温度测量与控制电路.doc
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《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32060801
学生姓名孙文涛
学号3206080108
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
目录
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2-2-1 555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2-2-8 AD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
（三）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
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