温度测量与控制电路.docx
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温度测量与控制电路
《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
专业建筑设施智能技术
班级
学生姓名孙文涛
学号
6月12日至6月22日共1.5周
指导教师（签字）
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，陈涛负责温度传感部分，孙文涛负责温度显示和温度范围控制部分，张晓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、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。
设计者
2010年6月20日
课题名称……………………………………………………………………………………………………1
摘要…………………………………………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………………………………………1
设计要求……………………………………………………………………………………………………1
正文…………………………………………………………………………………………………………1
一、系统概述和总体方案论证与选择…………………………………………………………………1
二、单元电路设计………………………………………………………………………………………2
（一）温度传感模块………………………………………………………………………………3
（二）数字显示与温度范围控制模块……………………………………………………………3
1、方案的论证与选择…………………………………………………………………………3
2、AD转换与解码……………………………………………………………………………8
3、译码显示……………………………………………………………………………………10
4、控制温度设定………………………………………………………………………………11
5、温度超限判断………………………………………………………………………………12
6、多路温度循环检测功能……………………………………………………………………13
7、方案的优点与缺点以及改进………………………………………………………………14
（三）声光报警……………………………………………………………………………………15
（四）温度控制执行………………………………………………………………………………15
三、总体电路图…………………………………………………………………………………………16
四、结束语………………………………………………………………………………………………16
五、参考文献……………………………………………………………………………………………17
六、元器件明细…………………………………………………………………………………………17
七、收获体会……………………………………………………………………………………………27
八、鸣谢…………………………………………………………………………………………………27
附录……………………………………………………………………………………………………………27
教师评语………………………………………………………………………………………………………28
【课题名称】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。
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
【设计要求】
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
【正文】
一、系统概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总体设计方案A框图
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总体设计方案B框图
二、单元电路设计
（一）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。
使用时将热电偶的热端（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2-1-1温度传感模块电路图
（二）数字显示与温度范围控制模块
1、方案的论证与选择
经分析，数字显示与温度范围控制模块的核心主要有两部分：
（1）A/D转换和码制转换部分
（2）温度范围设定与温度超限行为判断部分
每部分分别有两种方案：
（1）A/D转换部分
方案A.
首先要把温度传感器的电压信号转换成频率不同的矩形波信号。
如图2-2-1所示，电压/频率转换电路由一只运算放大器和一只555以及少量电阻和电容组成，运算放大器部分作成差分积分电路，同相输入端是由555的3脚输出端反馈加来的，由于555的触发电平是1/3VCC，因此当输入电压信号
在1/2VCC内变化时，该电路的输入电压Ui和输出的矩形波的频率
具有良好的线性关系（由于该方案最终未被采纳，只给出V/F对应关系表作为参照，见表1，该电路的具体原理和Ui~
线性关系的详细计算和在此不再赘述）。
图2-2-1555和差分积分放大电路构成的V/F转换器
V/F转换关系对应表表1
R3
220kΩ
22kΩ
10kΩ
5KΩ
C3
1μF
0.1μF
2μF
200pF
R1,R2
1MΩ
220kΩ
100k
10kΩ
C1,C2
2μF
0.1μF
2nF
300pF
频率/电压
1Hz/V
100Hz/V
10kHz/V
100kHz/V
V/F转换器输出的频率不同的矩形波信号要转化成可数字显示的BCD码，如图2-2-2所示，频率---8421BCD码的转换由4片同步十进制加法器74LS160实现，第
（1）片74LS160的RCO进位输出接第
（2）片的CLK时钟信号输入端，当第
（1）片74LS160计数器进位时，第
（2）片74LS160加1，第
（2）片再向第（3）片74LS160进位，以此类推，4组QDQCQBQA分别为百位、十位、个位、小数位，分别经过4片锁存器74LS175，接到4片七段数字显示译码器74LS48，再连接数码管即可实现温度的十进制数显示。
图2-2-2频率信号转BCD码
把4片锁存器74LS175的CLK时钟端接在一起，引出节点①。
4片74LS160的清零端接在一起，引出节点②。
V/F转换器的频率信号经过图2-2-4中的与门“U2A”进入③。
节点①和②的波形关系需满足如图2-2-3所示关系，即满足“先锁存，后清零”，这样，在“计数开始”（②的上升沿）到“锁存器状态翻转”（①的上升沿）的这段时间t内，通过的波形周期数就等于数码管上显示的数字。
时间t的大小可以通过调节图2-2-4中的R、C参数来调整，t=0.7R2C1≈0.49s，使其在这段时间内恰巧通过一定的周期数，就可以使计数器计数到该温度并显示出来。
比如，当温度为10.0℃时，V/F转换电路产生一定频率的矩形波，在指定的时间t内，使其恰巧通过100个完整波形，四片计数器的输出状态为0000000100000000，即可译码显示为“10.0”代表10.0℃
图2-2-3方案A中节点①和②的波形关系
该波形由图2-2-4所示电路产生。
电容C3起到消除竞争与冒险的作用，没有C3，可能使锁存器锁入数据0000000000000000，数码管上会显示0.0（℃）。
并引起错误报警，和温控执行电路的不合理启动。
图2-2-4方案A清零信号，计数信号，锁存信号产生电路
综上所述，该电路工作过程复杂，虽然理论上可行，也通过了在Multisim中的模拟检测，但是在实际中，图2-2-4中的RC参数也都会受到温度影响，造成测量温度不准确，如果电容C3短路，更可能造成误报警和错误加热操作的不良后果。
另外，该电路的功耗太大，不利于实际应用。
所以，最终放弃了该方案。
方案B
采用集成芯片AD574A作为模数转换芯片，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。
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，其电路连接简单，转换效率高，功耗低，出错率低。
综上所述，B方案工作稳定性强，不易出错，所以采用B方案。
具体电路和实施方案见后文“2.AD转换与解码”。
AD574A的详细资料见“元器件明细”。
（2）控制温度设定与温度超限行为判断部分有两种方案：
A.如图2-2-5所示，通过旋动滑动变阻器获得不同的分压代表相应的的温度值，分压一路通过AD转换显示设定温度，一路经过电压比较器和温度传感模块输出的Ui进行比较，输出高低电平指示信号控制报警和温控执行模块。
该方式虽然简便可行，但其受外界环境干扰较大，当实际温度在控制温度附近时，有可能由于其他干扰比如滑动变阻器上的电压若有电池提供，其输出电压会随着使用时间的增加而变化，无人值守时，设定的温度会随着电池电压的减小而变化，达不到理想的温控效果，温度控温精度并不高。
图2-2-5控制温度设定与温度超限行为判断方案A思路框图
B.采用数字设定方式。
如图2-2-6所示：
通过计数器精确设定温控范围，以8421BCD码的形式保存到锁存器中，经过级联的数值比较器与EEPROM输出的代表温度的8421BCD码进行比较。
来判定温度是否超限，由数值比较器输出高低电平作为指示信号控制报警和温控执行电路。
综上所述，B方案温度设定简单方便，控制更加精确，工作稳定性更好。
所以采用B方案。
图2-2-6控制温度设定与温度超限行为判断方案B思路框图
B方案的具体实施方案和具体电路图见后文“4、控制温度设定”“5、温度超限判断”部分
最终确定的总体思路框图如图2-2-7：
图2-2-7最终确定总方案框图
2、AD转换与解码
AD转换：
如图2-2-8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。
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。
存储器281024地址和数据对应写入单元数据如表2：
表2存储器281024地址和数据对应写入单元数据
温度
地址编码
BCD编码
000.0
0000000000000000
0000000000000000
000.1
0000000000000001
0000000000000001
000.2
0000000000000010
0000000000000010
......
......
......
409.5
0000111111111111
0100000010010101
281024的详细工作参数见“元器件明细”。
图2-2-8AD转换与二进制转8421BCD码电路图
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2-2-9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2-2-9译码显示电路图
4、控制温度设定
如图2-2-10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2-2-10控制温度设定装置电路图
5、温度超限判断
如图2-2-11所示，共有8片数值比较器74LS85（其功能表见附录），
（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2-2-11温度超限判断电路图
6、多路温度循环检测功能
如图2-2-12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2-2-12多路温度检测功能电路图
7、方案的优点与缺点以及改进
（1）图2-2-10中的各与门都是起控制信号通断的作用，不如将其替换为模拟开关（如图22-2-13）实现信号的切断和导通，并且省去了与译码显示部分连接的或门（单元图中未画出，详见总电路图），使电路结构进一步简化，变得更可靠，使性能更加稳定，功耗更低。
（2）由555和阻容元件组成的多谐振荡器可以采用集成芯片实现，由于555的功耗相对较大，采用集成芯片更有利于节省电能，延长使用时间。
图2-2-13模拟开关电路
该模块的最终整合电路图见附录1
（3）声光报警
如图2-3-1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2-3-1声光报警电路图
（四）温度控制执行
如图2-4-1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2-4-1加热降温执行电路图
三、总体电路图
限于篇幅和纸张大小，见附录2
四、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。
设计中难免有缺点和漏洞，真诚希望老师指导，以求改进。
本次设计中有如下几个难点：
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AD574A模数转换器，这样以来不仅实现对于模拟信号的数字转换，同时也提高了精度的要求。
二是如何将12位二进制数转换成8421BCD码的问题，经过查阅大量资料并研究决定用EEPROM电可擦写存储器来完成这个功能，具体电路图和转换关系如上所述。
三是温度的设定和朝鲜判断，技术要求中提到输入温度连续可调，我们开始拟采用滑动变阻器控制，使滑动变阻器的分压参与电路中的信号处理，由于其种种缺点，最终放弃了该方案。
使用计数器、寄存器、数值比较器、译码显示装置、实现了将控制温度直接以直观的数字量直接输入，并以8421BCD码的形式输入数值比较器进行温度判定，也实现了输入温度的连续可调，而且极大地提高了准确度、直观性和易用性。
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。
五、参考文献
1.《传感器原理与应用》程德福王君凌振宝王言章编着
机械工业出版社2008年1月第一版
2.《数字电路设计手册》荀殿栋徐志军编着
电子工业出版社2003年7月第一版
3.《Multisim8仿真与应用实例开发》从宏寿程卫群李绍鉊编着
清华大学出版社2007年7月第一版
4.《电子线路设计与实践》姚福安主编
华中电子科技大学出版社2001年第一版
5.《基础电子电路设计与实践》戴伏生主编
国防工业出版社2004年4月第一版
6.《模拟电子技术基础》陈大钦主编
机械工业出版社2006年4月第一版
7.《数字电子技术》JamesBignellRobertDonovan编着
科学出版社2005年2月第一版
8.《新编电子控制电路300例》刘修文
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