電子技術(shù)溫度測量控制

1、課程設(shè)計名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目： 溫度測量與控制器 學(xué) 期：2015-2016學(xué)年第2學(xué)期專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：電氣14-5 姓 名： 史曉玉 學(xué) 號： 1405040514 指導(dǎo)教師： 謝國民 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課 程 設(shè) 計 成 績 評 定 表評定標(biāo)準(zhǔn)評定指標(biāo)評定標(biāo)準(zhǔn)該項成績畢業(yè)要求指標(biāo)點2.3正確使用文獻(xiàn)分析復(fù)雜電氣工程問題，并獲得有效結(jié)論參數(shù)計算及單元電路的正確性設(shè)計內(nèi)容的合理性結(jié)果評價畢業(yè)要求指標(biāo)3.3掌握電氣工程領(lǐng)域的基本創(chuàng)新方法，在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識設(shè)計方案的可行性設(shè)計的創(chuàng)新性創(chuàng)新意識畢業(yè)要求指標(biāo)：4.3能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)默F(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，解

2、決包括預(yù)測與模擬在內(nèi)的復(fù)雜電氣工程問題，并能夠理解其局限性。仿真或?qū)嶒烌炞C技術(shù)指標(biāo)或性能結(jié)果的正確性畢業(yè)要求指標(biāo)：6.3理解工程倫理的核心理念，了解電氣工程師的職業(yè)性質(zhì)和責(zé)任，在工程實踐中能自覺遵守職業(yè)道德和規(guī)范，具有法律意識設(shè)計態(tài)度與進(jìn)度設(shè)計報告圖表設(shè)計內(nèi)容與文字表達(dá)設(shè)計報告格式與完整性總得分標(biāo)準(zhǔn)說明：以上13個評定標(biāo)準(zhǔn)，每個評定標(biāo)準(zhǔn)5分，總分65分。得分40分以上視為總成績合格?？偝煽?nèi)掌谀?月 日課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目溫度測量與控制器 二、設(shè)計任務(wù)1. 能測量和控制特定場所（如玻璃工坊）溫度的控制器。2. 溫度控制范圍：0-90，控制精度為±1。3. 控制輸出通道雙向晶閘管

3、或繼電器；每組轉(zhuǎn)換節(jié)點可外接交流220V，10A電源工作。三、設(shè)計計劃電子技術(shù)課程設(shè)計共1周。第1天：選題，查資料；第2天：方案分析比較，確定設(shè)計方案；第34天：電路原理設(shè)計與電路仿真；第5天：編寫整理設(shè)計說明書。四、設(shè)計要求1. 要求有兩種或以上方案比較、設(shè)計。2. 對所設(shè)計的電路全部或部分進(jìn)行仿真，使之達(dá)到設(shè)計任務(wù)要求。3. 畫出整體電路圖，寫出設(shè)計說明書。指 導(dǎo) 教師：謝國民時 間： 年 月 日目錄1方案設(shè)計與分析11.1總體方案確定11.2方案選擇11.3電路設(shè)計框圖及功能描述22單元電路設(shè)計與參數(shù)計算32.1正、負(fù)12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計32.2測溫電橋32.3放大器電路42.4溫度

4、顯示電路52.5溫度比較電路52.6溫度控制電路62.7溫度執(zhí)行電路63總體電路圖74電路仿真調(diào)試74.1直流穩(wěn)壓電源74.2溫度檢測控制電路84.3總電路仿真95.課程設(shè)計體會10參考文獻(xiàn)11摘要控制系統(tǒng)一般由溫度檢測部分和溫度控制部分組成。溫度檢測部分主要用來接收當(dāng)前系統(tǒng)中的溫度，然后發(fā)送到控制部分；溫度控制系統(tǒng)主要是用來控制外部環(huán)境系統(tǒng)的，它接受來自溫度檢測部分的信號，然后與所要控制的溫度信號進(jìn)行比較，從而決定是否需要加熱。本設(shè)計同樣采用這兩大部分，通過對當(dāng)前與控制溫度的對比決定是否進(jìn)行加熱，從而達(dá)到控制溫度的目的。關(guān)鍵詞：溫度；檢測；控制；單限比較器遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計1方

5、案分析與對比方案一:采用集成芯片AD574A作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A/D 轉(zhuǎn)換器。AD574A可以把電壓信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，但是二進(jìn)制數(shù)并不能直接在數(shù)碼管上顯示，所以AD574A輸出的二進(jìn)制數(shù)到8421BCD碼的轉(zhuǎn)換成為該方案的核心問題，經(jīng)過查閱大量資料，最終決定采用281024 CMOS EEPROM實現(xiàn)二進(jìn)制到8421BCD碼的。方案二：溫度傳感器測量溫度，轉(zhuǎn)換成電壓信號后經(jīng)過放大電路將所測信號幅度與后續(xù)電路的工作范圍做一匹配，所得有用信號經(jīng)過A

6、/D轉(zhuǎn)換專職轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。此數(shù)字信號有三條路徑：一、進(jìn)入超限報警裝置與所設(shè)定的溫度范圍進(jìn)行比較，若超限則發(fā)出聲光報警；二、經(jīng)過碼制轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)碼管顯示當(dāng)前所測溫度；三、進(jìn)入數(shù)字比較器與輸入的控制溫度進(jìn)行比較，產(chǎn)生溫度控制機(jī)構(gòu)的工作信號，同時顯示輸入的控制溫度。此系統(tǒng)可以對被測體的溫度進(jìn)行實時跟蹤測量，并進(jìn)行有效控制，總體上實現(xiàn)了溫度的測量與控制。 綜上所述，一方案其電路連接簡單，轉(zhuǎn)換效率高，功耗低，出錯率低，工作穩(wěn)定性強(qiáng)。2. 方案一設(shè)計2.1方案一原理如圖1-2所示，溫度傳感和A/D轉(zhuǎn)換，譯碼顯示，溫控執(zhí)行和報警均與方案A相同，不同處在于控制溫度設(shè)定方式和溫度超限判斷方式。主要采用數(shù)字芯片

7、邏輯控制實現(xiàn)，其工作的穩(wěn)定性準(zhǔn)確性和功能擴(kuò)展性較強(qiáng)。圖2-1-1總體設(shè)計方案一框圖2.2溫度傳感模塊如圖2-1-1所示，溫度傳感把模塊把溫度大小轉(zhuǎn)化為電壓信號，傳入數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊。使用時將工作端放入被測量的環(huán)境中，注意連接導(dǎo)線選用阻值受溫度影響小的材料，且有良好的絕緣材料包裹。長時間使用后可對電路進(jìn)行校準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)溫度下，測量輸出電壓值，并通過調(diào)整滑動變阻器進(jìn)行校準(zhǔn)。其輸出電壓Uo(V)和溫度T()的關(guān)系式為Uo=0.02384*T。圖2-2-1溫度傳感模塊電路圖2.3數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊2.3.1 AD轉(zhuǎn)換如圖2-3-1所示電路，為提高精度，采用AD574A的12位轉(zhuǎn)換模式，

8、其與溫度傳感器部分的連接方法是：AGND端接，傳感器部分的模擬地端，Ui接傳感器的輸出電壓。REF IN端為參考電壓輸入（通過調(diào)節(jié)滑動變阻器010V可調(diào)，用于校準(zhǔn)。）當(dāng)輸出的二進(jìn)制碼為1111 1111 1111，換算為十進(jìn)制數(shù)是4095，經(jīng)過碼制轉(zhuǎn)換后，在數(shù)碼顯示管上即顯示數(shù)字409.5。代表409.5。由于傳感器部分的輸出電壓Ui滿足，Ui=kT（T代表溫度，單位：）即滿足k V/所以參考電壓UREF IN的取值需要滿足UREF IN=k*409.5，UREF IN的可以通過圖2-2-8中所示滑動變阻器R1調(diào)節(jié)。R/C端由555和少量阻容元件構(gòu)成的多諧振蕩器，R6=140k，R7=3k，C

9、5=10F555的3腳為輸出端，其高電平持續(xù)時間T1=0.7(R6+R7)C51s，低電平持續(xù)時間T2=0.7(R7C5)21ms。輸出低電平時，AD574A處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換時間需要約25s，T2>>25s，所以轉(zhuǎn)換器有充分的時間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，滿足要求。輸出高電平時，在該電路中AD574A處于12位數(shù)據(jù)并行讀取狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被傳送到EEPROM中。 圖2-3-12.3.2碼制的轉(zhuǎn)換12位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)8421BCD碼通過對電可擦寫只讀存儲器（EEPROM）281024進(jìn)行編碼，實現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)碼到BCD碼的變換。即把4096個溫度值的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位當(dāng)作源碼作為

10、存儲器EEPROM的地址碼，把需要轉(zhuǎn)換的8421BCD碼作為 “目的”碼寫入地址對應(yīng)的存儲器EEPROM內(nèi)部單元。使用時，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換器采集到不同電壓信號時，把轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制碼迭到EEPROM的地址位，那么與此地址相對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)就是所求的8421BCD碼格式，從而完成了4096個二進(jìn)制碼溫度值到8421BCD碼的轉(zhuǎn)換。該4096個溫度值的數(shù)字解碼器是四位數(shù)顯示，所以選用有16個位線的281024 EEPROM，實際中，也可根據(jù)制造的成本視情況選擇兩片8個位線的EEPROM（如：27C32）進(jìn)行位線擴(kuò)展，擴(kuò)展成16位。低12位A0A11接對應(yīng)的AD574A的二進(jìn)制輸出端，高4位A12A15均接地

11、。D0D3，D4D7，D8D11，D12D15分別輸出小數(shù)位、個位、十位、百位的8421BCD碼。接到譯碼顯示模塊74LS48即可把BCD碼轉(zhuǎn)換成七段ag顯示驅(qū)動信號，在LED數(shù)碼管上進(jìn)行十進(jìn)制顯示。2.3.3 譯碼顯示百位、十位、個位、小數(shù)位共4組16位8421BCD碼依次輸入4片74LS48即可把BCD碼轉(zhuǎn)換成七段ag顯示驅(qū)動信號，在LED數(shù)碼管上進(jìn)行十進(jìn)制顯示。接法如圖2-3-2所示，U4、U5、U7為7段數(shù)碼管，U6為8段數(shù)碼管，4個數(shù)碼管共陰極均接地。U6的h腳通過180電阻接+5V電源，顯示小數(shù)點。這樣，溫度值即可在數(shù)碼管上十進(jìn)制顯示。圖2-3-2譯碼顯示電路圖2.3.4 控制溫度

12、設(shè)定如圖3-2-4所示，溫度設(shè)置裝置由4片十進(jìn)制加法計數(shù)器74LS160構(gòu)成，且均處于計數(shù)狀態(tài)。4個CLK時鐘端均分別接一個按鈕式開關(guān)，其彈起時接+5V高電平，按下時接地處于低電平，當(dāng)進(jìn)行設(shè)置時，“啟動溫度設(shè)置”處于高電平（有專門開關(guān)控制，圖中未畫出，見總電路圖），通過按動開關(guān)即可手動使計數(shù)器計數(shù)，控制百位、十位、個位、小數(shù)位的數(shù)字。其數(shù)據(jù)輸出端共有兩個去向，去向1：接譯碼顯示電路即可實時顯示設(shè)定數(shù)值的變化，與門7408的作用是控制計數(shù)器的數(shù)據(jù)輸出，“啟動溫度設(shè)置”處于高電平時，計數(shù)器數(shù)據(jù)可以輸出到譯碼器；“啟動溫度設(shè)置”處于低電平時，阻斷了計數(shù)器數(shù)據(jù)向譯碼顯示電路輸出。去向2：接鎖存器。圖中

13、共有8片4位鎖存器74LS175，每4片為一組分別儲存溫度上限和溫度下限的8421BCD碼。記錄上限的4片鎖存器的CLK時鐘端和記錄下限的4片鎖存器的CLK時鐘端分別接在一起引向兩個按鈕式開關(guān)，一個是“鎖定溫度上限”按鈕，另一個是“鎖定溫度下限”按鈕。開關(guān)常態(tài)接地，按下時接+5V高電平，鎖存器鎖入數(shù)據(jù)。鎖存器的輸出端接數(shù)值比較器，比較實際溫度和設(shè)定值的大小關(guān)系。圖2-3-3控制溫度設(shè)定裝置電路圖2.3.5 溫度超限判斷如圖3-2-5所示，共有8片數(shù)值比較器74LS85，（1）（4）片級聯(lián)用于比較監(jiān)測溫度和設(shè)定的溫度上限的大小，（5）（8）片用于比較監(jiān)測溫度和設(shè)定的溫度下限的大小。其級聯(lián)方式和數(shù)

14、據(jù)輸入方式如圖所示：當(dāng)測量溫度低于設(shè)定的溫度下限時，（5）片的OALTB（A<B）端輸出高電平啟動報警電路和加熱電路，低溫報警指示燈發(fā)出藍(lán)光。當(dāng)測量溫度高于設(shè)定的溫度上限時，（4）片的OAGTB（A>B）端輸出高電平啟動報警電路和降溫電路，高溫報警指示燈發(fā)出紅光。兩個與門U10A和U17A的作用是控制后續(xù)的溫控執(zhí)行和報警電路的開啟或關(guān)閉。或門U9A的作用是將高溫超限報警信號和低溫超限報警信號進(jìn)行或運算。當(dāng)有其一超限時，就會啟動報警電路。圖2-3-4溫度超限判斷電路圖2.3.6 多路溫度循環(huán)檢測功能如圖3-2-6所示：由555和阻容元件構(gòu)成的多諧振蕩器，其產(chǎn)生的矩形波周期可可通過改變

15、滑動變阻器A調(diào)節(jié)（5s10s），其輸出接74LS160的CLK時鐘端，圖中74LS160處于計數(shù)狀態(tài)，其低三位QCQBQA依次產(chǎn)生000,001,010,011,100,101,110,111八個狀態(tài)，一路輸入模擬開關(guān)ADG508F的地址端A2A1A0，這樣，模擬開關(guān)將會依次導(dǎo)通S1S8，從D端輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其通道切換頻率由時鐘信號頻率決定。實現(xiàn)了8路溫度的循環(huán)監(jiān)測。另一路輸入譯碼顯示電路，顯示當(dāng)前所監(jiān)視的線路。圖2-3-5多路溫度檢測功能電路圖3.1 聲光報警如圖3-3所示，當(dāng)輸入信號為低電平時，報警電路不工作。當(dāng)有高電平信號輸入時，模擬開關(guān)閉合，多諧震蕩電路開始工作。發(fā)光二級管閃爍，并

16、發(fā)出蜂鳴報警。報警時蜂鳴的頻率和發(fā)光二極管閃爍的頻率均為2Hz,作用的占空比為58.3%。圖3-1聲光報警電路圖3.2溫度控制執(zhí)行如圖3-4所示，溫控執(zhí)行電路由當(dāng)輸入信號為低電平時，加熱或降溫電路不工作。當(dāng)有高電平信號輸入時，加熱電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出高電平，繼電器吸合，啟動加熱降溫設(shè)備進(jìn)行加熱和降溫操作。110分鐘后（可根據(jù)實際情況通過滑動變阻器R3，R4調(diào)整），若溫度仍低于或高于設(shè)定溫度，電路不能復(fù)位，3腳仍輸出高電平，加熱或降溫操作繼續(xù)進(jìn)行。若溫度回到設(shè)定范圍內(nèi)，電路即復(fù)位回到穩(wěn)定態(tài)，3腳輸出低電平，繼電器斷開，加熱或降溫操作停止。圖3-2加熱降溫執(zhí)行電路圖3.3 仿真方案一圖4-1模

17、擬開關(guān)電路圖4-2總電路圖4.方案二圖1-1方案二原理框圖5單元電路設(shè)計與參數(shù)計算5.1測溫電橋熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測量出溫度。目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即 （5-1）式中，為溫度t時的阻值；為溫度（通常）時對應(yīng)電阻值；為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為 （5-2）式中為溫度為t

18、時的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。相比較而言，熱敏電阻的溫度系數(shù)更大，常溫下的電阻值更高（通常在數(shù)千歐以上），但互換性較差，非線性嚴(yán)重，測溫范圍只有左右，大量用于家電和汽車用溫度檢測和控制。金屬熱電阻一般適用于范圍內(nèi)的溫度測量，其特點是測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、性能可靠，在程控制中的應(yīng)用極其廣泛。5.2放大器電路圖5-2放大器電路5.3溫度顯示電路因為通過測溫電橋，將熱敏電阻隨環(huán)境溫度的變化轉(zhuǎn)換為電位信號通過放大電路比例放大，在放大器輸出端口放置數(shù)字電壓表顯示環(huán)境溫度溫度顯示電路5.4溫度比較電路該電路應(yīng)用于玻璃工廠等室內(nèi)環(huán)境，環(huán)境溫度一般情況下不會低于0，故不進(jìn)行對環(huán)境溫度0時的電位進(jìn)

19、行比較，所以該電路將放大器的輸出電壓與與的電位，即比較電路的反相輸入端電位，就是上限溫度90進(jìn)行比較，當(dāng)溫度高于90時，比較電路輸出正相電壓作用于控制電路，進(jìn)行降溫處理，反之則輸出反相電壓，控制電路處于加熱狀 圖5-3溫度比較電路 圖5-4溫度執(zhí)行電路5.5溫度控制電路繼電器是一種電控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)輸入量（如電壓、電流、溫度等）達(dá)到規(guī)定值時，繼電器所控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開。繼電器具有動作快、

20、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)自動化、運動、遙控、測量和通信等裝置中該設(shè)計應(yīng)用繼電器作為控制電路的控制開關(guān)，選取9V常閉觸點直流繼電器作為控制開關(guān)，黨環(huán)境溫度大于90十比較電路輸出端輸出大于或等于9V的電壓，使繼電器工作，接通溫度處理電路，使制冷或降溫設(shè)備運行，降低環(huán)境溫度，達(dá)到對溫度的控制5.6溫度執(zhí)行電路該部分電路以220V的白熾燈作為加熱或制冷設(shè)備，當(dāng)環(huán)境溫度大于90時，燈亮起，表示制冷設(shè)備工作，進(jìn)行降溫處理，當(dāng)溫度在090時，燈保持熄滅狀態(tài)，表示加熱設(shè)備運行，進(jìn)行升溫處理。6.總體電路圖溫度檢測與控制器總電路圖圖6-1 總體電路原理圖6.1電路仿真調(diào)試6.1直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源的仿真結(jié)果為圖6-1圖6-1直流穩(wěn)壓電源仿真6.2溫度檢測控制電路下圖4-1（a）所示為當(dāng)溫度小于90時，放大器輸出為負(fù)圖6-2-1溫度檢測控制電路圖6-2-2溫度測量檢測電路6.3總電路仿真總體電路仿真如圖6-3圖6-3-1總體電路仿真圖6-3-2總體電路仿真7.課程設(shè)計體會通過此次課程設(shè)計，我深深的感到了動手設(shè)計的魅力，以往書本上的知識學(xué)過之后沒有實踐應(yīng)用的機(jī)會，導(dǎo)致了知識的流失，這次設(shè)計的閉環(huán)溫度控制器，雖然原理簡單，構(gòu)成的器件也很少，但是能