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课程设计 《温度测量和控制电路》.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.05M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    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 前言…………………………………………………… 目录
    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。 超限报警装置
    温 度 传 感 器 滤波放大电路 A/D 转 换 数字比较器 温度控制装置 输入控制温度 显示 显示 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。 温 度 传 感 器 滤波放大电路 电压比较器 温度控制装置 A/D 转换 显示 声光报警装置 输入控制温度 显示 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 R t=R to [1+α（t-t0）] 式中，R t 为 t℃时的电阻值；R to 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
    电路的输出 E out=R1· ΔR· VIN /(R1 +R0 +ΔR)(R1 +R0 ) 图 3 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，V in=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 A 2 的输入反馈到输入端 V in ，反馈量由 R 3、VR 3 、R 4 决定，而且是串联加到 V in 。这样 V out 大，对传感器所加的电 压 V B 也大，结果使得 V out 变小，实现了线性校正。
    3、声光报警电路： 图 4 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 图 5
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