707(2)由(2)式可算出经热电偶转化后的电压。经过第一级放大电路，即将电压放大 A=100倍输出。则可得到t-U关系如下：t=(100U-6100.4)/22.6(3)这个函数就是运算电路所实现的函数。这样一来，测得的温度值比如设为x,经 过热电偶的电压与温度的关系式后，得到一个电压，设为y,满足y=f(x),在经过后面的运算电路，又出现新的电压，此时运算后电压(设为z)与运算
12、前的电压满足关系式 z=g(y),f 与 g 分别对应 U=0.226(t+273.5)-0.707 和 t=(100U-6100.4)/22.6 , 他们互为反函数，故乂=2。这样就实现了把温度的单位变成毫伏的转化，且每毫伏对应一度。如果把输出的电压表直接接在毫伏表上，上面显示的读数，就是温度，不 用再做任何的换算。但是由于后面电路对显示和判断的需要，进行了进一步的放大， 放大到每摄氏度对应23.84mV(这个数值是负责数据显示的同学提供的)。运算电路的构成如下：首先用一个同相比例电路，实现100倍的放大，再有滑动变阻器提供6100.4mV的电压，最后减法运算，除法运算以及乘法运算，用一个比
13、 例减法运算器一次完成。同相比例运算满足：A=1+R4/R3这里取R4=9SkQ, R3=1kQo提供电压用到的是200Q大小的滑动变阻器接在9V电压上。然后两者进行比例 减法运算。对于比例减法运算电路，当R1=R2 R5=R6寸，放大倍数为R6/R1(U2-U1),U1为变阻器上取得的电压，U2为一级放大输出的电压。由公式可知，当比例减法的 比值为1:22.6时，得到1mV/C的输出，而为了得到 23.84mV/C的输出，则把比值 调整为 23.84:22.6。最终选择 R1=R=226Q , R5=R6=QO总之，整个运算电路，把温度通过一个函数（热电偶的电压与温度的关系函数） 转化为电压
14、信号，再通过这个函数的反函数（运算电路）把电压变成温度对应的变 压，可以说是整个电路给温度换了单位，把摄氏度换成毫伏。4 .温度传感部分的温度补偿热电偶是两种不同材料的导体连接成的闭合回路，如果热电偶的两端放在不同 的温度区域中，会产生一定的电势。热电偶输出的是两个端口温度差的函数，通常 温度高的一端称为热端（或工作端），温度低的那端称为冷端（或自由端），则输出 电压为函数U=f（T2-T1）,则若冷端为0,输出为测试温度（热端）的单值函数。但 实际中，冷端的温度不为0,则要进行补偿，使其在相应的温度下电压为0度时的电 压。如果精度要求不高，可以忽略。但是精度要求高时，必须进行冷接点补偿。常
15、用的冷接点补偿的方法有：冷端恒温法、补偿导线法、数字补偿、查表法、不平衡 电桥法、计算法、传感器温度补偿法。本次设计中用芯片LT1025,由于要求精度高，通过电阻分压后要达到很精确的 数字，这也要求电阻不随温度变化，但是电阻随温度都有一定程度的变化，这样会 产生误差，所以要尽可能少的使用电阻。LT1025的1,6,7,8 端口能分别直接提供60.9 uV/ C, 6 uV/ C ,40.6 uV/ C ,51.7 uV/ C。相差 60.9 uV/ C,非常小的误差， 完全可以忽略，这样电路就变得简单，而且排除了温度对电阻不利影响。由于决定 最后的输出因素非常多，所以要进行校准，即利用已有的数据进行调整，通过对实 验中的滑动变阻器的调整，达到校准的目的，如果还有很大的偏差，则对电阻进行 更换。整个补偿电路中的导线，尽量不要使用随温度变化太大的材料，不然会对冷 接点补偿造成影响，而且也要控制导线的长度，并用绝热性强的材料来包装导线， 尽量减少金属自身的热电势的产生。利用温度传感器时，会产生一定的噪声干扰， 所以要进行滤波。5.滤波电路的选择从传感器的资料说明上发现 LT1025会产生0.1-10HZ的噪声，所以要设置滤波 环节。而滤波得方法
