数字电子技术课程温度测量与控制设计.doc

数字电子技术课程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20165。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7 2.1.1 温度测量的实现原理图.7 2.1.2 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.202.2 温度的控制和报警. 212.3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。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 工作原理数码显示A/D转换放大器温度测量及计数电路 比较器超温报警控制温度图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： 温度测量电路 温度控制和报警电路 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差分放大器温度传感器 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-100220热敏电阻-200880集成温度传感器-55150铂热电阻-180600铜热电阻0200镍热电阻-20300双金属片0300水银温度计-30350酒精温度计-60100热电偶R(铂铑铂热电偶)2001400热电偶K（镍铬镍铝热电偶）01000热电偶E（镍铬康铜热电偶）-200700热电偶J（铁康铜热电偶）0600光高温度计8002000辐射温度计02000温度传感器选用一般考虑如下几方面：l 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。l 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l 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-180600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100300间有相当良好的线性特性；而在高温300600间其温度系数则变小。特点：极佳的线性，宽广的测温范围（-180600），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+oT+oT2）式中，Rt，Ro分别为T和0时铂电阻的阻值，o，o为常数，即o=3.9684710-2/, o=-5.84710-7/，oT2项引入非线性误差，温度越高，非线性误差越大。但是在0200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+1T），Ro为0时铂电阻的阻值，1=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*Rp1R1*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=R0R3Ucc /（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R3R0+R30这一条件。参数选择：在0时，R30 =100，Rp1取200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=8.7 KR1R3, Rp1=R30, R3=R30T输出电压UxR0R3U cc/（R0+R30）（R0+Rp1）仿真结果：A=50%，即Rp=100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100k，则放大器的输入阻抗应大于1M。（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，1，2称为差分对管，它与电阻b1，b2,c1,c2及点位器1共同组成差动放大器的基本电路3，4与电阻e3,e4,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1，2给差动放大器提供对称差模输入信号。晶体管1与2，3与4特性应相同，电路参数应完全对称1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1，2两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)=138.51 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=10K仿真结果：当温度为100时 R3=138.51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=1.006V1V当温度为20时 R3=107.79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=209.159mV0.2V当温度为165时 R3=162.91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=1.636V1.65V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VinVS,则保留这一位；若VinVS还是VinV来决定是否保留这一位。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Multisim 12.0 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LM324502集成运算放大器OP-07103555定时器LM555CN204与非门74LS00D205与门74LS00D106A/D转换器及数码管驱动集成电路ADC16107数码管共阳极七段LED数码管408LED209扬声器XLV110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、Multisim 12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Mulisi