长安大学电子课程设计(温度测量与控制)Word文档格式.docx
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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、281024CMOSEEPROM、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EEPROM281024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
技术要求
1、测量温度范围为200C～1650C，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
和铂电阻相似，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（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
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
现有的芯片如LM335，AD590，LTC1052等。
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
如果两种不同成分的均质导体形成回路，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1mV/℃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）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41.269μV/℃,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
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