数字电子技术课程温度测量与控制设计.docx
《数字电子技术课程温度测量与控制设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术课程温度测量与控制设计.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
数字电子技术课程温度测量与控制设计
《数字电子技术》课程设计报告
题目温度测量与控制电路
学院（部）信息工程学院
专业
班级
学生姓名
学号
12月19日至12月30日共2周
指导教师（签字）
前言
“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性环节，进行自主选题和设计。
本设计课题为温度测量与控制电路，测温范围20～165。
C，控制温度连续可调，被测温度和控制温度均可数字显示，温度超过设定值时能产生声光报警。
该课题结合了模电和数电的理论知识，初看感觉很难没有思路，但通过各方面查阅资料和理论结合实际，定出了一套自己的设计方案。
本设计包含三个部分：
温度测量电路，显示电路，温度控制和声光报警电路，正文中详细介绍了各个模块的原理和工作过程。
另外，为完成本次设计，参阅了大量资料文献。
其中，搜集和查阅资料时一个漫长但最重要的过程，获取个模块电路原理，然后经过讨论比较，结合课题要求，确定出一套最适合的方案。
小组人员花费几天时间，通过图书馆和上网查阅资料，分别查阅到各个模块电路，比如，温度测量电路部分，仅温度传感器电路就分为热电偶温度传感器，热电阻温度传感器和集成温度传感器等，因此就需要通过分析比较得出最适合的电路。
此外，温度数字显示和控制报警电路部分，需要很多集成芯片，这就需要查芯片的功能表，正确连接个芯片使其达到设计需要的目的。
经过上述过程后，基本定出电路图，在MULTISIM12.0软件里进行部分电路仿真，来验证电路的正确性。
在进行电路仿真过程中碰到了很多问题，往往一开始电路仿真不出结果，这就需要找出问题所在，一般是先看电路原理图是否正确，是否画正确了，如果不是这块问题的话，就需要改变元件参数试一试。
在这个过程中，还会碰到元件库里找不到自己要用的元件的情况，这个时侯可以找替代元件，通过这种方法来验证实验原理和电路的正确性。
过程中，充分发挥主观能动性，将平时所学的理论知识和实际相结合，往往理论可行的东西，实际并不一定能出结果，这就需要解决问题，通过问老师或者查阅资料和分析问题来进行解决。
经过以上各步工作，基本完成本次设计。
本次课程设计大体分为三个工作模块，温度测量模块由任雄雄王帅共同主导设计，温度控制和声光报警电路部分主要由王帅来设计，测量温度和数字显示主要由任雄雄设计。
经过整合验证仿真得到整个温度测量和控制电路系统。
在设计过程中得到了多方面的支持和帮助，在此向老师表示由衷的感谢。
由于设计时间和水平的限制，如有不足之处，敬请指正！
目录
前言………………………………………………………………………….…………………2
题目摘要……………………………………………………………………….…………………5
第一章系统概述
1.1温度测量与控制设计思想及方案论证…………………………………………..…………6
1.2工作原理………………………………………………………………………….…………6
1.3模块划分………………………………………………………………….…………………6
第二章单元电路设计
2.1温度测量电路…………………………………………………………………………72.1.1温度测量的实现原理图………………………………………………………..72.1.2温度测量实现过程及参数计算………………………………………………………8
2.1.3调试重点及仿真结果………………………..………………………………………20
2.2温度的控制和报警……………………………………………………………………..21
2.3显示部分………………………………………………………………………………..26第三章系统综述
综述及总电路图………………………………………………………………………..38
第四章结束语…………………………………………………………………………………..39
参考文献…………....…………………...……………………………………………39
元件明细表………………...…………………………………………………………40
收获和体会…………………………………………………………………………..…42
评语………………………………………………………………………….………….44
温度测量与控制电路
摘要：
随着数字化时代的到来，用传统的水银或酒精温度计来测量温度,不仅测量时间长、读数不方便、而且功能单一,已经不能满足人们的要求。
于是提出，测温电路利用传感器监测外界温度的变化,通过差分放大电路将温度传感器的阻值变化转换的电压信号的变化放大,然后利用A/D转换实现模拟信号到数字信号的转换，根据模拟电路部分电路原理计算得出最后输出电压与温度值的关系,并通过数码管显示当前值，使其与温度数值上相等，从而实现温度的测量；输出信号接两个LM324单限比较器，与输入的控制温度进行模拟比较，经过或门与报警电路的输入端连接，来实现对温度的控制，可使整个系统工作于一个在误差允许的温度范围内；再者还加载了报警装置，当被测温度超出设定温度范围时，声光报警装置工作，使它的功能更加完善，使用方便起来。
本设计是采用了温度的测量、温度的显示、温度的控制和报警装置三部分来具体实现上述目的的。
关键字：
传感器，差分放大电路，A/D转换，LED显示电路，声光报警
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。
第1章系统概述
1.1温度测量与控制设计设计思想及方案论证
由于本设计是测温及控制电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行放大滤波，A/D转换后，就可以用通过显示电路将被测温度显示出来。
设计需要用到测温电路，放大电路，A/D转换电路，显示电路及控制电路。
本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，简单而可行，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示的优点。
温度传感器采用铂热电阻，放大电路采用差动放大电路，显示驱动器采用ADC16芯片。
1.2工作原理
图1.1原理框图
原理及工作过程：
实验原理如图1.1所示，温度测量电路由正温度系数电阻特性的铂热电阻R3为一臂组成测温电桥，经测量放大器和滤波电路后输出，将其值与控制温度相比较，超出设定温度范围则报警电路工作产生声光报警；对被测温度A/D数模转换和数码显示，从而读出温度。
1.3模块划分
由电路工作原理，本系统可划分为三个模块：
1温度测量电路
2温度控制和报警电路
3温度的显示
第二章单元电路设计
2.1温度测量电路
2.1.1温度的测量和实现原理图
图2.1测温电路
工作原理：
温度测量电路如图2.1所示，它由传感器电桥、差动放大电路和二阶低通滤波器组成。
采用阻值R3=100的铂金属热电阻为传感器，它有较高的测量精度，并且在较大的温度范围内有很好的线性。
通过测温电桥把电阻随温度的变化转换为电压的变化，再通过一个差动放大电路将小信号电压值放大,得到电压值。
首先调节滑动变阻器R13使温度等于0℃时输出电桥平衡，即输出为零；根据铂电阻的阻值随温度的变化关系，计算出电压放大倍数，设定差动放大电路的参数，使温度等于100℃时，输出电压为1V，满足输出电压和温度成线性关系，这样数值关系有U0=T/100。
由该电压值可以直接推知当前温度值，从而达到温度测量的目的。
2.1.2温度测量的实现过程及参数计算
（1）温度传感器及方案选择
1.从工业炉温环境气温到人体温度；从空间、海洋到家用电器各个技术领域都离不开测温和控温。
要测温、控温就要用到温度传感器，就要根据具体条件选择合适的传感器。
下表列出了温度传感器的测温范围，测温范围会随测量条件不同而有变化，表中标出的只是一般的范围。
温度传感器的测量范围
传感器类型
测温范围／℃
晶体温度传感器
-100~220
热敏电阻
-200~880
集成温度传感器
-55~150
铂热电阻
-180~600
铜热电阻
0~200
镍热电阻
-20~300
双金属片
0~300
水银温度计
-30~350
酒精温度计
-60~100
热电偶R（铂铑—铂热电偶）
200~1400
热电偶K（镍铬—镍铝热电偶）
0~1000
热电偶E（镍铬—康铜热电偶）
-200~700
热电偶J（铁—康铜热电偶）
0~600
光高温度计
800~2000
辐射温度计
0~2000
温度传感器选用一般考虑如下几方面：
●测量条件：
根据测量目的、测量范围、被测信号贷款、测量精度和每次测量所需时间等。
●传感器的性能：
传感器测量精度、稳定性、响应速度、模拟或数字输出以及输出电平等性能
●传感器的适使用条件：
工作场所、环境、测量时间
（3）综上所述，传感器选择pt100.
铂电阻温度传感器
铂电阻温度传感器是一种以铂（Pt）作成的电阻式温度传感器,铂金温度传感器具有高精确度及高安定性，在-180℃~600℃之间亦有很好的线性度。
一般而言，铂电阻温度传感器pt100感温电阻在低温-180℃~-100℃间其温度系数较大；在中温100℃~300℃间有相当良好的线性特性；而在高温300℃~600℃间其温度系数则变小。
特点：
极佳的线性，宽广的测温范围（-180～600℃），高精度，高可靠性。
实现方式：
桥式电路，如图2.2所示;
图2.2桥式电路测电阻
在0℃～600℃温度范围内，铂电阻与温度的关系为：
Rt=Ro（1+αoT+βoT2）
式中，Rt，Ro分别为T和0℃时铂电阻的阻值，αo，βo为常数，即αo=3.96847×10-2/℃,βo=-5.847×10-7/℃，βoT2项引入非线性误差，温度越高，非线性误差越大。
但是在0℃～200℃范围内，有良好的线性关系，铂电阻与温度的关系可表示为：
Rt=Ro（1+α1T），Ro为0℃时铂电阻的阻值，α1=0.003851/℃。
工作原理：
利用电桥将随温度变化的组织转化为电压，电桥输出的电压为：
Ux=Ucc（R2*Rp1—R1*R3）/（R2+R3）（R1+Rp1）
若取R1=R2=R0，调节电位器，使00C时的Ux=0V，此时R3的值为R30=Rp1。
当温度变化使铂电阻的阻值增大△R3时，电桥的输出：
Ux=—R0△R3·Ucc/（R0+R30+△R3）（R0+Rp1）
式中分母含有△R3项，故除测温电阻的非线性误差外，又增加了转换电路的非线性误差。
故选择参数时应注意要满足△R3《R0+R30这一条件。
参数选择：
在0℃时，R30=100Ω，Rp1取200Ω多圈电位器，由于铂电阻工作电流小于5mA，我们使工作电流约为1mA，此时R2=（Ucc/I）-R3，所以取R1=R2=8.7KΩ
∵R1》△R3,Rp1=R30,△R3=R30·ɑT
∴输出电压Ux≈—R0△R3·Ucc/（R0+R30）（R0+Rp1）
仿真结果：
A=50%，即Rp=100Ω时，输出电压为0V。
差分放大器
根据输出电压信号的特点，前置级应该满足下述要求：
（1）高输入阻抗。
输出信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。
一般情况下，信号源的内阻为100kΩ，则放大器的输入阻抗应大于1MΩ。
（2）高共模抑制比CMRR。
前置级须采用CMRR高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。
（3）低噪声、低漂移。
主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。
图2.6差动放大电路
图2.7为具有恒流源的差动放大电路其中，Ｑ1，Ｑ2称为差分对管，它与电阻Ｒb1，Ｒb2,Ｒc1,Ｒc2及点位器Ｒ1共同组成差动放大器的基本电路Ｑ3，Ｑ4与电阻Ｒe3,Ｒe4,Ｒ共同组成恒流源电路为差分对管的设计提供恒定电流。
均压电阻Ｒ1，Ｒ2给差动放大器提供对称差模输入信号。
晶体管Ｑ1与Ｑ2，Ｑ3与Ｑ4特性应相同，电路参数应完全对称Ｒ1可调整电路的对称性。
由于电路的这种对称性结构特点及恒流源的作用，无论是温度变换，还是电源的波动，对Ｑ1，Ｑ2两管的影响都是一样的，因此，差动放大器能有效的抑制零点漂移。
综上所述，本设计采用三运放组成的差分放大器。
工作原理：
在本模块中，采用由三片LM324N构成的高阻抗差动放大器
LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。
可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。
图2.7三片LM324N构成的高阻抗差动放大器
参数选择：
在0℃时，测温电桥的输出电压为0V
在100℃时R3（100℃）=138.51Ω由桥式电阻的分压关系，知输出电压
U=UccR1/（R1+Rp）-UccR2/（R2+R3）=0.038V
当温度为100℃，放大电路的输出电压为1V，则电压增益=1/0.038=26.3158
已知LM324高阻抗差动放大器电路的电压增益=C（1+a+b）
则选C=2,a=b=6.08，选R7=R5=10KΩ
仿真结果：
当温度为100℃时R3=138.51Ω
电桥输出的电压U1=38.034mV三运放组成的差分放大器输出电压
U2=1.006V≈1V
当温度为20℃时R3=107.79Ω
电桥输出的电压U1=7.722mV三运放组成的差分放大器输出电压
U2=209.159mV≈0.2V
当温度为165℃时R3=162.91Ω
电桥输出的电压U1=61.98mV三运放组成的差分放大器输出电压
U3=1.636V≈1.65V
由仿真结果可知，满足要求。
此电路的特点为：
有放大作用，带负载能力强。
2.2温度控制及报警电路
温度控制实现过程即电路原理图
声光报警
电压比较器
上限下限温度设定输入
多谐振荡器
单稳态触发器
加热降温电路
所测温度输入
由总电路可知，此模块大概课分为三个部分，第一部分为温度控制电路，第二部分为报警电路，第三部分为升温降温部分。
2.3显示部分
模数转换过程包括量化和编码。
量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。
编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。
最普通的码制是二进制，它有
个量级（n为位数）,可依次逐个编号。
模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。
直接法是直接将电压转换成数字量。
它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡（见图）。
控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。
先使二进位制数的最高位Dn-1=1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若Vin>VS,则保留这一位；若Vin然后使下一位Dn-2=1,与上一次的结果一起经数模转换后与Vin相比较,重复这一过程，直到使D0=1，再与Vin相比较,由Vin>VS还是Vin经过n次比较后，n位寄存器的状态即为转换后的数据。
这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。
它在计算机接口电路中用得最普遍。
本来设计中准备采用ICL7107这块芯片，在查资料的的时候发现这个芯片的功能非常强大，基本满足了本次实验设计显示部分的功能，只是可惜的是这块芯片在multisim芯片库中没有，最后经过考虑选择了ADC16。
由Vin输入模拟电压输入。
在
+和
引脚电压成立满量程电压。
满量程电压由下式给出：
SOC端为上升沿有效，需要一个1微秒的转换，输出D0到D15。
在转换成功的同时EOC输出低电平。
实验中所测放大电压是从24.817mV到2.0V,所以
=1.65V-0.2V=1.45V
第三章系统综述
该设计中分别有温度的测量、控制和报警部分和温度的显示部分。
设计内容的实现，是通过铂热电阻桥式传感器将温度转为电压信号，经过放大器放大后输出，输出信号接两个LM324单限比较器，与输入的控制温度进行模拟比较，经过或门与报警电路的输入端连接，便可实现对温度的测量、控制和报警,利用A/D转换实现模拟信号到数字信号的转换，根据模拟电路部分电路原理计算得出最后输出电压与温度值的关系,并通过数码管显示当前值，使其与温度数值上相等由此设计任务完成。
整体大图见下图。
第四章结束语
该温度控制器电路由电源电路、温度测量电路，控制报警电路和数码显示电路组成。
温度测量电路由铂热电阻RT、三运放差分放大电路组成。
控制报警电路由分压电路，电压比较器，发光二极管，扬声器，555构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成。
数码显示部分ADC16转换及数码管驱动和数码管组成。
IC的6脚为基准电压端，2脚为温度检测控制端，3脚为控制输出端。
R6代表的变阻箱用来设定温度的下限值，R3代表的变阻箱用来设定温度的上限值。
在受控场所的环境温度低于受控温度的下限值或高于上限值时，产生声光报警。
参考文献
序号·作者名·书刊名·出版社·出版时间（刊号）·
[1] 林涛主编、楚岩、田莉娟、林薇编著，数字电子技术基础，北京.清华大学出版社，2006年出版
[2] 林涛主编、黄知超，李娇军，王德佳副主编，模拟电子技术基础，重庆大学出版社，2003年出版
[3]毕满清主编．电子技术实验与课程设计.第3版.北京：
机械工业出版社，2005出版
[4] 林占江.电子测量技术.北京:
电子工业出版社,2003出版
[5] 曹辉,胡俊,黄均鼐.数字式温度测量电路的设计及其实现.微电子学报,2001出版
[6] 卢毅,赖杰.VHDL与数字电路设计.北京:
科学出版社,2001出版
[7]刘修文主编，新编电子控制电路300例，北京.机械工业出版社，2006出版
[8]翟玉文、梁伟、艾学忠、施云贵编著，电子设计与实践，北京.中国电力出版社，2005年出版
[9]任维政、苏福根、王丹志编著，电子电路实践，北京.科学出版社，2008年出版
[10]戴伏生主编，毛兴鹏、王好贤、柏军副主编，基础电子电路设计与实践，国防工业出版社，2002出版
[11]刘畅生等编著新型集成电路简明手册及典型应用西安电子科技大学出版社2005年版
[12]王连英主编基于Multisim12.0的电子仿真实验与设计北京邮电大学出版社2009年版
元器件明细表
编号
名称
型号参数
数量
备注
01
集成运算放大器
LM324
5
02
集成运算放大器
OP-07
1
03
555定时器
LM555CN
2
04
与非门
74LS00D
2
05
与门
74LS00D
1
06
A/D转换器及数码管驱动集成电路
ADC16
1
07
数码管
共阳极七段LED数码管
4
08
LED
2
09
扬声器
XLV
1
10
变阻箱
2
鸣谢
本次课程设计在设计过程中得到老师的悉心指导，并为我们指点迷津，帮助我们开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。
老师们一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，虽仅两个星期，却给以终生受益无穷之道。
感谢邓老师楚老师还有陈亮学长对我们的帮助，他们细心指导我的学习与设计，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。
这里还要感谢一直为我们指导Multisim的同学们，在他们的帮助下，我们才顺利的完成了画图及仿真工作，他们乐于助人的精神品质，深深的感动着我们。
我们还感谢信息工程学院的诸位老师为我们提供了良好的设计条件，让我们顺利完成此次课程设计。
最后，我们衷心的感谢长安大学对我们的教育和支持。
所用软件：
word、画图工具、Multisim12等
收获与体会
此次课程设计，我们设计的是温度测量与控制电路，这个课题不仅涉及到数电的相关知识，还涉及到模电的相关知识。
在刚开始设计的时候，我们都没有一个明确的方向，只是查阅大量资料，从各种各样的设计范例中找有关我们设计的知识点，我们完全处于被动，当把这些知识整理了之后才对这个设计有了粗略的思路。
直到老师给我们答疑了之后，提出了许多问题，鼓励我们去积极思考，这时才发现我们的设计思路有许多不成熟的地方，后来经过我们小组成员的共同努力，相互讨论、分析以及老师的帮助与指导，最终确立一套可行的方案，在确立方案的过程中，我们一次次的提出新的想法，又一次次的否定，设计的过程就是提出，否定，再提出，再否定的过程。
最终通过Mulisim仿真，总结课程设计论文，完成本次设计，从中我们获益良多。
具体如下:
1.本次实践让我深深的体会到理论与实践的差别，在设计温度测量模块时，开始时先用模电的知识设计的，并进行了参数选择，在理论上可行，但是，在仿真的时候，就出现了许多问题，是我们用原理设计时没有注意到的，许多参数需要选择，哪怕一个电源没有选对，仿真结果就会和理论大相径庭。
2.团队合作真的非常重要，在课程设计答辩的前几天，我们天天从早到晚都在图书馆，很多时候都顾不上吃饭，大家的思维有时候就很缓慢，如果只凭一个人，在有些设计的难点是想不通的，大家在一起互相讨论，积极的思考，这样才解决了一个个的难题。
3.要完成这次的设计，只有课本知识是完全不够的，我们需要查阅大量的资料，还要在短时间内，学会掌握和运用相关的知识，这对我们的学习模式是一个极大的挑战，以前的学习是被动的，现在是积极、主动的，充分调起了我们的主观能动性。
4这次的课程设计刚开始的时候，我们不知道怎么书写这个课程设计的报告，
不知道怎么去论述我们设计的整个过程，后来通过查阅资料，一点点的学习，
才逐步的完成了这份报告，本以为一万字的报告写起来很多，当真正开始做
的时候才发现，一万字是不够的，我很想把所有的方案选择都写进去，也很
想把我们特别花心思设计的的部分全部写出来，但是由于字数的限制，我们
只能尽量的精简，尽量的用较少的字数去把问题描述清楚，不仅如此，在书
写的过程中，还要特别注意描述的语言，我们要让整个报告看起来更加专业。
这让我们迈出了写科技论文的第一步，对我们以后的课程设计有很大的帮
助。
总而言之，通过这次课程设计，让我学会了很多知识，也了解到很多困难都是可以解决的，达到目的的方案有很多种，当一种行不通时，只要花心思再找其它的方案，最后一定有一个方案是可行的，在这个过程中也许会很迷惘，但是不断地找寻方案，不段的寻找新的知识和复习已经学过的知识，这个过程对我的帮助最大，既加深了学过的知识，又学到了新的知识。
评语
评阅人：
日期：
升级会员 