温度测量与控制课程设计.docx
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温度测量与控制课程设计
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，将设计分为两部分，王宇辰负责显示电路和温度传感器部分，潘海负责控制电路和声光报警电路。
利用已学的模电数电知识和通过图书馆、网络搜索资料，确定了三种实现方案，通过优劣比较，选择了一种结构简单但有一定功能扩展的实现方案。
该方案由铂热电阻构成的温度传感器、AD574构成的AD转换器、74185和数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Multisim仿真软件画出了总体电路图，及各单元电路图。
由于温度测量与控制电路中需要有温度控制装置，即升降温或保持温度的装置，而这个装置我们目前没有能力完成，所以老师要求我们只需设计出该温度控制装置的工作信号即可。
该系统可以进行改进与功能扩展：
（1）增加通信功能
（2）提高系统控制的静态精度
（3）进一步降低成本
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。
设计者
2009年12月23日
目录
前言……………………………………………………
摘要……………………………………………………
正文……………………………………………………
一、系统概述……………………………………
1、方案比较…………………………………
2、方案论证与选择…………………………
二、总体设计……………………………………
三、模块电路设计………………………………
1、温度传感器………………………………
2、测温基本电路……………………………
3、声光报警电路……………………………
4、AD转换器………………………………
5、电压比较器………………………………
6、8位二进制~8421BCD码转换电路………
7、控制电路……………………………………
8、电热电路……………………………………
9、显示电路…………………………………
结束语
元器件明细
1、AD574介绍
2、74185介绍
参考文献
心得体会
题目：
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，同时综合温度传感器的相关应用，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：
一是达到技术要求；二是尽量应用所学知识；三是设计力求简单可靠。
在这个思想下本次设计以数字电子技术的基础知识为主，如应用电压比较器74LS324来实现温度控制装置，声光报警装置采用555构成的多谐振荡器实现，译码显示部分应用有内置译码器的四输入数码管完成，而8位二进制数到8421BCD码的转换由74185来实现，A/D转换应用集成芯片AD574完成，同时运用到模拟电子技术中的滤波放大电路的相关知识，如A/D转换前置低通滤波器，来滤除干扰信号，应用放大电路来实现信号幅度与元器件工作范围的匹配，温度传感器的应用也成了本次设计的重点，综合传感器知识后，此次设计决定采用热敏电阻构成的桥式电路来实现温度的测量与转换。
本次设计的主要设计内容如上所述。
在本次设计中用到了两个集成芯片：
一是AD574，来完成9位A/D转换，二是用74185来实现8位二进制数到8421BCD码的转换。
关于这两个集成芯片将在元器件表中作进一步介绍。
【关键词】：
温度传感器电压比较器A/D转换控制温度声光报警译码显示
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、系统概述：
1、方案比较：
方案一：
基本思路：
由555组成振荡电路（即V/F变换电路）；时钟电路产生100MS频率时钟，现在就变成了每100MS计数器内所计的数再经分频来作为温度。
每100MS到来时，对锁存器电路锁存，锁存以后才能对计数器进行清零。
R2设定温度。
举例来说：
比如被测温度是100度，V/F变换电路产生1000个脉冲，10分频后即为100度显示。
方案二：
系统方框图如图1所示，温度传感器测量被测量的温度，转换成电压信号后经过滤波消除干扰信号，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。
此数字信号经三条路径：
其一，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;其二，经过码制转换后进入数码管显示当前所测温度；其三，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。
图1
方案三：
系统方框图如图2所示，温度传感器用来测量被测体的实时温度并转换成电压信号，该电压信号经过滤波放大电路，成为有用信号分两路进入后续电路：
一路进入A/D转换电路将其转换成数字信号显示；电压信号的另一路进入电压比较器，与输入控制温度电压信号进行比较，比较结果信号将驱动温度控制装置工作，对被测体的温度进行实时控制，电压比较器的比较结果将决定是否发出声光报警。
此方案是将测量温度与输入控制温度转换成电压信号进行比较，从而实现了温度的控制。
图2
2、方案论证与选择：
方案一将热电阻由温度的变化通过555变化为频率的变化，完成V/F变换。
这一变化可用555多谐振荡器实现，f=1.443/（R+2Rt）C,而后，其利用分频实现控制温度与频率的对应，整个电路中以频率为主參与温度的控制过程。
由于其中计数、分频、单稳态等功能多而繁，故舍之。
方案二是将所有的信号都转换成数字信号处理，只用了一步A/D转换，而且系统的主要处理部件均采用数字式的元器件，从而使信号的模式与之匹配，对于信号处理的精度就有了保证。
但由于其上、下限温度限定电路复杂，远没有模拟信号设定轻松，故舍之。
方案三符合要求中控制温度与测量温度均可显示，利用单刀双掷开关经济有效的解决了这一问题。
控制电路中以模拟信号为主，实现起来简单且准确。
综上所述，鉴于三个方案的优缺点，总体上比较后选择方案三作为我们此次温度测量与控制电路的设计方案。
二、总体设计:
系统方案原理框图中，从温度的采集到与设定温度的比较，再到控制过程都是模拟信号，在显示电路中，将模拟信号转换成数字信号。
下面就各模块简要分析。
三、各模块设计：
1温度传感器：
铂测温电阻
金属具有随着温度的升高电阻值增大的特性，其温度系数一般问（3000~7000）*0.000001/
10-6℃。
利用金属的这一特性，我们可以通过监测金属电阻的变化实现温度测量。
制作测温电阻的材料除了铂以外还可以是铜活镍等，而铂的纯度大于99.999%，是最佳的测温材料。
大多数金属电阻当温度上升时，其电阻增大，电阻率温度系数一般为0.4%~0.6%，电阻与温度的关系一般可以表示为Rt=Rto[1+α（t-t0）]
式中，Rt为t℃时的电阻值；Rto为温度为0℃时的电阻值；α为电阻率温度系数。
一般金属材料的电阻与温度关系为非线性的，故电阻率温度系数也随温度而变化。
做温度测量的金属电阻要具有一定的灵敏度、温度测量范围、重复性、稳定性和线性，因此，用作测量温度的金属材料必须满足一下条件。
（1）电阻温度系数大。
其定义为：
温度变化1℃时的电阻的相对变化值。
电阻温度系数越大，测量灵敏度越高。
（2）电阻率大。
电阻率大可使电阻体积做得小些，减小热惯性。
（3）在测温范围内，物理、化学性质稳定。
（4）电阻与温度的关系要接近线性，以便于分度和读数。
（5）重复性好、复制性强，便于批量生产和互换。
（6）价格便宜。
常见铂测温电阻的标称电阻值为100Ω，温度系数是3850×10-6/℃。
标称值的误差影响偏置，而温度系数的误差影响增益。
温度跨度越大误差也越大。
标称值的误差可用一点调整，而温度系数的误差要由间隔温度的两点调整。
当要求很细微的调整温度时，要选用温度系数一致的传感器。
2.测温基本电路：
（1）铂测温电阻的基本电路
图3
电路的输出
Eout=R1·ΔR·VIN/（R1+R0+ΔR）（R1+R0）
由于分母中有ΔR项的存在，在恒定条件下工作除了传感器的非线性误差外，还有恒压电路产生的误差，使得误差变得更大。
为此在恒压下工作必须要有线性校正电路。
（2）输出电压由上式可知，在恒压条件工作时，输出电压依赖于R1和Vin。
当R1=22KΩ，Vin=10V时，在（0~100）℃范围为10575mV/℃，为了得到10mV/℃的输出，运放放大器的增益应为6.349倍。
（3）线性校正电路图4电路在（0~500）℃范围最大会有4%的误差。
可见恒压工作的非线性要比恒流工作的非线性误差大。
恒压工作时，在传感器自身的非线性误差上还有一个由恒压工作带来的非线性误差，不进行校正就无法实现该精度测量。
校正的方法采用正反馈线性校正。
如图，在电路中，把运算放大器A2的输入反馈到输入端Vin，反馈量由R3、VR3、R4决定，而且是串联加到Vin。
这样Vout大，对传感器所加的电压VB也大，结果使得Vout变小，实现了线性校正。
图4
3、声光报警电路：
图5
该报警装置如图5所示，主要构成器件为555集成芯片。
它组成的多谐振荡器再加上发光器件和扬声器，就构成了此声光报警器，当前置电路产生的逻辑信号为高电平时，则该声光报警装置工作，发出声光报警。
当然声光报警装置可以有多种构成方式，对于其发出声音的频率，持续的时间都可以精确设计。
此处声音的频率为：
F=1.44/[（R1+2R2）C2]=9.6KHZ
每一次发声持续的时间为：
T=（R1+R2）CLn2≈1×10-4S
图6
4、A/D转换器：
A/D转换部分有两种实现方案：
方案
利用集成芯片AD574，再结合两片74LS283构成。
该方案工作原理是先将模拟量转换成9位二进制数，再将最低一位和前八位相加这样就可以将测量精度提高到±0.5℃.方案
是利用电阻网络实现A/D转换，这种方法是比较基础的，但对于此次设计来说，该方案的转换精度不高，而且电路复杂，较难准确实现。
综合考虑，应用方案
，即AD574来实现A/D转换。
图7
如图7所示，用集成芯片AD574构成的9位A/D转换电路。
对于AD574这个芯片将在后续的元器件表中详细说明，先就图7的工作情况做以下论述：
滤波放大信号的输出作为A/D转换的模拟量输入，进入引脚20VIN，引脚D0～D9作为数字信号输出，当电路图如此连接后就可以实现模数转换功能，当经过滤波放大的电压信号输入时，经过转换就可以输出9位二进制的数字信号。
将这9位数字信号的高8位与最低一位相加，从而将转换精度提高。
关于AD574的详细介绍见备注部分。
\
图8
用电阻网络构成的A/D转换电路如图9所示，输入模拟信号后在箭头所示位置输出8位数字信号.
图9
5、电压比较器
LM324是四运放集成电路，它采用14管脚双列直插塑料（陶瓷）封装，外形如图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图10。
图10lm324功能引脚图
图11LM324集成电路内部电路图1/4
6、8位二进制～8421BCD码转换电路：
本次设计中，当电压信号经过A/D转换后变成了8位二进制的数字信号，而后续电路需要的是8421BCD码，所以需要进行码制转换。
我们选用集成芯片74185来实现这个功能。
具体电路见图12集成芯片74185的介绍备注部分。
图12
7、控制电路：
由于通过温度传感器测得温度后，将温度值转化为电压值，因此，利用电压值之间的大小关系就可以控制温度的大小。
我们调节温度是将其转化为电压的形式，通过改变电压值来实现控制温度与被测温度的比较。
所以，就要求控制温度电路中，其温度-电压之间的关系与测量电路中的一致。
并且，我们利用LM324电压比较器来完成控制电路的核心控制，由于比较器最小输入电压差为40mV，而温度测量中输出电压精度在5mV，因此需要加大电阻以提高电压值，以实现两个电压的正常比较。
控制电路图如下：
图13
温度控制选择可通过电位器W2来实现．通过调节W2可使其中间头的电压在0——1.65V之间的范围内变换，对应的控制温度范围为0——165℃，完全可以满足一般的加热需要。
将开关K打在2的位置，电位器W2中间头的电压经过电压跟随器A后送到数显表头输入端来显示控制温度数值．
调节电位器W2，数显表头所显示的数值随之变化，所显示的温度数值即为控制温度值．电位器W1为预控温度调节，其电压调节范围为0——0.27V，对应可调节温度范围为0——27℃．此电位器调整后，其中间头的电压与电位器W2中间头的电压分别送入比较放大器B（放大倍数为1）的反相及同相输入端，B输出端的电压为二输入电压之差．此电压对应两个设定的温度值之差．例如将W1调至0.10V，对应温度10℃；将W调至O.80V，对应温度80℃．B的输出电压为0.70V，表示温度70℃．此电压与集成温度传感器输出的电压送到电压比较器C中进行电压比较．
当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时，C输出高电平。
当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电平，电压比较器D输出高电平。
当实际温度上升到80℃以上时，温度传感器的输出电压大于0.80V，电压比较器D输出低电平。
使用中的注意事项：
1．电位器W1、W2使用普通有机实芯电位器即可，电位器W2可以使用多圈带指示精密电位器，并安装在面板上以分别调节；
2、W1的调节要根据实际加热情况来适当选择。
8、电热电路：
图14
当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时，C输出高电平，可控硅T1因获得偏流一直导通，交流220V直接加在电热元件两端，进行大功率快速加热． 当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电平，可控硅T1因无偏流处于截止状态，电压比较器D输出高电平，可控硅T2仍处于导通状态，交流220V需要通过二极管D2加在电热元件两端，进行小功率慢速加热（此时的加热功率仅为原来的25%）．
当实际温度上升到80℃以上时，温度传感器的输出电压大于0.80V，电压比较器D输出低电平，可控硅T2也截止，电热元件断电．
由于此时加热功率较小，加上散热作用，温度不会大幅度上升,其实际温度在控制温度左右一个很小范围内波动，这样就实现了温度的较高精度的自动控制。
使用中的注意事项：
1．可控硅T1、T2选择耐压220V，电流大于实际工作电流的双向可控硅，并在使用中加散热片散热，以防过热损坏；
2、D2的电流大于实际工作的电流的一半即可，并另加散热装置；
3．可控硅一端与控制电路的地线相联，因此整个电路带有交流市电，安装使用时应注意采取隔离绝缘措施，以防触电；
9、显示电路：
如图16所示，即为控制温度的显示电路，在这里数码管可以有两种选择：
：
四输入数码管，它可以将以8421BCD码形式输入的信号进行译码然后再显示，从而省去了译码部分，如图15；
：
七输入数码管，即七段显示数码管，这种数码管有共阴极和共阳极之分。
应用此种数码管时，必须前置译码电路，即7448七段数码显示译码器，其与数码管的连接见图16，图中的数码管即总电路中运用到的数码管，其已经在现时代哪路的仿真过使电路简单许多程中测试过，工作正常。
图15
图16
【结束语】：
本次温度测量与控制电路的设计主要内容如上所述，在此次设计中运用到的知识大多数为课本所学，对于诸如单片机等其他知识尚未涉及到，因此设计中难免有缺点和漏洞，真诚希望老师指导，以求改进。
本次设计中有两大难点：
一是12位的A/D转换电路，在这一部分的设计中我们查阅了大量资料，最后决定用AD574再结合两片四位加法器74LS283构成，这样以来不仅实现对于模拟信号的数字转换，同时也解决了精度的要求，二是如何将8位二进制数转换成8421BCD码的问题，经过查阅资料并研究决定用二进制/BCD码转换器74185来完成这个功能，具体电路图如上所述。
在本次设计中，技术要求中提到输入温度连续可调，在老师的指导下，我们采取的方法是将控制温度以电信号直接输入，参与电路中的信号处理，当然如果采用方案
的话，控制温度将直接以数字量直接输入，然后进行编码，使之成为二进制数字信号后参与电路中的信号处理，这样一来也实现了输入温度的连续可调，但是在进行控制温度中设定上、下限值时电路比较复杂，于是我们决定采用前者的方法来实现输入温度的连续可调。
以上即是对本次设计中的主要问题的讨论与解决方案，敬请老师给予指正，以求得更好的解决方法。
元器件明细：
序号元器件型号名称标称值或功能数量
1AD57412位AD转换器1
274185二进制～8421BCD码转换器3
3555定时器1
4SEVEN_SEG_COM_A_GREEN七输入数码管3
574LS32N两输入或门1
6VCC或VEE直流稳压电源
备注：
对于上述表格中的元器件AD574、74185及热敏电阻做以下介绍（其他元器件均比较熟悉，在此不做详细说明）：
1.AD574A：
是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，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，其主要功能特性如下：
分辨率：
12
位非线性误差：
小于±1/2LBS或±1LBS
转换速率：
25us
模拟电压输入范围：
0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种
电源电压：
±15V和5V
数据输出格式：
12位/8位
芯片工作模式：
全速工作模式和单一工作模式
片内自备时钟基准源，变换时间快（25s），数字量输出具有三态缓冲器，可直接与微机的总线接El，又可直接采用双极性模拟
信号输入，有着广泛的应用场合，供电电源为±15V，逻辑电源为+5V．
1.AD574的电路组成
AD574的原理框图如图所示。
AD574由模拟芯片和数字芯片两部分组成
图17
2．AD574的引脚功能说明
AD574各个型号都采用28引脚双列直插式封装，引脚图如图18所示
图18
CS：
片选，低有效．
CE：
片允许，高有效．8031的WR和RD相与非后接CE，以确保AD574A在被启动变换或读出变换结果的操作时，CE有效．
R／C：
读／变换，高为读A／D变换结果，低为启动A／D变换．
12／8：
数据格式，高为12位并行输出，低为8位（或4位）并行输出．本设计令其接地．
A0：
字节地址／短周期，高为8位变换／输出低4位，低为12位变换／输出高8位．
STS：
变换状态，高为正在变换，低为变换结束．STS总共有三种接法：
（1）空着：
只能在启动变换
25s以后读A／D结果；
（2）接静态端口线：
可用查询方法，待STS为低后再读A／D变换
结果；（3）接外部中断线：
可引起中断后，读A／D变换结果．本设计夸其接P1．o．
REFIN：
基准输入．
REFOUT：
基准输出．
BIPOFF：
双极性方式时，偏置电压输入端．
DBII～DB0：
12位数据总线．
10VSPAN：
单极性0～10V模拟量输入；双极性0～±5V模拟量输入．
20VSPAN：
单极性0～20V模拟量输入；双极性0～±10V模拟量输入
AD574的真值表如表1所示。
单极性输入电路和双极性输入电路分别如图19、图20所示。
AD574真值表
表1
AD574单极性输入电路
图19
AD574双极性输入电路
图20
2.74185：
该芯片是专门的二进制/BCD码变换器，74185的功能表见表2.虽然它只有五个二进制数输入端，但因二进制数变换为BCD码时最低位不需要变换，所以只需附加直通输出线即可实现二进制数到BCD码的变换。
74185的管脚图见图201其Y7、Y8两个输出在任何情况下均为高电平，属于两个无用的输出，故在图中未画出来。
图21
74185功能表
N10
二进制数输入
使能
输出
EDCBA
G
Y8Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1
0-1
00000
0
11000000
2-3
00001
0
11000001
4-5
00010
0
11000010
6-7
00011
0
11000011
8-9
00100
0
11000100
10-11
00101
0
11000101
12-13
00110
0
11000110
14-15
00111
0
11000111
16-17
01000
0
11001000
18-19
01001
0
11001001
20-21
01010
0
11001010
22-23
01011
0
11001011
24-25
01100
0
11001100
26-27
01101
0
11001101
28-29
01110
0
11001110
30-31
01111
0
11001111
32-33
10000
0
11010000
34-35
10001
0
11010001
36-37
10010
0
110100
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