电子电路综合设计实验选题三测试温度测量数显控制仪的设计实现.docx

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电子电路综合设计实验选题三测试温度测量数显控制仪的设计实现

电子电路综合设计实验

选题三：

温度测量数显控制仪的设计实现

专业：

学号：

姓名：

指导教师：

2012年6月29日

摘要：

此次实验选题名称为“温度测量数显控制仪的设计实现”。

实验要求：

设计一个温度测量数显控制仪并且能够实现预定的测量目标。

温度测量是日常生活和工程领域经常需要解决的问题，在冷库、制冷设备、粮食储备等精度要求不特别高的场合，经常采用Pt100铂电阻来实现温度的采集与控制调节。

温度测量数显控制仪能够满足对温度测量精度要求较高的场所的需求，其测量范围为-50℃~200℃，精度允许误差为±1℃，精度较高、设计简单而且经济实用。

本选题中所设计的电路可由温度采集（传感器）、电阻/电压转换器、A/D转换器、控制电路和显示电路组成。

温度测量数显控制仪采用热敏类电阻铂Pt100作为温度采集传感器来实现温度的采集与控制调节，其工作原理为Pt100的阻值随温度的变化而呈现有规律的变化（可认为线性变化）这一特性，当温度变化时，铂电阻的阻值发生变化，铂电阻的每一个阻值都与温度一一对应，然后经过电阻电压转换、A/D模数转换以及数码管显示，A/D转换器用ICL7107（双电源±5V供电,适合驱动发光二极管显示），数码管采用共阳极数码管显示，将当前阻值所对应的温度显示出来，从而实现对温度的测量。

此外，本实验还要求当温度超过某一设定值时，控制仪能够发出报警并且触发散热装置工作进行降温。

报警用发光二极管和蜂鸣器，降温设备为小风扇。

当温度超出设定为度时，发光二极管亮并且蜂鸣器响，小风扇开始工作，使之降温。

关键字：

温度测量，Pt100热敏铂电阻，数码管显示，报警降温

第一部分课题的任务与要求

一、设计选题:

温度测量数显控制仪的设计实现

二、设计任务要求:

设计一个可在一定温度范围进行温度测量与控制的温度测量数显控制仪。

该显示仪测量温度的范围为-50℃~200℃，能够对温度值进行数字显示（可现实温度测量值和设定温度值两种），其测量误差为±1℃。

当超过某一设定温度上限时（如30℃），能够声光报警，并启动风扇。

三、设计目的:

1．了解温度采集传感器Rt100的工作原理，掌握其工程设计实用方法。

2.掌握模数转换、电阻电压转换及数码显示电路的设计构建方法。

3.掌握电子电路系统设计的基本方法，培养提高综合利用多学科相关知识进行初步工程设计与实际装调系统电路的能力。

第二部分系统概述

一、设计任务:

本实验要求温度测量数显控制仪的测量温度的范围为-50℃~200℃，能够对温度值进行数字显示（可现实温度测量值和设定温度值两种），其测量误差为±1℃。

当超过某一设定温度上限时（如30℃），能够声光报警，并启动风扇降温。

实验中涉及到温度采集、电阻电压转换、A/D转换、数码显示等。

在设计实验方案时大体上按照上面的内容进行设计，根据设计任务及指标有以下两种方案可以实现实验要求。

二、设计方案:

方案一:

基于ICL7107的温度测量数显控制仪

本方案的设计电路由稳压电路、温度采集、电阻/电压转换器、控制电路和显示电路组成。

其中，温度采集传感器采用热敏电阻铂Pt100，A/D转换器用ICL7107（双电源±5V供电，适合驱动发光二极管显示），共阳数码管用ICL7107控制。

本方案用到了ICL7107，电路中的A/D转换电路与数码显示电路都由其控制与组成，因而在设计具体电路时，要针对ICL7107进行合理的设计。

而电阻/电压转换电路由运放电路组成，Pt100是电阻/电压转换电路的核心部分。

该方案的设计方框图表示如下：

图1.基于ICL7107的温度测量控制原理方框图

优点：

电路组成明确且设计合理，能够较为理想的实现实验设计要求。

缺点：

电路所用元器件较多，调试比较复杂。

方案二:

基于AT89S51型单片机的温度测量控制显示系统

利用铂电阻的感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，选用AT89S51型单片机作为主控制器件进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，通过4位共阳极LED数码管并口传送数据，实现温度显示。

此外在外加的报警电路方面控制也比较方便。

图2.AT89S51型单片机的温度测量控制原理方框图

三、方案比较:

经过比较分析，我认为方案一比较适合本次实验。

理由如下:

1、本次实验为综合性设计实验，实验的目的是考察学生的综合能力以及锻炼学生的思维动手能力，在这一点方案一比方案二要好。

2、方案一设计合理，电路构成明确且易于操作，不用编写调试程序；方案二虽然构成要比方案一简单，但涉及到编程及调试，对学生的软件知识要求较高。

综上所述，我认为采用方案一比较合理。

四．详细方案介绍:

铂金属温度传感器的电阻值会随着外界温度的变化而变化，并且近似为线性关系。

利用这种线性关系，可以组成温度测量电路。

从这个电路中将会得到跟随外界温度变化而变化的带有当前温度特征的电压信号。

温度测量电路模块输出的电压信号的伏值一般较小，不能直接用于后续电路模块的输入信号。

因此，要在温度测量电路模块后面加上电压放大电路。

将温度测量电路输出的带有当前温度特征的电压信号进行放大，使得其输出的电压伏值能够满足后续电路模块的输入要求。

放大电路模块输出的电压信号分为两路：

一路直接用于数字显示电路模块的输入信号，从而得到直观的温度数据。

另一路将输出的电压信号作为继电器驱动电路模块中的电压比较器的一个输入信号。

温度控制电路模块的输出电压信号也分为两路：

一路直接送到数字显示电路模块的输入端，这样即可显示出当前要设置的温度值。

另一路送入蜂鸣器驱动电路模块中的电压比较器的另一个输入端，与放大电路模块输出的电压信号进行比较,从而由这两路输入的电压信号决定电压比较器的输出电压信号。

电压比较器的输出电压信号由其两路输入电压信号所决定。

当两路输入信号的输入电压不相等时，则蜂鸣器驱动电路模块工作，从而控制外界温度的变化，并将变化结果输入到数字显示电路模块中；当两路输入信号的输入电压相等时，则蜂鸣器模块不工作，从而控制外界温度向相反方向变化，并将变化结果输入到数字显示电路模块中。

数字显示电路模块的输出显示内容，由其输入的电压信号所决定，并且其输出显示的段码数字与输入的电压信号呈一定的线性关系。

这样就可由其输入的电压信号的伏值大小来控制其显示的内容，从而得到当前温度下的数字输出显示，从而可以直观的得到当前的温度值。

当温度超过设定值时，进行声光报警，并通过三极管供压放大带动风扇进行降温处理。

第三部分单元电路设计与分析

一、单元电路介绍与分析：

1.温度采集电阻Pt100与电压转换电路

电路图如下：

图3.温度采集与电压转换电路

温度采集主要采用热敏类电阻铂Pt100，它广泛用于化工、冶金、热电等测温领域。

当温度发生变化时，铂电阻的阻值会发生变化，而铂电阻的阻值又与温度呈现一一对应的关系，具体对应关系见下表：

温度℃

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

阻值Ω

80.31

90.19

100

109.73

119.40

128.98

138.50

147.94

157.31

166.61

175.84

电阻/电压转换电路：

1、当t=-50℃时，运放的输出电压为Uo=（1+80.31/33）×0.3=1.03V

2、当t=200℃时，运放的输出电压为Uo=（1+175.84/33）×0.3=1.90V

3、在-50℃～200℃，输出电压在1.03～1.90V间。

在电阻/电压转换电路后，接有电压跟随器，提高带负载的能力。

图4.电压跟随器电路

电阻/电压转换电路将铂电阻的阻值转换为实时电压，并进行电压跟随，从而实现了对温度的采集和信号的转换。

2.控制/测量电路

本实验用到的主要是电压比较器，电路图如下：

图5.控制/测量电路图

电压比较器主要用于控制加热设备或制冷设备的通断，其控制原理如下：

（1）切换开关K置于1挡时，仪表显示测量温度值；

（2）置于2挡时显示设定温度。

（3）当测量温度值低于设定温度值时，8管脚输出高电平，发光二极管不工作。

当测量温度高于设定温度时。

8管脚输出低电平，发光二极管工作。

3.A/D转换器

A/D转换器采用美国Harris公司的ICL7107（双电源±5V供电），它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动发光二极管（LED）。

内部设有参考电压、七段译码器、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零、参考源和时钟系统等功能。

将高性能、低功耗和低成本很好的结合在一起，它有低于10µV的自动校零功能，零漂小于1µV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。

真正的差动输入和差动参考源广泛用于各种单片测量单元。

可用于组装成各种数字仪表或数控系统中的监控仪表，广泛用于电压、电流、温度、压力等各种物理的测量。

封装形式有DIP40、LQFP44或QFP44等。

图6.A/D转换电路原理图

C1为外接积分电容，R1为外接积分电阻，C2为自动调零电容，C4为基准电容，C5、R6为内部时钟振荡器的外接电容、电阻。

具体的元件参数已经在途中给出，在这里就不再赘述。

振荡频率f=0.45/R6C5

R6=100K、C5=100PF,则主振频率为45kHz,采样时间为每秒3次。

IN+为外加信号输入端；IN-为输入基准信号零点，VREF+为基准信号端子。

当基准信号调到0～2V时，外加信号的输入也在0～2V，LED对应显示0～1999，相当于1mV对应1个字。

当输入信号超过上限量程时，千位数码管显示1，而其余三位数码管全无显示；当输入信号超过下限量程时，千位数码管显示-1，而其余三位数码管全不显示.正电源通过R7限流电阻向共阳极数码管供电，改变R7可改变数码管的亮度。

A/D转换器可以说是整个设计电路的核心部分，而ICL7107则是A/D转换电路的核心部分。

了解ICL7107的使用方法及原理，对于整个电路设计直观重要。

因此在实验开始前，通过上网查阅有关资料，增加对ICL7107的了解，因此在实验过程中能够较为深入的理解具体电路的设计原理。

图7.ICL7107的引脚图及典型电路。

图8.ICL7107与数码管接线电路图

3.数码管显示电路：

图9.共阳数码管电路接线图

当温度测量完之后，要通过显示电路将测量值显示出来。

显示电路由ICL7107以及数码管构成（电路如图8所示）。

其中，数码管采用共阳极接法，即阳极接到电源正极，其余的各个管脚与ICL7107的管脚一一对应连接。

4.声光报警电路

图10.声光报警电路

声光报警电路主要由发光二极管、PNP三极管、蜂鸣器和小风扇组成。

其中小风扇和蜂鸣器并联接在三极管的集电极（c极），三极管可以放大电流，从而驱动小风扇和蜂鸣器工作。

其工作原理如下：

（1）当测量温度低于设定温度时，发光二极管截止不工作，三极管也处于截止状态，小风扇和蜂鸣器不工作；

（2）当测量温度高于设定温度时，二极管导通，三极管导通，b极的电流经过放大驱动蜂鸣器和小风扇工作。

5.数码管

本实验采用共阳数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

因为这里是共阳极，故上端COM端接正向输入电压，下端COM端悬空。

图11.数码管引脚图及接法

5.集成运放LM324

LM324是四运放集成电路（图12），它采用14脚双列直插塑料封装。

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13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。

图12.LM324管脚连接图图13.运算放大器

二、总电路图：

第四部分安装调试及测量数据分析

一、安装调试过程：

本实验室在万用板上自行完成元件布局、焊接，以及电路调试的。

在实验前，充分做好对实验的预习，了解所需要器件的结构和工作原理，在答疑老师给出大致电路后，我先对整体电路进行了设计。

因为用的是万用板，在完成电路设计之后，如何进行电路安装布局成为了首要的工作。

首先，我在LochMaster30万用版软件上根据需要选定板子的大小，然后针对整体电路对元件进行合理布局，同时观察背面焊锡、跳线的情况，尽量做到布局合理，美观简单。

元件在电路板上布局应该把整个电路按照功能划分成若干个单元电路，按照电信号的流向，依次安排各个功能单元在板上的位置，其布局应便于信号流通，并使信号流向尽可能地保持一致。

通常情况下，信号流向安排成从左到右（左输入、右输出）或从上到下（上输入、下输出）。

除此，还应遵守以下原则：

1.在保证电性能合理的原则下，元器件应相互平行或垂直排列，在整个板面上应分匀、疏密一致。

2.元器件不要布满整个板面，注意板边四周要留有一定余量。

余量的大小要根据印的面积和固定方式来确定，位于印制电路板边上的元器件，距离印制板的边缘至少应该2mm。

电子仪器内的印制板四周，一般每边都留有5～10mm空间。

3.元器件的布设不能上下交叉。

相邻的两个元器件之间要保持一定的间距。

间距不小，避免相互碰接。

如果相邻元器件的电位差较高，则应当保持安全距离，如图4所安全间隙一般不应小于0.5mm。

一般环境中的间隙安全电压是200V／mm。

4.通常情况下，不论单面板还是双面板，所有元器件应该布设在印制板的一面，并且每个元器件的引出脚要单独占用一个焊盘。

5.元器件的安装高度要尽量低，一般元件体和引线离开板面不要超过5mm，过高则承受振动和冲击的稳定性变差，容易倒伏或与相邻元器件碰接。

6.根据印制板在整机中的安装位置及状态，确定元件的轴线方向。

规则排列的元器件，应该使体积较大的元件的轴线方向在整机中处于竖立状态，可提高元器件在板上固定的稳定性。

7.元件两端焊盘的跨距应该稍大于元件体的轴向尺寸，如图6所示。

引线不要齐根弯折，弯脚时应该留出一定的距离（至少2mm），以免损坏元件。

8.相邻电感元件放置的位置应相互垂直，在高频电路中决不能平行（两耦合电感除外），以防电磁耦合，影响电路的正常工作。

做好以上准备，在发完所有元器件后，我便开始安装焊接元件。

在安装焊接元器件时，我首先将ICL7107和数码管连好，并测试数码管能否正常工作。

当数码管能够正常工作后，我又开始焊接其他元器件。

在焊制电路板的过程中，遇到跳线的问题，选择直接引线解决，这样做的优点就是简单方便，缺点是抗干扰性差，容易虚焊。

经过半天的焊件后，便开始对电路进行调试。

调试的主要步骤如下：

1、检查电路

我首先用万用表进行焊点检查，检查是否有虚焊及漏焊、错焊。

同时结合电路原理图检查是否存在错接、漏接现象。

经仔细检查，我发现了飞线以及焊接错误，立即进行了改正。

2、通电观察

实验室提供有±5V的稳压源，将电路的阳极导线、地线、阴极导线分别于电源的正极、地级、负极相连，观察电路是否有异常情况，如元器件发热、冒烟等，如出现异常，应立即关闭电源，检查并排除故障后继续进行操作。

经观察，未出现异常。

3、静态调试

先不加输入信号，测量电路有关点的电位是否正常。

4、动态调试

加上输入信号，观察电路输出信号是否符合要求。

5、指标测试

电路经静态和动态测试正常后，即可对设计要求的技术指标进行调试。

调试过程中应认真记录实验数据和现象，并针对不同情况制定相应的调试方法。

根据实现设计要求，控制仪的温度测量范围为-50℃~200℃，并且测温精度为±1℃。

由于铂电阻阻值为80.31Ω时，温度为-50℃；阻值为175.84Ω时，温度为200℃。

因为铂电阻价格比较贵，而且阻值不易调节，所以调试时先用阻值为210Ω的电位器来代替铂电阻。

为了方便调试，我和同学分别将电位器调节到80.31Ω和175.84Ω，这样能更快更方便的反复调节上下限。

（1）当电位器阻值为80.31Ω时，调节R3阻值，并调节与之相连的电位器，使数码管显示-50。

（2）当电位器为175.84Ω时，调节R5阻值，并调节与之相连的电位器，使数码管显示200。

上下限调好后，换用100Ω电阻，此时数码管理论显示值应为0，但是实际显示是1，测量电阻发现阻值为100.31Ω，则电路基本符合温度测量的要求了。

换用Pt100铂电阻，测得实际温度为29℃，并用万用表测得铂电阻阻值为110.95Ω。

根据Pt100铂电阻温度与阻值的关系，有y=2.6168x-261.57（x为阻值，y表示温度），经计算得此时理论温度为28.76℃，则测量温度比较准确。

最后将控制温度设定在35℃，对铂电阻加热，当测量值显示35时，声光报警启动，风扇转动，则至此已完成所有设计任务要求。

二、测量数据与误差分析：

1.数据记录：

显示温度/℃

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

测得阻值/Ω

80.54

89.78

99.68

109.4

119.8

129.9

138.8

148

157.5

166.9

176

理论阻值/Ω

80.31

90.19

100

109.7

119.4

129

138.5

147.9

157.3

166.6

175.8

输出电压/V

1.024

1.096

1.181

1.266

1.37

1.432

1.542

1.629

1.714

1.8

1.893

同时测得V-=1.194VVREF+=3.423V

根据电路计算得理论值V-=1.204VVREF+=3.48V

实际测量值与理论值误差不大，证明电路正确，调试无误。

实际测量铂电阻阻值与温度的的关系曲线如下：

2.误差分析：

（1）外界环境带来的干扰会产生影响

（2）测量过程中上下限变化会带来误差

（3）铂电阻阻值不断变化，实验电阻不精确，测量数据变动都会引入误差

（4）操作方法不当引入的误差

三、遇到的问题及解决：

1．连接电源后，不管怎样调节，一直进行声光报警。

首先检查报警部分电路无误，证明控制测量电路和声光报警电路连接部分有问题，最后发现输出点跳线存在虚焊，重新镀锡后电路正常。

2．轻轻敲击电路板，发光二级管会闪，同时蜂鸣器响。

电路检查无误后，可以确定是控制测量电路部分有元件连接不实，转移后发现是210Ω的电位器的原因，因为我是在电路板上焊的双孔插座（便于反复调节上下限），电位器直接插在插孔中可能接触不良，导致这种状况，在电位器管脚镀一层锡解决了此问题。

3．连接电源后数码管显示不正确，显示-丨，查看A/D转换电路，发现将电容C5短接了，重新焊好后显示正常值。

四、测量仪器名称：

VC890DVICTORY数字万用表

第五部分结束语

通过本次电子电路综合设计实验，完成了温度测量数显控制仪的设计实现。

在自己的努力以及同学和老师的帮助下，完成了设计任务，达到了预期的要求。

电子电路设计实验主要是为了让同学们能够有一次亲自动手设计电子装置的机会，在设计过程中逐渐提升动手及思维能力。

经过本次实验，我对综合电子电路的设计有了一定的理解，动手实践能力有了很大提高，并且综合运用模电和数电中学到的知识，理论与实际相结合，是我对电子电路学科有了更加深刻的体会与了解。

同时学会利用科普材料以及网络中相关知识，并且养成了记录相关出处、方便以后的查找的好习惯。

还认识到在设计和焊接电路时，应该先做好相关元件的查询准备，了解各种元器件的结构和工作原理，方便检查焊接、调试中出现的错误，还可以加深对整体电路的理解。

本次实验，我主要了解了ICL7107的工作原理与数码管之间的连接，同时知道了热敏电阻Pt100的工作特性。

对于实验过程中遇到的问题，要首先分析出现问题的原因，检查元件是否良好，元件连接、焊接是否有错误，是不是自己分析或操作错误，根据现象找原因，根据原因解决问题。

此外，在实在想不通的问题上，经过老师的耐心辅导和同学的帮助，及时解决了问题。

这样不仅提高了我分析解决问题的能力，还使我培养了细心与耐心的性格，遇到麻烦不能着急，应该认真检查故障，逐个解决问题。

最后，希望能将电子电路综合设计实验继续开设下去，最好是每学期一次，这样更有助于大学生综合能力的培养和提高，每个人都能养成独立思考的能力，在实验的过程中收获知识与喜悦。

参考文献：

《电子电路设计实验测试》罗杰，谢自美，电子工业出版社.

《实用电子电路设计与调试》沈梓城，胡敏敏等，中国电力出版社.