电子技术温度测量控制Word格式文档下载.docx
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参数计算及单
元电路的正确性
设计内容的合理性
结果评价
毕业要求指标3.3掌握电气工程领域的基本创新方法，在设计环节中体现创新意识
设计方案的可行性
设计的创新性
创新意识
毕业要求指标：
4.3能够选择与使用恰当的现代工程工具和信息技术工具，解决包括预测与模拟在内的复杂电气工程问题，并能够理解其局限性。
仿真或实验验证
技术指标或性能
结果的正确性
6.3理解工程伦理的核心理念，了解电气工程师的职业性质和责任，在工程实践中能自觉遵守职业道德和规范，具有法律意识
设计态度与进度
设计报告图表
设计内容与文字表达
设计报告格式与完整性
总得分
标准说明：
以上13个评定标准，每个评定标准5分，总分65分。
得分40分以上视为总成绩合格。
总成绩
日期
年月日
课程设计任务书
一、设计题目
温度测量与控制器
二、设计任务
1.能测量和控制特定场所（如玻璃工坊）温度的控制器。
2.温度控制范围：
0-90℃，控制精度为±
1℃。
3.控制输出通道双向晶闸管或继电器；
每组转换节点可外接交流220V，10A电源工作。
三、设计计划
电子技术课程设计共1周。
第1天：
选题，查资料；
第2天：
方案分析比较，确定设计方案；
第3～4天：
电路原理设计与电路仿真；
第5天：
编写整理设计说明书。
四、设计要求
1.要求有两种或以上方案比较、设计。
2.对所设计的电路全部或部分进行仿真，使之达到设计任务要求。
3.画出整体电路图，写出设计说明书。
指导教师：
时间：
年月日
目录
1方案设计与分析1
1.1总体方案确定1
1.2方案选择1
1.3电路设计框图及功能描述2
2单元电路设计与参数计算3
2.1正、负12V直流稳压电源的设计3
2.2测温电桥3
2.3放大器电路4
2.4温度显示电路5
2.5温度比较电路5
2.6温度控制电路6
2.7温度执行电路6
3总体电路图7
4电路仿真调试7
4.1直流稳压电源7
4.2温度检测控制电路8
4.3总电路仿真9
5.课程设计体会10
参考文献11
摘要
控制系统一般由温度检测部分和温度控制部分组成。
温度检测部分主要用来接收当前系统中的温度，然后发送到控制部分；
温度控制系统主要是用来控制外部环境系统的，它接受来自温度检测部分的信号，然后与所要控制的温度信号进行比较，从而决定是否需要加热。
本设计同样采用这两大部分，通过对当前与控制温度的对比决定是否进行加热，从而达到控制温度的目的。
关键词：
温度；
检测；
控制；
单限比较器
1方案分析与对比
方案一:
采用集成芯片AD574A作为模数转换芯片，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
AD574A可以把电压信号转换成二进制数，但是二进制数并不能直接在数码管上显示，所以AD574A输出的二进制数到8421BCD码的转换成为该方案的核心问题，经过查阅大量资料，最终决定采用281024CMOSEEPROM实现二进制到8421BCD码的。
方案二：
温度传感器测量温度，转换成电压信号后经过放大电路将所测信号幅度与后续电路的工作范围做一匹配，所得有用信号经过A/D转换专职转换成数字信号。
此数字信号有三条路径：
一、进入超限报警装置与所设定的温度范围进行比较，若超限则发出声光报警；
二、经过码制转换后进入数码管显示当前所测温度；
三、进入数字比较器与输入的控制温度进行比较，产生温度控制机构的工作信号，同时显示输入的控制温度。
此系统可以对被测体的温度进行实时跟踪测量，并进行有效控制，总体上实现了温度的测量与控制。
综上所述，一方案其电路连接简单，转换效率高，功耗低，出错率低，工作稳定性强。
2.方案一设计
2.1方案一原理
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。
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2-1-1总体设计方案一框图
2.2温度传感模块
如图2-1-1所示，温度传感把模块把温度大小转化为电压信号，传入数字显示与温度范围控制模块。
使用时将工作端放入被测量的环境中，注意连接导线选用阻值受温度影响小的材料，且有良好的绝缘材料包裹。
长时间使用后可对电路进行校准，在标准温度下，测量输出电压值，并通过调整滑动变阻器进行校准。
其输出电压Uo（V）和温度T（℃）的关系式为Uo=0.02384*T。
图2-2-1温度传感模块电路图
2.3数字显示与温度范围控制模块
2.3.1AD转换
如图2-3-1所示电路，为提高精度，采用AD574A的12位转换模式，其与温度传感器部分的连接方法是：
AGND端接，传感器部分的模拟地端，Ui接传感器的输出电压。
REFIN端为参考电压输入（通过调节滑动变阻器0~10V可调，用于校准。
）
当输出的二进制码为111111111111，换算为十进制数是4095，经过码制转换后，在数码显示管上即显示数字409.5。
代表409.5℃。
由于传感器部分的输出电压Ui满足，Ui=kT（T代表温度，单位：
℃）即满足kV/℃
所以参考电压UREFIN的取值需要满足UREFIN=k*409.5，
UREFIN的可以通过图2-2-8中所示滑动变阻器R1调节。
R/C端由555和少量阻容元件构成的多谐振荡器，R6=140kΩ，R7=3kΩ，C5=10μF
555的3脚为输出端，其高电平持续时间T1=0.7（R6+R7）C5≈1s，低电平持续时间T2=0.7（R7C5）≈21ms。
输出低电平时，AD574A处于转换状态，转换时间需要约25μs，T2>
>
25μs，所以转换器有充分的时间进行转换，保证了转换数据的准确性，满足要求。
输出高电平时，在该电路中AD574A处于12位数据并行读取状态，其转换的二进制数据被传送到EEPROM中。
图2-3-1
2.3.2码制的转换——12位二进制数转8421BCD码
通过对电可擦写只读存储器（EEPROM）281024进行编码，实现二进制数码到BCD码的变换。
即把4096个温度值的二进制数据位当作源码作为存储器EEPROM的地址码，把需要转换的8421BCD码作为“目的”码写入地址对应的存储器EEPROM内部单元。
使用时，当AD转换器采集到不同电压信号时，把转换后的二进制码迭到EEPROM的地址位，那么与此地址相对应的输出数据就是所求的8421BCD码格式，从而完成了4096个二进制码温度值到8421BCD码的转换。
该4096个温度值的数字解码器是四位数显示，所以选用有16个位线的281024EEPROM，实际中，也可根据制造的成本视情况选择两片8个位线的EEPROM（如：
27C32）进行位线扩展，扩展成16位。
低12位A0~A11接对应的AD574A的二进制输出端，高4位A12~A15均接地。
D0~D3，D4~D7，D8~D11，D12~D15分别输出小数位、个位、十位、百位的8421BCD码。
接到译码显示模块74LS48即可把BCD码转换成七段a~g显示驱动信号，在LED数码管上进行十进制显示。
2.3.3译码显示
百位、十位、个位、小数位共4组16位8421BCD码依次输入4片74LS48即可把BCD码转换成七段a~g显示驱动信号，在LED数码管上进行十进制显示。
接法如图2-3-2所示，
U4、U5、U7为7段数码管，U6为8段数码管，4个数码管共阴极均接地。
U6的h脚通过180Ω电阻接+5V电源，显示小数点。
这样，温度值即可在数码管上十进制显示。
图2-3-2译码显示电路图
2.3.4控制温度设定
如图3-2-4所示，温度设置装置由4片十进制加法计数器74LS160构成，且均处于计数状态。
4个CLK时钟端均分别接一个按钮式开关，其弹起时接+5V高电平，按下时接地处于低电平，当进行设置时，“启动温度设置”处于高电平（有专门开关控制，图中未画出，见总电路图），通过按动开关即可手动使计数器计数，控制百位、十位、个位、小数位的数字。
其数据输出端共有两个去向，
去向1：
接译码显示电路即可实时显示设定数值的变化，与门7408的作用是控制计数器的数据输出，“启动温度设置”处于高电平时，计数器数据可以输出到译码器；
“启动温度设置”处于低电平时，阻断了计数器数据向译码显示电路输出。
去向2：
接锁存器。
图中共有8片4位锁存器74LS175，每4片为一组分别储存温度上限和温度下限的8421BCD码。
记录上限的4片锁存器的CLK时钟端和记录下限的4片锁存器的CLK时钟端分别接在一起引向两个按钮式开关，一个是“锁定温度上限”按钮，另一个是“锁定温度下限”按钮。
开关常态接地，按下时接+5V高电平，锁存器锁入数据。
锁存器的输出端接数值比较器，比较实际温度和设定值的大小关系。
图2-3-3控制温度设定装置电路图
2.3.5温度超限判断
如图3-2-5所示，共有8片数值比较器74LS85，
（1）~（4）片级联用于比较监测温度和设定的温度上限的大小，（5）~（8）片用于比较监测温度和设定的温度下限的大小。
其级联方式和数据输入方式如图所示：
当测量温度低于设定的温度下限时，（5）片的OALTB（A<
B）端输出高电平启动报警电路和加热电路，低温报警指示灯发出蓝光。
当测量温度高于设定的温度上限时，（4）片的OAGTB（A>
B）端输出高电平启动报警电路和降温电路，高温报警指示灯发出红光。
两个与门U10A和U17A的作用是控制后续的温控执行和报警电路的开启或关闭。
或门U9A的作用是将高温超限报警信号和低温超限报警信号进行或运算。
当有其一超限时，就会启动报警电路。
图2-3-4温度超限判断电路图
2.3.6多路温度循环检测功能
如图3-2-6所示：
由555和阻容元件构成的多谐振荡器，其产生的矩形波周期可可通过改变滑动变阻器A调节（5s~10s），其输出接74LS160的CLK时钟端，图中74LS160处于计数状态，其低三位QCQBQA依次产生000,001,010,011,100,101,110,111八个状态，一路输入模拟开关ADG508F的地址端A2A1A0，这样，模拟开关将会依次导通S1~S8，从D端输出到模数转换器。
其通道切换频率由时钟信号频率决定。
实现了8路温度的循环监测。
另一路输入译码显示电路，显示当前所监视的线路。
图2-3-5多路温度检测功能电路图
3.1声光报警
如图3-3所示，当输入信号为低电平时，报警电路不工作。
当有高电平信号输入时，模拟开关闭合，多谐震荡电路开始工作。
发光二级管闪烁，并发出蜂鸣报警。
报警时蜂鸣的频率和发光二极管闪烁的频率均为2Hz,作用的占空比为58.3%。
图3-1声光报警电路图
3.2温度控制执行
如图3-4所示，温控执行电路由当输入信号为低电平时，加热或降温电路不工作。
当有高电平信号输入时，加热电路进入暂稳态，3脚输出高电平，继电器吸合，启动加热降温设备进行加热和降温操作。
1~10分钟后（可根据实际情况通过滑动变阻器R3，R4调整），若温度仍低于或高于设定温度，电路不能复位，3脚仍输出高电平，加热或降温操作继续进行。
若温度回到设定范围内，电路即复位回到稳定态，3脚输出低电平，继电器断开，加热或降温操作停止。
图3-2加热降温执行电路图
3.3仿真方案一
图4-1模拟开关电路
图4-2总电路图
4.方案二
图1-1方案二原理框图
5单元电路设计与参数计算
5.1测温电桥
热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。
因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。
目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即
（5-1）
式中，为温度t时的阻值；
为温度（通常）时对应电阻值；
为温度系数。
半导体热敏电阻的阻值和温度关系为
（5-2）
式中为温度为t时的阻值；
A、B取决于半导体材料的结构的常数。
相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。
金属热电阻一般适用于范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。
5.2放大器电路
图5-2放大器电路
5.3温度显示电路
因为通过测温电桥，将热敏电阻随环境温度的变化转换为电位信号通过放大电路比例放大，在放大器输出端口放置数字电压表显示环境温度温度显示电路
5.4温度比较电路
该电路应用于玻璃工厂等室内环境，环境温度一般情况下不会低于0，故不进行对环境温度0时的电位进行比较，所以该电路将放大器的输出电压与与的电位，即比较电路的反相输入端电位，就是上限温度90进行比较，当温度高于90时，比较电路输出正相电压作用于控制电路，进行降温处理，反之则输出反相电压，控制电路处于加热状
图5-3温度比较电路图5-4温度执行电路
5.5温度控制电路
继电器是一种电控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器所控制的输出电路导通或断开。
继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，广泛应用于电力保护自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中
该设计应用继电器作为控制电路的控制开关，选取9V常闭触点直流继电器作为控制开关，党环境温度大于90十比较电路输出端输出大于或等于9V的电压，使继电器工作，接通温度处理电路，使制冷或降温设备运行，降低环境温度，达到对温度的控制
5.6温度执行电路
该部分电路以220V的白炽灯作为加热或制冷设备，当环境温度大于90时，灯亮起，表示制冷设备工作，进行降温处理，当温度在0—90时，灯保持熄灭状态，表示加热设备运行，进行升温处理。
6.总体电路图
温度检测与控制器总电路图
图6-1总体电路原理图
6.1电路仿真调试
6.1直流稳压电源
直流稳压电源的仿真结果为图6-1
图6-1直流稳压电源仿真
6.2温度检测控制电路
下图4-1（a）所示为当温度小于90时，放大器输出为负
图6-2-1温度检测控制电路
图6-2-2温度测量检测电路
6.3总电路仿真
总体电路仿真如图6-3
图6-3-1总体电路仿真
图6-3-2总体电路仿真
7.课程设计体会
通过此次课程设计，我深深的感到了动手设计的魅力，以往书本上的知识学过之后没有实践应用的机会，导致了知识的流失，这次设计的闭环温度控制器，虽然原理简单，构成的器件也很少，但是能把书上所学运用到其中，我感到收获颇丰。
我们这次的设计是通过小组的讨论与实验所完成的，设计的时候虽然有过迷惑和困难，但是，这并不影响我们成功的结果！
本次课程设计培养了我的细心，耐心，信心与恒心，这次课程设计让我明白了一件好的产品不是随便就能生产出来的。
并且让我很好的复习了数字电路与模拟电路的知识，学以致用。
良好的态度是这次试验成功的基石，我们的实验总是面临着各种失败，但是为了充分利用已经学过的知识，将知识变为实物，我始终抱着全力以赴的态度完成每一个步骤。
要想有好的结果，就必须很仔细的做。
从企业中生产出来的产品为什么能做的很好，就是因为做的精，毕竟细节决定成败，故每一步都要注意，随随便便的做，是不可能出特别好的结果。
每个操作都应从理论上找到依据，出现问题也要找依据，于是渐渐地理论与实践就架好了桥梁。
实验要想做的精，把握关键环节，就会建立自己的方案，形成具体且详细的实验思路，，可以提高自己做事的逻辑性，对自己的的确确是很好的锻炼。
在这次课程设计中，我初步学会了怎样去根据课题的要求，就像怎样满足顾客的要一样，来设计最完美的电路，最后动手做出实物，让顾客达到满意的程度。
本次试验让我更深刻和清晰的认识了一次数字电子和模拟电子，将往日所学融会贯通，多动手，多设计，他日定会有所收获。
参考文献
[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.第四版，2006
[2]张宝会,电力系统继电保护.2005
[3]华中科技大学电子技术课程组,电子技术基础.高等教育出版社，2005
[4]陈大钦.模拟电子技术基础.北京.机械工业出版社.2006.2
[5]戴伏生.基础电子电路设计与实践.北京.国防出版社.2004.6
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