电子技术课程设计-温度测量与控制器

精品文档 1欢迎下载 电子技术课程设计电子技术课程设计 题目名称 温度测量与控制器 班 级 学 号 姓 名 指导教师 日 期 精品文档 2欢迎下载 一 一 设计题目设计题目 温度测量与控制器 二 二 设计任务与要求设计任务与要求 温度是表征物体冷热程度的物理量 在工农业生产或科学研究中 经常 需要对某一系统的温度进行测量 并能自动地控制 调节该系统的温度 下面 设计并制作对某一系统的温度进行测量与控制的电路 电路要求为 被测温度和控制温度均可数字显示 测量温度范围为 C120 精度为 C0 5 C0 控制温度连续可调 精度为C1 温度超过额定值时 产生声 光报警信号 三 三 题目分析和内容摘要题目分析和内容摘要 题目分析 题目分析 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 实现温度测量与控制电路的设计 内容摘要 内容摘要 本次设计以数字电子技术的基础知识为主 用电压比较器电压比较器来实现温度 控制装置 采用 555555 构成的多谐振荡器构成的多谐振荡器来实现声光报警装置 用内置译码器的内置译码器的 四输入数码管四输入数码管译码显示温度 A D 转换应用集成芯片集成芯片完成 同时运用到模拟电 子技术中的滤波放大电路的相关知识 在 A D 转换前置低通滤波器低通滤波器 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 综合传感器 知识 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 精品文档 3欢迎下载 四 四 整体构思和方案选择整体构思和方案选择 方案选择 方案选择 方案一 由 555 定时器组成多谐振荡电路 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 方案二 系统框图如图 1 所示 温度传感器测量温度 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 此数字信号有三条 路径 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 二 经过码制转换后进入数码管显示当前所测温度 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 图 1 方案三 系统框图如图 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 精品文档 4欢迎下载 进行比较 从而实现了温度的控制 图 2 方案选择 方案一 将热电阻由温度的变化通过 555 定时器构成的多谐振荡器完成 V F 变换 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参数参 与温度的控制过程 由于其中计数器 分频器和单稳态触发器等功能设计困难 故舍弃 方案二 将所有的信号都转换成数字信号处理 克服了模拟信号易受干 扰的缺点 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 但是由于其上 下限温度限定 电路复杂 故舍弃 方案三 符合要求中控制温度与测量温度的要求 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 考虑到三个方案的优缺点 选择方案三方案三作为我们此次温度测 量与控制电路的设计方案 整体构思 整体构思 总体设计框图如下图 3 所示 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显示 主 要由以下几个模块构成 温度传感器 A D 转换器 电压比较器 控制电路 温控电路 声光报警器 转码电路 显示电路 加热电路 精品文档 5欢迎下载 图 3 五 五 具体实现和各部分定性说明及定量计算具体实现和各部分定性说明及定量计算 下面就整体构思中提及的八大模块 依次进行详细的说明 包括 工作 原理 原理图 元器件的选择 参数计算 最后附上元件的清单表 各模块设计 各模块设计 1 1 温度传感器温度传感器 a 铂测温金属 金属具有随着温度的升高电阻值增大的特性 电阻率与温度的具体关 系为 0 1 t 其中 0 为零度时导体的电阻率 为导体的温度 系数 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 常见铂测温电阻的标称电阻值为 100 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 b 测温基本电路 精品文档 6欢迎下载 电路的输出 Eout R1 RVIN R1 R0 R R1 R0 由于分母中有 R 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 线性校正电路 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 4 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 图 4 2 2 A DA D 转换器转换器 A D 转换部分有两种方案 方案一方案一 利用集成芯片 AD574 再结合两片 74LS283 4 位二进 制超前进位全加器 构成 该方案工作原理是先将模拟量转换成 9 位二进 精品文档 7欢迎下载 制数 再将最低一位和前八位相加这样就可以将测量精度提高到 0 5 方案二方案二 利用电阻网络实现 A D 转换 此种方案要求的比较器 个数较多 不符合节约型社会的要求 而且电路复杂 较难准确实现 综合考虑 选择方案一方案一 即 AD574 来实现 A D 转换 设计原理 图如下图 5 所示 滤波放大信号的输出作为 A D 转换的模拟量输入 进入 引脚 20VIN 引脚 D0 D9 作为数字信号输出 当电路图如此连接后就可以 实现模数转换功能 当经过滤波放大的电压信号输入时 经过转换就可以 输出 9 位二进制的数字信号 将这 9 位数字信号的高 8 位与最低一位相加 从而将转换精度提高 图 5 3 3 电压比较器电压比较器 LM324 是运放集成电路 电路模型如图 6 所示 它的内部包含四组形 式完全相同的运算放大器 除电源共用外 四组运放相互独立 每一组运算放 大器可用图 7 所示的符号来表示 它有 5 个引出脚 其中 为两个信 精品文档 8欢迎下载 号输入端 V V 为正 负电源端 Vo 为输出端 两个信号输入端中 Vi 为反相输入端 Vi 为同相输入端 LM324 的引脚排列见图 7 图 6 图 7 4 4 控制电路 温控电路 控制电路 温控电路 由于通过温度传感器测得温度后 将温度值转化为电压值 因此 利用电压值之间的大小关系就可以控制温度的大小 我们调节温度是将其转化 为电压的形式 通过改变电压值来实现控制温度与被测温度的比较 所以 利 用刚才介绍的 LM324 电压比较器来完成控制电路的核心控制 由于比较器最小 输入电压差为 40mV 而温度测量中输出电压精度在 5mV 因此需要加大电阻以 提高电压值 以实现两个电压的正常比较 控制电路图如下 精品文档 9欢迎下载 图 8 温度控制选择可通过电位器 W2来实现 通过调节 W2可使其中间头 的电压在0 1 2V 之间的范围内变换 对应的控制温度范围为0 120 完全可 以满足一般的加热需要 将开关 K 打在2的位置 电位器 W2中间头的电压经过 电压跟随器 A 后送到数显表头输入端来显示控制温度数值 调节电位器 W2 数显表头所显示的数值随之变化 所显示的温度 数值即为控制温度值 电位器 W1为预控温度调节 其电压调节范围为0 0 27V 对应可调节温度范围为0 27 此电位器调整后 其中间头的电压 与电位器 W2中间头的电压分别送入比较放大器 B 放大倍数为1 的反相及同相 输入端 B 输出端的电压为二输入电压之差 此电压对应两个设定的温度值之 差 当温度传感器输出的电压小于 B 的输出电压时 C 输出高电平 当温度传感器输出的电压大于 B 的输出电压而小于 A 的输出电压时 表明实际温度已接近控制温度 C 输出低电平 电压比较器 D 输出高电平 当 实际温度上升到100 以上时 温度传感器的输出电压大于1V 电压比较器 D 输 出低电平 5 5 声光报警器声光报警器 该报警装置如图 9 所示 主要构成器件为 555 定时器集成芯片 它 组成的多谐振荡器再加上发光器件和扬声器 就构成了此声光报警器 当前置 精品文档 10欢迎下载 电路产生的逻辑信号为高电平时 则该声光报警装置工作 发出声光报警 该 设计的发声频率为 f 1 44 R1 2R2 C1 10KHZ 所以 发声持续时间 T 1 f 1 10 4s 图 9 当测温电路测量出温度时 信号传送至 RST 端即可 电路如图 10 图 10 6 6 转码电路转码电路 当电压信号经过 A D 转换器转换后变成了 8 位二进制的数字信号 精品文档 11欢迎下载 而后续电路需要的是 8421BCD 码 所以需要进行码制转换 我们选用集 成芯片 74185 来实现这个功能 如图 11 是 74185 的元件图 图 11 7 7 显示电路显示电路 如图 12 所示 为控制温度的显示电路 这里采用的是七输入数 码管 即七段显示数码管 这种数码管有共阴极和共阳极之分 应用此种 数码管时 必须前置译码电路 即 7448N 七段数码显示译码器 精品文档 12欢迎下载 图 12 8 8 加热电路加热电路 图 13 精品文档 13欢迎下载 加热电路如图 13 当温度传感器输出的电压小于 B 的输出电压时 C 输出高电平 可控硅 T1 因获得偏流一直导通 交流 220V 直接加在电热元件 两端 进行大功率快速加热 当温度传感器输出的电压大于 B 的输出电压而 小于 A 的输出电压时 表明实际温度已接近控制温度 C 输出低电平 可控硅 T1 因无偏流处于截止状态 电压比较器 D 输出高电平 可控硅 T2 仍处于导通 状态 交流 220V 需要通过二极管 D2 加在电热元件两端 进行小功率慢速加热 当实际温度上升到 100 以上时 温度传感器的输出电压大于 1V 电压比较器 D 输出低电平 可控硅 T2 也截止 电热元件断电 停止加热 总电路原理图 总电路原理图 以下是用总线连接的原理图和最终的总电路原理图 其中总线连接的 原理图中各分电路在上述的模块设计已经详细指出 只需要用总线连接在一起 即可 另外 附上网上的一个原电路图 图中有部分参数和元件我已经做了修 改 仅作参考而已 采用总线形式连接的原理图 精品文档 14欢迎下载 总电路原理图 网上总电路原理参考图 元件清单表 元件清单表 精品文档 15欢迎下载 序号序号元器件型号名称元器件型号名称功能功能数量数量 1AD548CH 运算放大器 1 2AD648CH 运算放大器 1 3AD574 12 位 A D 转换器 1 474LS283D 4 位二进制超前进位全加器 2 574185 二进制 8421BCD 转换器 3 6LM324D 差动输入四运算放大器 4 774LS32D 两输入或非门 1 802BZ2 2 稳压管 1 9SONALERT 蜂鸣器 1 10555 定时器 1 117448N 七段数码显示译码器 3 12 7 输入数码管7 输入数码管 3 132N5444 可控硅 2 141N1202C 整流器 1 15VCC VEE 直流电压源若干 六 六 设计收获 体会和建议设计收获 体会和建议 第一次接触数字电子技术的课程设计 对我来说 确实是项浩大的工程 虽然可选择的题目非常多 但是个个都有特点 都有难点 想要编出一个符合 题意的电路图 不光需要的是理论上的知识支撑 还必须有吃苦耐劳 对真理 追求的执着精神 因为在这个过程中 为了达到更高的要求 往往会涉及到高 深知识 然后自己就不得不去查找相关的资料 来扩充自己的知识面 无论是 对数电 对自己学习的习惯和方法都是一个很好的锻炼 下面来分模块讲一讲自己的收获和体会 精品文档 16欢迎下载 测温电路测温电路 主要的应用就是铂电阻测温基本电路 其间运用了 AD548CH 和 AD648CH 两个电压比较器进行温度的比较测量 由于电路的输出有 R 存在 故有可能产生线性漂移 所以外加了一个正反馈线性调整电路 减弱了由于传 感器自身的非线性误差引起的误差 控制电路控制电路是设计的核心 通过温度传感器测得温度后 将温度值转化为 电压值 因此 利用电压值之间的大小关系就可以控制温度的大小 这就涉及 到一个物理量的转换问题 所以 控制电路在调控温度时 就可以调节电压的 大小来间接调节温度的高低 四个连续的 LM324D 构成了控制电路的核心部件 而调节温度的具体实现为 W1 W2两个电位器的调节 根据电路的 VCR 可以计 算出从0 120 时 W1为468欧姆 W2为35 6K 欧姆 声光报警电路声光报警电路的结构比较简单 其核心部件为555定时器 由于我们刚上 了数电 对555定时的原理和功能有了较全面的了解 所以设计起来得心应手 其中的关键是如何判定超限 该电路用了两个 LM324D 电压比较器 实现了对温 度上限和温度下限的比较 经过一与门进入555的 CO 电压控制端 实现了报警 的温度控制 其中555定时器构成多谐振荡器 产生一个固定的频率用于蜂鸣器 的报警 A DA D 转换电路转换电路采用了美国模拟数字公司 Analog 推出的单片高速12位 逐次比较型 A D 转换器 应用单极性输出 将传送过来的电压值输出8位二进制 代码 再由两片74LS283D 4 位二进制超前进位全加器 算出电压和 为输出 系统的温度值做准备 显示电路显示电路首先需要将模拟量转化为数字量 再将其变为8421BCD 码 具 体实现为用74185将模拟量转为8421BCD 码 然后用三片7448N 前置电路将 8421BCD 码转换为7段数码显示译码器能够识别的数字信号 显示温度 电热电路电热电路的实现比较简单 采用了两个可控硅 T1 T2 充当了二极管的 作用 不过优势之处在于有快速加热和慢速加热之分 因为正向和反向允许通 过的电流限额不同 其加热的速率也就不一样 精品文档 17欢迎下载 最后 通过这次电子技术课程设计 让我掌握了不少关于温控设计的知 识 其中最大的收获莫过于学会了使用 Multisim 这个强大的软件 其地位不亚 于 Matlab 里面所有的电路图均为本人使用 Multisim 画出来的 由