长安大学电子课程设计报告.docx

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1、长 安 大 学电 子 技 术 课 程 设 计(温度测量与控制电路)专 业 电气工程及其自动化班 级 姓 名 肖阳指导教师 田莉娟日 期 2011年6月30日前言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

2、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，将设计分为三部分，李朝负责温度传感部分，谌新力负责温度显示和温度范围控制部分，肖阳负责温度控制执行电路和声光报警部分。温度传感部分由热电偶构成的温度传感器，数字显示和设定控制部分由模数转换器AD574A、 CMOS EEPROM、锁存器74LS175等组成，声光报警和温控加热降温执行电路主要用时基芯片555构成的多谐振荡器和单稳态电路组成。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Multisim11.0仿真软件画出了各单元模块电路图，最后汇总电路图。由于缺少实践经

3、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 2010年6月20日目录一、系统综述和总体方案论证与选择5二、单元电路设计61、温度传感模块62、数字显示与温度范围控制模块73、声光报警7（1）方案的论证与选择7（四）温度控制执行12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，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。温度传感采用热电偶和温度补偿原理。AD转换部分使用

4、集成芯片AD574A；二进制到8421BCD码的转换用EEPROM 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。声光报警加入了单稳态。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 译码显示技术要求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

5、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、系统综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

6、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、单元电路设计本系统共分为温度传感、数字显示和设定控制和声光报警和温控加热降温执行电路三个部分。其中，温度传感部分由热电偶构成的温度传感器，数字显示和设定控制部分由模数转换器AD574A、 CMOS EEPROM、锁存器74LS175等组成，声光报警和温控加热降温执行电路主要用时基芯片555构成的多谐振荡器和单稳态电路组成。1、温度传感模块如图2-1-1所示，温度传感模块把温度大小转化为电压信号，传入数字显示与温度范围控制模块。使用时将热电偶的热端

7、（工作端）放入被测量的环境中，注意连接导线选用阻值受温度影响小的材料，且有良好的绝缘材料包裹。长时间使用后可对电路进行校准，在标准温度下，测量输出电压值，并通过调整滑动变阻器进行校准。其输出电压Uo(V)和温度T()的关系式为Uo=0.02384*T。图2-1-1 温度传感模块电路图2、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

8、“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）3、声光报警方案的论证与选择方案一:以PLC为温度控制系统实现报警功能1. 根据题目设计要求，系统总体结构图如图2-3-1所示，主要由温度传感器、滤波放大电路、A/D

9、转换电路、PLC、温度控制电路及报警电路组成。温度高于设定温度温度低于设定温度温度传感器PLC滤波放大电路降温电路加热电路声光报警及温度显示A/D转换图2-3-1 利用PLC实现报警的系统硬件总体结构温度信号经过采样、滤波放大、A/D转换后电路接线图如图2-3-2所示：Q0.0Q0.1Q0.2Q2.0Q2.1Q2.2绿灯、温度显示红灯、温度显示黄灯、温度显示报警加热电路降温电路PLC数字温度信号图2-3-2 温度控制、报警接线图以PLC为温度控制系统的接线图如上。绿灯亮表示系统正常工作，由输出端口Q0.0控制；红灯时超温报警，由输出端Q0.1控制；黄灯是低温报警，由输出端口Q2.0控制。三个灯

10、亮时，同时会进行温度值的显示。根据实验要求，温度超过设定范围，井进行声光报警。本实验采用报警电路有555时基电路和LED灯以及蜂鸣器器组成。具体电路图如图2-3-3：图2-3-3 报警电路2. 排除理由：该方案使用PLC作为核心处理器，可以稳定的实现报警系统，但是缺点在于程序编写十分困难，对单片机的利用率也不高。导致了系统的成本过高，完全可以用更简单的电路实现报警。方案二：基于运算放大器的双限温度报警器图2-3-4 双限温度报警器电路原理图如图2-3-4所示，该双限温度报警器电路由温度检测放大电路、超低频振荡器、声音报警电路和电源电路组成。温度检测放大电路包括：热敏电阻器RT、电阻器Rl-R4

11、、电位器RPl、RP2、电容器Cl、C2、二极管VDl和运算放大器集成电路ICl(NlN4)内部的N2、N3；超低频振荡器包括：IC1内部的N1、N4、电阻器R5R12、电容器C3、C4和发光二极管VL2、VL3；电源电路包括：电源变压器T、整流桥堆UR、滤波电容器C6、C7、三端稳压集成电路lC2、电阻器R13和发光二极管VLl；声音报警电路包括：电阻器R14R16、电容器C5、晶体管Vl、V2和扬声器BL。1.工作原理：交流220V电压经T降压、UR整流、C6滤波及IC2稳压后，为温度检测放大电路、超低频振荡器和声音报警电路提供+6V电压。电位器RPl用来设定温度的上限值，RP2用来设定温

12、度的下限值。当受控温度在设定温度范围内时，N2和N3均输出高电平，VD2和VD3导通，使超低频振荡器和声音报警电路不工作，BL不发声。当受控温度超过设定温度的上限值时，RT的阻值减小，使N2因正相输入端电位低于反相输入端的基准电压而输出低电平，VD2截止，由Nl和R5、R7RlO、C3组成的超低频振荡器振荡工作，VL2闪烁发光;同时该超低频振荡信号对由RI4-Rl6、C3和Vl、V2组成的音频振荡器进行调制，驱动BL发出间歇的蜂鸣报警声。当受控温度低于设定温度的下限值时，RT的阻值增大，使N3输出低电平，VD3截止，由N4和RlORl2、C4组成的超低频振荡器振荡工作，VU闪烁发光;同时，该超

13、低频振荡信号对音频振荡器进行调制，驱动BL发出报警声。3. 排除理由：尽管双指示双限温度报警器性能优良，但由于参数计算困难，所以最终没有采纳。方案三 ： 使用555构成的多谐振荡器图2-3-5 555多谐振荡电路1 工作原理：555多谐振荡电路由555时基电路、发光二极管、蜂鸣器等组成。输入高电平时，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。经计算得，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%。2采用理由： 采用555多谐振荡器，其好处就在于无需外加输入信号就能在接通电源后自行

14、产生矩形波输出。内部灵敏度高，构成的电路简单，产生信号稳定。 4、温度控制执行方案的论证与选择方案一：利用可控硅和加热元件实现温度的控制1工作原理控制电路采用可控硅来实现，如图2-4-1所示双向可控硅SCR和加热/降温元件串接在220V交流电源电的回路中，加热/降温电路启动信号通过光电隔离器和驱动电路送到可控硅的控制端，有加热/降温电路启动信号端的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制加热/降温元件的通电工作时间。加热/降温电炉启动信号220VR+5V驱动电路可控硅调功器加热/降温元件图2-4-1 调温电路结构图2排除理由：虽然可控硅器件有较宽广范围的电流、电压控制能力，但其静态及动态的过

15、载能力较差，容易受干扰而误导通。方案二：利用CMOS型555时基电路控制温度1.工作原理如图2-4-1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2-4-1加热降温执行电路图2.采用理由： 利用CMOS型555时基电路与滑动变阻器的配合

16、，可以根据实际情况通过调整滑动变阻器R3，R4 ，来控制加热或降温时间。且555时基电路温度稳定性好于 0.005%/，几乎不受影响，可稳定工作。三、总体电路图限于篇幅和纸张大小，见附录2。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12位的A/D转换电路，在这一部分的设计中我们查阅了大量资料，最后决定用AD574A模数转换器，这样以来不仅实现对于模拟信号的数字转换，同时也提高了精度的要求。二是如何将12位二进制数转换成8421BCD码的问题，经过查阅大量资

17、料并研究决定用EEPROM电可擦写存储器来完成这个功能，具体电路图和转换关系如上所述。三是温度的设定和朝鲜判断，技术要求中提到输入温度连续可调，我们开始拟采用滑动变阻器控制，使滑动变阻器的分压参与电路中的信号处理，由于其种种缺点，最终放弃了该方案。使用计数器、寄存器、数值比较器、译码显示装置、实现了将控制温度直接以直观的数字量直接输入，并以8421BCD码的形式输入数值比较器进行温度判定，也实现了输入温度的连续可调，而且极大地提高了准确度、直观性和易用性。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

18、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3

19、00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12CMOS 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

20、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020

21、V，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，

22、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. Pi

23、n16Pin27(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. 1M COMS EEPROM（65536X16）A0A15：地址输入端D0D15：数据输出端 图6-2管脚图真值表工作模式/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

24、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6.74LS175D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

25、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 LT1025参数图 图6-9 LT 1025 管脚图10.ADG202 图6-10 ADG202的管脚图和真值表七、收获体会这次课程设计是我第一次接触到的将理论知识运用于实际的实践活动。通过对模拟电子技术、数字电子技术等课程的学习，对自己亲自设计一个综合性的系统充满了期待与渴望。我在这次课设中选择了温度测量与控制这一题目，感到这个题目综合性强，应用广，对设计者的要求也较高，因此，碰到的难度也较大，但本着求知与实践应用的精神，我最终将这个题目的大概框架

26、整理出来，其中有许多不尽人意之处及不理想的地方还很多，这也是我今后学习的方向和动力。本次设计中，我主要负责温度设定和超限比较环节，显示电路是这次设计中花力气最大的环节，它首先需要将模拟量转化为数字量，再将其变为8421BCD码，这一过程实现有很多方法，如利用单片机等，然后就可以用数码管显示了。控制电路是这次设计的核心环节，它的实现方法也有很多种，设计中也拟定了两种方法，他们之间的优劣也有表述，关键是我从中了解了相关控制的多种方法，为今后设计控制电路做足准备。超限比较电路和循环检测功能是我这次设计中的一个亮点，利用数值比较器和锁存器来判定温度超限，由于要求中是在温度在20165摄氏度之间，因此比

27、20小或大于165的都将引发报警，这是需要注意的。最后，通过这次课程设计让我获益良多。另外，本次设计中，很多环节都可以用单片机实现，这更激起了我学习单片机的强烈愿望。从中我认识到了各课程学习的重要与应用之处，为今后学习指明方向，也大大的提高的系统学习电子技术的兴趣。同时，在设计中我尝试使用了Multisim 11.0软件，发现了这个软件的强大，做了很多测试，强化了对已学知识的理解，较为熟练的学会了该软件的应用，为我今后设计及学习和电路设计提供了有效的工具。八、鸣谢感谢学院为我们安排这一次课程设计，使我们得到一个学习和锻炼的机会。感谢老师的辛勤指导，使我们抓住解决问题的关键，从而顺利完成课程设计。感谢同组同学的团结合作，以及其他同学给与的帮助，使我们的课程设计得以圆满完成。【附录】附录1温度显示与温度范围控制模块电路图附录2总体电路图附录一：图2-2-1数字显示与温度范围控制模块，（可右键另存为，然后放大观看）附录二：总电路图，（可右键另存为，然后放大观看）评 语 评阅人： 日期：