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1、长 安 大 学电 子 技 术 课 程 设 计(温度测量与控制电路)专 业 电气工程及其自动化班 级 32040901 姓 名 李 朝 指导教师 田莉娟 日 期 2011年6月30日 前言温度测量与控制电路广泛应用于生产生活中的各个方面，特别是在工业生产中，温度自动控制已经成为一个相当成熟的技术。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，以及传感器的相关知识综合运用，二是系统了解温度监测特别是工业上的温度控制的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。在确定课设题目，经仔细分析问题后，实现温度的测量与控制方法很多，大致可以分为两大类型，一种
2、是以单片机为主的软硬件结合方式，另一种是用简单芯片构成实现电路。由于单片机知识的匮乏，我们决定用后者实现。共同确定了总的电路结构，将设计分为三部分，李朝负责温度传感部分，谌新力负责温度显示和温度范围控制部分，肖阳负责温度控制执行电路和声光报警部分。温度传感部分由热电偶构成的温度传感器，数字显示和设定控制部分由模数转换器AD574A、281024 CMOS EEPROM、锁存器74LS175等组成，声光报警和温控加热降温执行电路主要用时基芯片555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，我们在总结出总体方案框图的基础上，应用Multisim11.0仿真软件画出了各单元模块
3、电路图，最后汇总电路图。由于缺少实践经验，并且知识有限，所以本次设计中难免存在缺点和错误，敬请老师批评指正。 李朝 2010年6月20日目录温度测量与控制电路4摘要4一、系统综述和总体方案论证与选择5二、单元电路设计6（一）温度传感模块6（2）冷接点温度补偿方法的选择11（3）滤波方法的讨论16（4）电路的改进17（5）仿真模拟18（二）声光报警20（三）温度控制执行21三、结束语21四、参考文献22五、元器件明细23六、收获体会31七、鸣谢32八、【附录】32评 语33温度测量与控制电路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
4、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，将设计分为三部分，李朝负责温度传感部分，谌新力负责温度显示和温度范围控制部分，肖阳负责温度控制执行电路和声光报警部分AD转换部分使用集成芯片AD574A；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
5、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 译码显示技术要求1、测量温度范围为200C1650C，精度0.50C；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。一、系统综述和总体方案论证与选择方案A.如图1-1所示，温度传感器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
6、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，温度控制执行模块和声光报警部分。图1-1 总体方案A方案B.如图1-2所示，温度传感和A/D转换，译码显示，温控执行和报警均与方案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拟信号，该方案易受外界干扰如使用环境温度等因素，另外由滑变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控范围的准确性。方案B主要采用数字芯片逻辑控制实现，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二、单元电路设计（一）温度传感模块关于温度传感方法的选择 常用的具有传感功能的电
7、路，有利用铂电阻，利用二极管，利用三级管，利用铂电阻，或直接利用现有的具有温度传感功能的芯片。 1利用铂电阻测温度原理： 铂电阻的组织随温度的变化而变化，通过电阻两端电压的变化来反映温度的变化。 把电阻两端电压变化的信号经过处理后，就可以和预设电压进行比较，并显示。其电路如图1-1所示 图1-1 铂电阻测温电路的传感部分（其中R1为铂电阻）排除理由：热电阻在一定的范围内，有良好的线性关系，但是这个范围很窄，达不到课题要求的范围。而如果进行电阻线性化，则电路更加复杂，而且由于测温需要相对精确，为避免过多电路造成噪声等不利影响，将这个方案排除。 2 利用二极管测温度 原理：和铂电阻相似，但是利用的
8、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（如图1-2所示），并用放大器放大后输出。这样的测温电路简易且实用。 排除理由：灵敏度不高，变化范围太窄，线性化不是很好。 3 利用三极管测温度 原理：利用了硅晶体管的基极和发射极之间的负温度系数，如图1-3所示。 图1-3三级管测温度电路图 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现有的温度传感芯片 原理：现有的芯片如LM335，AD590，LTC1052等。 排除理由：其工作电压范围最大为125，超过后虽然也有一定的线性关系，但若用于精度较高的测量温度电路就不太可行了。 5热电偶测温法 原理：如果两种不同成分的
9、均质导体形成回路，直接测温端叫做测量端，接线端子叫做参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，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点偶为基础进行测温。 采用理由：热偶在很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，所以最终选择了用热电偶组成传感电路。（二）传感电路的整体思路说明 图2 传感电路（改进前）设计思路框架图如下： 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。由于点偶的特殊性，要对其进行冷接点补偿（详细内容在第四部分说明）。由于补偿选择的方案会产生很
10、小的一部分噪声，所以要滤波（详细内容在第五部分）。由放大，加入另一电压信号，比例减法这三个部分构成了运算电路，这个电路不是单纯的放大，而是根据K型热敏的温度与电压的关系所设计的电路，这样就是把温度一比一地用电压表示出来（详细内容在第三部分）。最后没有输出1 mV/的信号而是输出一个23.84mV/的信号，是为了接下来的电路控制和显示电路的需要。（三）电路运算的说明 注意：这里的运算电路与热电偶本身温度与电压的关系函数互为反函数思路说明：对于热点偶，其电压与温度满足U=0.226T-0.707其中电压对应为第一级放大 的输入电压，也就是进行过温度补偿之后的电压，单位为毫伏，T为热力学温度。由于课
11、题要求得到摄氏温度，所以进行换算得U=0.226(t+273.5)-0.707.从温度经过热电偶转化成电压，就是利用了这个公式。然后求这个函数的反函数，得到t=(100U-6100.4)/22.6.这个函数就是运算电路所实现的函数。这样一来，测得的温度值比如是x,经过热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).再经过后面的运算电路，又出现新的电压，此时运算后的电压（设为z）与运算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x=z.这样就实现了把温度的单位变成毫伏的
12、转化，且每毫伏对应一度。如果把输出的电压直接接在毫伏表上，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，进行了一次放大，放大到每摄氏度对应24.32mV（这个数值是负责显示数据的同学提供的）。 根据得到的公式t=(100U-6100.4)/22.6，可以看出，需要进行放大，减法，除法的运算。由此公式算出的数据单位为，1mV/,为了使最后输出为23.84mV/，则还需一次放大。这样，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，再由滑动变阻器提供6100.4mV的电压，最后减法运算，除法运算和乘法运算，用一个比例减法运算器一次完成。同相比例运
13、算满足：A=1+R4/R3,这里取R4=99千欧姆，R3=1千欧姆。提供电压用的是200欧姆大小的滑动变阻器接在9V的电压上。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时，放大倍数为R6/R1（U2-U1），U1为变阻器上取得的电压，U2为一级放大传来的电压。由公式可知，当比例减法的比值为1:22.6时，得到1mV/的输出，而为了得到23.84mV/的输出，则把比值调整为23.84:22.6.最终选择R1=R2=226欧，R5=R6=238.4欧。 总之，整个运算电路，把温度通过一个函数（热点偶的电压与温度关系函数）转变为电压信号，再通过这个函数的反函数（运算电路
14、）把电压变成温度对应的变压，可以说是通过整个电路，给温度换了单位，把摄氏度换为毫伏，且1毫伏对应1摄氏度。最后为了显示和控制的需要，进行了一次放大。（2）冷接点温度补偿方法的选择1冷接点补偿的原因：热电偶是两种不同材料组成在一起形成的。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。热偶输出的是两 个端口温度差的函数。通常温度到的一端成为热端（或工作端），温度低的那端称为冷端（或自由端），则输出电压为U=f(T2-T1)若冷端为0，则输出电压为测试温度（热端）的单值函数。但实际中，冷端的温度不为零，则要进行补偿，是其在相应的温度下的电压为零度时的电压。如果精度要求不高时，可以近似忽略，但是精度要求高时，必须进行冷接点补偿。2冷接点补偿的总体思路：查资料得知，K点偶所需的补偿电压为41.269V/,可使其两端电压变为0时两端的电压大小，从而达到补偿的效果3冷接点补偿的具体方
