温度测量与控制电路课程设计.doc

【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，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、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。陈涛的部分ad转换部分使用集成芯片ad574a；二进制到8421bcd码的转换用eeprom 281024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。声光报警部分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200c1650c，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 总体方案a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 总体方案b二、单元电路设计（一）温度传感模块（一） 关于温度传感方法的选择 常用的具有传感功能的电路，有利用铂电阻，利用二极管，利用三级管，利用铂电阻，或直接利用现有的具有温度传感功能的芯片。 1利用铂电阻测温度原理： 铂电阻的组织随温度的变化而变化，通过电阻两端电压的变化来反映温度的变化。 把电阻两端电压变化的信号经过处理后，就可以和预设电压进行比较，并显示。其电路如图1-1所示 图1-1 铂电阻测温电路的传感部分（其中r1为铂电阻）排除理由：热电阻在一定的范围内，有良好的线性关系，但是这个范围很窄，达不到课题要求的范围。而如果进行电阻线性化，则电路更加复杂，而且由于测温需要相对精确，为避免过多电路造成噪声等不利影响，将这个方案排除。 2 利用二极管测温度 原理：和铂电阻相似，但是利用的是二极管电压随温度变化而变化。使用中可以利用桥路将其连接（如图1-2所示），并用放大器放大后输出。这样的测温电路简易且实用。 排除理由：灵敏度不高，变化范围太窄，线性化不是很好。 3 利用三极管测温度 原理：利用了硅晶体管的基极和发射极之间的负温度系数，如图1-3所示。 图1-3三级管测温度电路图 排除理由：灵敏度不高，可以用作判断报警，但不宜用于测量温度。 4现有的温度传感芯片 原理：现有的芯片如lm335，ad590，ltc1052等。 排除理由：其工作电压范围最大为125，超过后虽然也有一定的线性关系，但若用于精度较高的测量温度电路就不太可行了。 5热电偶测温法 原理：如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫做测量端，接线端子叫做参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，即塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温度有关。与热电偶导体的长度和直径无关。 热电偶测温电路是以热点偶为基础进行测温。 采用理由：热偶在很大范围内线性非常明显，且测温范围广，响应速度快，抗干扰性强，所以最终选择了用热电偶组成传感电路。（二）传感电路的整体思路说明 图2 传感电路（改进前）设计思路框架图如下： 思路说明：k型热电偶作为主要的测温元件，其温度与电压的关系已知且稳定，线性化很好。由于点偶的特殊性，要对其进行冷接点补偿（详细内容在第四部分说明）。由于补偿选择的方案会产生很小的一部分噪声，所以要滤波（详细内容在第五部分）。由放大，加入另一电压信号，比例减法这三个部分构成了运算电路，这个电路不是单纯的放大，而是根据k型热敏的温度与电压的关系所设计的电路，这样就是把温度一比一地用电压表示出来（详细内容在第三部分）。最后没有输出1 mv/的信号而是输出一个23.84mv/的信号，是为了接下来的电路控制和显示电路的需要。（三）电路运算的说明 注意：这里的运算电路与热电偶本身温度与电压的关系函数互为反函数思路说明：对于热点偶，其电压与温度满足u=0.226t-0.707其中电压对应为第一级放大 的输入电压，也就是进行过温度补偿之后的电压，单位为毫伏，t为热力学温度。由于课题要求得到摄氏温度，所以进行换算得u=0.226(t+273.5)-0.707.从温度经过热电偶转化成电压，就是利用了这个公式。然后求这个函数的反函数，得到t=(100u-6100.4)/22.6.这个函数就是运算电路所实现的函数。这样一来，测得的温度值比如是x,经过热偶的电压与温度的关系式后，得到一个电压，设为y,满足y=f(x).再经过后面的运算电路，又出现新的电压，此时运算后的电压（设为z）与运算前的电压满足关系式z=g(y),f与g分别对应u=0.226(t+273.5)-0.707和t=(100u-6100.4)/22.6，他们互为反函数，故x=z.这样就实现了把温度的单位变成毫伏的转化，且每毫伏对应一度。如果把输出的电压直接接在毫伏表上，上面显示的读数，就是温度，不用再做任何的换算。但是由于后面电路对显示和判断的需要，进行了一次放大，放大到每摄氏度对应24.32mv（这个数值是负责显示数据的同学提供的）。 根据得到的公式t=(100u-6100.4)/22.6，可以看出，需要进行放大，减法，除法的运算。由此公式算出的数据单位为，1mv/,为了使最后输出为23.84mv/，则还需一次放大。这样，运算电路的构成如下：首先用一个同相比例电路，实现100倍的放大，再由滑动变阻器提供6100.4mv的电压，最后减法运算，除法运算和乘法运算，用一个比例减法运算器一次完成。同相比例运算满足：a=1+r4/r3,这里取r4=99千欧姆，r3=1千欧姆。提供电压用的是200欧姆大小的滑动变阻器接在9v的电压上。然后两者进行比例减法运算。对于比例减法运算电路，当r1=r2，r5=r6时，放大倍数为r6/r1（u2-u1），u1为变阻器上取得的电压，u2为一级放大传来的电压。由公式可知，当比例减法的比值为1:22.6时，得到1mv/的输出，而为了得到23.84mv/的输出，则把比值调整为23.84:22.6.最终选择r1=r2=226欧，r5=r6=238.4欧。 总之，整个运算电路，把温度通过一个函数（热点偶的电压与温度关系函数）转变为电压信号，再通过这个函数的反函数（运算电路）把电压变成温度对应的变压，可以说是通过整个电路，给温度换了单位，把摄氏度换为毫伏，且1毫伏对应1摄氏度。最后为了显示和控制的需要，进行了一次放大。（四）冷接点温度补偿方法的选择 1冷接点补偿的原因：热电偶是两种不同材料组成在一起形成的。如果热电偶的两端 放在不同的温度区域中，会产生一定的电势。热偶输出的是两 个端口温度差的函数。通常温度到的一端成为热端（或工作端），温度低的那端称为冷端（或自由端），则输出电压为u=f(t2-t1) 若冷端为0，则输出电压为测试温度（热端）的单值函数。但实际中，冷端的温度不为零，则要进行补偿，是其在相应的温度下的电压为零度时的电压。如果精度要求不高时，可以近似忽略，但是精度要求高时，必须进行冷接点补偿。 2冷接点补偿的总体思路：查资料得知，k点偶所需的补偿电压为41.269v/,可使其两端电压变为0时两端的电压大小，从而达到补偿的效果3冷接点补偿的具体方法的选择：常见的补偿方法有：冷端恒温法，补偿导线法，数字补偿，查表法，不平衡电桥法，计算法，传感器温度补偿法。 （1）冷端恒温法原理：把冷端泡在冰水混合物中，使其温度稳定在0.排除理由；制作麻烦，时间长了还要对冰水混合物进行维护，如更换。而且一般的恒温容器，大小都有限制，这样热偶的大小也有了限制。这种方法只适合在实验室里采用，不用于实际当中。（2）补偿导线法 原理：将热电偶的参考端经过补偿导线与仪表的输入端相连接，其补偿导线的热电特性与热电偶本身相似。 排除理由：精度不高，而且自己对这个方法没有完全理解，所以排除此方法。（3）数字补偿法 原理：如图4-3-3所示，集成温度传感器与热电偶的冷端置于同一温度中，集成温度传感器将冷端转换为电信号，通过放大调整成0至5v的电压，然后经a/d转换送入单片机。同时把点偶的输出电压经过放大和a/d转换后也送入单片机。将两个信号相加，实现温度补偿。 图4-3-3 数字补偿法原理图排除理由：用到了传感器和单片机，虽然精度很高，结构过于复杂，成本也相应增加，适用于精度要求很高的测温，而在一般条件下使用则没有必要，所以将这个方案排除。 （4）查表法 原理：将热电偶的热电势与温度之间的函数关系用表格形式存入计算机，把热点偶的热电势与温度传感器测得的冷端环境温度对应的电势叠加后查表，并转化为相应得温度值。可以借助计算机完成，或是人工完成，取决于精度的要求和实效性的要求。 图 4-3-4 查表法程序流程图 排除理由：若以上程序由计算机控制，则成本过大，如果不是特殊用途，则不必要；若是由人工完成，则实效性很差，只能用于单纯的测温，不可能实现实时监控或者报警。所以将这个方案舍弃（5）利用不平衡电桥 原理：串联一个不平衡电桥，当参考端随温度上升或下降时，不平衡电桥对应进行补偿。具体电路如图4-3-5所示。其中r1，r2，r3为同种材料，具有相同的温度系数，而r4的温度系数比他们的都大。当温度为零度时，r1r2=r3r4.变化时，由于r4变化大，导致电桥两端的电压变化，从而进行温度补偿。 图4-3-5利用不平衡电桥温度补偿原理图 排除理由：虽然电路简单，但是在参数的确定上十分复杂，而且不会像传感器那样灵敏。最主要的是根据资料，电桥补偿适用的温度范围很小，所以将这个方法排除。（6）计算法 原理：将在冷接端产生的温度带入相应函数式中计算所需补偿的电压，并与测得的输出电压叠加。然后再进行修正，计算。 排除理由：缺点查表补偿法相似，都是因为运算复杂，如果计算机实施，投入过大，如果人实施，时效性差。所以将这种方法排除。（7）传感器温度补偿 原理：温度传感器会根据温度的变化，其自身两端的电压或电流也相应发生变化，可由此对热电偶冷接点进行补偿，有电压电流两种传感器，因而也有两种补偿方法。 电压型模拟集成电路冷端补偿法： 图4-3-7-1电压型模拟集成电路冷端补偿法 说明：lm335的温度系数为+10mv/k,输出电压经r2和r3分压后，得到补偿电压，通过选择r2和r3的大小，使电压和温度的关系变为达到温度补偿作用（如图4-3-7-1） 电流型模拟集成电路冷端补偿法： 说明：ad590是电流型模拟温度传感器，产生的电流在电阻上产生电压，通过滑动变阻器的调整，使补偿电压达到41.269v/ 图4-3-7-2电流型模拟集成电路冷端补偿法 说明：1在整体测温方案论证里面，曾经排除了用传感器直接测温的方法，主要是因为其温度变化范围不够，一般到125,事实上，通过对其温度和电压或电流的观察可以看出，超过125之后，还是有一定的线性程度。但是如果用于测量温度的话，会对测量产生明显的影响，所以没有选择传感器直接测温度这种方法。但对于热电偶来说，由于每升高一度，电压变化相对比较大，所以作为温度补偿的模拟传感器线性化不是特别强时，造成的影响其实是可以忽略的。相对于其它方法，热电偶和温度传感器一起使用的优势就在于，有很大的温度变化范围，而且线性化强，所以最终选择了这一方法。 2在确定使用集成温度传感器进行冷接点温度补偿后，又发现了更适合的芯片lt1025.由于要求精度高，通过电阻分压后要达到很精确的数字。这也要求电阻不随温度变化，但是电阻随温度都有一定程度的变化，这样会产生误差，所以要尽可能地减少使用电阻。lt1025的1，6,7,8端口能分别直接提供60.9v/,6v/,40.6v/,51.7v/.相差0.669v/，非常小的相差，完全可以忽略，这样电路就变得简单，而且排除了温度对电阻不利影响。 3由于决定最后输出的因素非常多，所以要进行校准，即利用已有的数据进行调整，通过对实验中的滑动变阻器的调整，达到校准的目的，如果还有很大偏差，则对电阻进行更换。 4整个补偿电路中的导线，尽量不要使用随温度变化太大的材料，不然会对冷接点补偿造成影响，而且也要控制导线的长度，并用绝热性强的材料来包裹导线，尽量减少金属自身的热电动势的产生。 5 利用温度传感器时，会产生一定的噪声干扰，所以要进行滤波（详细部分在第五部分说明）。（五）滤波方法的讨论 1滤波的原因：从传感器的资料说明上发现lt1025会产生0.1-10hz的噪声，所以要设置滤波环节。 2滤波方法的选择：滤波方法有很多，这里滤波的最终效果是要尽可能把交流信号去掉，所以没必要用带阻滤波电路，只要让滤过的最大值小于0.1hz即可。下面是几种滤波电路的比较。 一阶有源滤波电路： 图5-2-1 一阶有源滤波电路 说明：rc低通电路与负载之间插入一级同相比例放大电路，为一阶rc低通滤波器，由于同相比例放大器的输入电阻大，输出电阻小，隔离了负载对滤波器的影响，而且还能起放大作用。 二阶有源滤波电路：图5-2-2二阶有源滤波电路 说明：它是由两节rc滤波电路和同相比例放大电路组成，具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。后来考虑了一种简单的方法，就是直接在输出电压时并联一个接地，这样就可以把大部分的交流信号滤过。选4.7f是通过和类似电路的比较，而且这个数值的电容电解电容就可以做到，体积大小也合适。而且对于一阶二阶有源滤波电路的参数设定，非常复杂，所以没必要在这里采用精度很大的这种滤波电路，因为毕竟产生的噪声不是很大。 还有一种方法。由于0.1hz非常小，滤去不是很容易，所以考虑把这里的直流信号，通过一个开关信号，变成交流信号。在一个三极管，基极加入方波信号，然后在发射极输入信号，在集电极输出信号，通过改变方波信号的频率，等于将直流信号变成交流信号。这样只要把得到的交流信号的频率以下的频率滤去即可。（六）电路的改进 发现了一种不用接直流电压就可以工作的放大器，这样使电路更加简单，改进后的如图6-1 图6-1温度传感总电路图（改进后）（七）仿真模拟 模拟图见下一页说明：1由于热敏电阻和冷接点补偿无法模拟，这里只是运算电路的模拟，当输入电压为100mv时，根据函数t=(100u-6100.4)/22.6，乘以23.84后运算得4.114v，与显示值相比较。由于模拟时滑动变阻器只能5%变化，而对于这个函数，变阻器分压取得的电压值对结果影响很大，此时取得的本应为6100.4的值应该为9000*65%=5858. 所以最后得到的值应为t=(100u-5858)/22.6再乘以23.84，最后得到数值再比较。 2如果u的值从0开始，则出现负值，所以选择测试电压时要注意使它的值，使输出结果为正。（二）数字显示与温度范围控制模块 数字显示模块与温度范围控制模块将温度传感器部分传来的模拟信号转变为数字信号，并在数码管上进行显示。设置控制温度时，将“温度监测控制温度设置”开关拨至“控制温度设置档”，再通过“百位设定”“十位设定”“个位设定”“ 小数位设定”四个按钮设定控制温度范围（数码管上会有数字显示），并通过“锁定温度上限”“锁定温度下限”来锁定温度限值 。“关闭开启报警与温控执行系统”开关控制报警系统和温控执行系统的关闭和开启，打开仪器前，应先将其拨至“关闭”档，设置 温度完毕后，再拨至“开启”。通过“循环监测单路监测”开关，可选择两种监测模式，数码显示管u98会实时显示当前所监测的温度线路序号。通过“监测线路切换频率调整”旋钮可调节，温度线路的切换频率(510s)，如需延长，可将电阻r2的换为阻值更大的电阻。（具体电路图见附件1）（三）声光报警 如图3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3 声光报警电路图（四）温度控制执行 如图4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。110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4温度控制执行电路 三、总体电路图限于篇幅和纸张大小，见最后一页四、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：一是对整体测温方案的选择，阅读大量资料后进行比较，最后选择了线性化很强，而且测温范围广，灵敏度高的热电偶。二是运算方法，最终选择了利用电偶的电压与温度的关系函数的反函数构成运算电路，这样等于是温度通过一次函数运算（热电偶的测温）得到电压，电压再经一次函数运算（运算电路）得到新的电压值，第一次与第二次的运算函数互为反函数。这样最终得到的电压值和温度是1:1的关系，可以说是把温度的单位由摄氏度“换成”了毫伏。三是冷接点补偿，选用了lt1025,能直接输出所需的温度补偿电压。四是滤波方法的讨论，最后选择了简单的将交流信号通过一个电容接地的方法以上即是对本次设计中的主要问题的讨论与解决方案，敬请老师给予指正，以求得更好的解决方法。五、参考文献1.传感器原理与应用 程德福 王君 凌振宝 王言章 编著 机械工业出版社 2008年1月第一版2.数字电路设计手册 荀殿栋 徐志军 编著 电子工业出版社 2003年7月第一版3.multisim8仿真与应用实例开发 从宏寿 程卫群 李绍鉊 编著清华大学出版社 2007年7月第一版4.电子线路 设计与实践 姚福安 主编华中电子科技大学出版社 2001年第一版5.基础电子电路设计与实践 戴伏生 主编国防工业出版社 2004年4月第一版6.模拟电子技术基础 陈大钦 主编机械工业出版社 2006年4月第一版7.数字电子技术 james bignell robert donovan 编著科学出版社 2005年2月第一版8. 新编电子控制电路300例 刘修文 等编机械工业出版社9. 数字单元电路 转换电路 分册 梁廷贵主编科学技术文献出版社10传感器技术（journal of transducer technology） 信息产业部第49研究所 2005年 第24卷 第11期 11数字电子技术基础 清华大学出版社12模拟电子技术基础 重庆大学出版社 六、元器件明细序号元器件型号名称标称值或功能数量1ad574aad转换器12281024cmos eeprom(65535x16)137408j与门947432n或门55lm555cm555时基芯片4674ls160d计数器57adg508f模拟开关1874ls48d7段显示译码器59seven_seg_com_k七段数码管5107404n反相器311pb_dpst按钮式开关51274ls175d4位锁存器813spdt单刀双掷开关314r、c常见阻容元件若干15probe指示灯416emr011a035v继电器217直流电源5v、15v各一个18k型热电偶热电偶119lt1025温度传感器120opamp_3t_virtual放大器221adg202模拟开关122bzzer蜂鸣器11. ad574a 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，其主要功能特性如下： 分辨率：12 位 非线性误差：小于1/2lbs 或1lbs 转换速率：25us 模拟电压输入范围：010v 和020v，05v 和010v 两档四种 电源电压：15v 和 5v 数据输出格式：12 位/8 位 芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式 图6-1ad574a引脚图ad574a 的引脚说明： 1. pin1(v logic)逻辑电源+5v电源输入端。 2. pin2(128 )数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。 3. pin3(cs )片选端，低有效。 4. pin4(a0)字节地址短周期控制端。与12/8端用来控制启动转换的方式和 数据输出格式。 5. pin5( r/c)读转换数据控制端。 6. pin6(ce)使能端，高有效。 7. pin7(v+)正电源输入端，输入+15v电源。 8. pin8(ref out)10v 基准电源电压输出端。 9. pin9(agnd)模拟地端。 10. pin10(ref in)基准电源电压输入端。 11. pin11(v-)负电源输入端，输入-15v 电源。 12. pin12(bip off)单极性输入时bip off接模拟公共地，双极性时bip off接对应的-5v、-10v13. pin13(10v in)单极性010 v模拟量输入；双极性0 5 v模拟量输入。14. pin14(20v in)单极性020 v模拟量输入；双极性0 10 v模拟量输入. 。15. pin15(dgnd)数字地端。 16. pin16pin27(db0db11)12 条数据总线。通过这 12 条数据总线向外输出a/d 转换数据。 17. pin28(sts)工作状态指示信号端，当 sts=1 时，表示转换器正处于转换状态，当 sts=0 时，声明a/d 转换结束，通过此信号可以判别a/d转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。 ad574真值表2.281024 1m coms eeprom（65536x16）a0a15：地址输入端d0d15：数据输出端 图6-2281024管脚图281024真值表工作模式/ce/oe/we读取数据001写入数据010禁止1xx3.74ls160d图6-374ls160d管脚图74ls160d真值表清零预置使能时钟预置数据输入输出工作模式rdldep etcpp3p2p1p0q3q2q1q00xx xxx x x x0 0 0 0异步清零10x xp3p2p1p0p3p2p1p0同步置数110 xxx x x x保持数据保持11x 0xx x x x保持数据保持111 1x x x x十进制计数加法计数4. adg508f图6-4adg508f管脚图adfg508f真值表5.74ls48图6-574ls48管脚图74ls48真值表6.74ls175图6-674ls175d管脚图74ls175d功能表7.74ls85n图6-774ls85n管脚图74ls85真值表8k型热电偶 k型热点偶的电压与温度关系为：u=0.226t-0.707 k型热电偶所需的温度补偿电压为：41.269v/k 图6-8 热电偶的特性曲线9.lt1025 图6-9-1 lt1025参数图