电子技术课程设计温度测量与控制电路Word文档格式.doc
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温度控制部分主要是热电偶构成的温度传感器,数字显示和设定控制部分主要由模数转换器AD574A、281024CMOSEEPROM和锁存器74LS175等组成,声光报警和温度控制执行主要由555定时器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,在总结出总体方案框图的基础上,应用Multisim13.0仿真软件画出了各单元模块电路图,最后汇总电路图。
由于缺少实践经验,并且知识有限,本次设计中难免存在错误和缺点,敬请老师批评指正。
渠开发
2015年7月9日
目录
温度测量与控制电路
摘要 1
一、系统概述 2
二、单元电路设计与分析 3
三、结束语 12
四、参考文献 12
五、元器件明细表 12
六、收获体会 14
七、鸣谢 14
八、【附录】 15
评语 16
摘要
温度测量与控制电路是在工业中应用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、数字电子技术以及传感器与检测技术的知识,从基本的单元电路出发,实现温度测量与控制电路的设计。
总体设计的主要思想:
一是达到设计要求;
二是尽量应用所学知识;
三是设计力求系统简单可靠,又实用价值。
组员共同讨论确定了总的电路结构,将设计分为三部分,温度传感部分,温度显示和温度范围控制部分,温度控制执行和声光报警部分。
温度传感器部分采用热电偶及其温度补偿原理,保证其精确度。
A/D转换部分使用集成芯片AD5740;
二进制到8421BCD码的转换用EEPROM281024实现;
显示译码部分用4511BD和七段数码管实现;
温度控制范围设定采用数字设定方式,用十进制加计数器74LS160和锁存器74LS175实现;
温度的判断比较通过数值比较器74LS85的级联实现。
声光报警利用555定时器构成多谐振荡器组成。
关键词
温度传感器A/D转换温度控制声光报警二进制转BCD译码显示
技术要求
1.测量温度范围为200C~1650C,精度±
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。
1
一、系统概述
方案A.
如图1-1所示,温度传感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,指向温度控制执行模块和声光报警部分。
温度控制执行
温度传感器
电压比较器
滤波放大电路
A/D转换
滑变分压设定温度
声光报警装置
显示
图1-1总体方案A框图
方案B.
如图1-2所示,温度传感模块和A/D转换模块,译码显示模块,温度执行和报警模块均与方案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,该方案易于受外界干扰,如使用环境温度等因素。
另外由滑变分压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度控制的准确性。
此方案主要采用数字逻辑芯片数字比较器、锁存器等控制实现,其工作的稳定性、准确性和功能扩展性较强。
锁存器
数字比较器
放大电路
声光报警
温度设定
温控执行
图1-2总体方案B框图
比较以上两种方案,方案A电路简单,误差比较大;
方案B电路复杂,但精度较高,可移植性好。
结合以上两种方案的优缺点,最终我们选择方案B来完成设计要求的温度测量和控制电路。
二、单元电路设计
(一)温度传感模块
1.温度传感方法的选择
常用的具有温度传感功能的电路,有铂电阻、二极管、三极管、可编程器件DS18B20做温度传感器、直接利用现有的具有温度传感功能的芯片及热电偶等。
(1)利用铂电阻测温
原理:
铂电阻的电阻随温度变化而变化,通过电阻两端电压的变化来反映温度的变化。
把电阻两端变化的电压信号经过处理后,就可以和预设电压比较。
优点:
测温范围广,精度高,且材料易提纯,复现性好。
缺点:
铂电阻的电阻率较大,电阻-温度关系呈非线性。
排除理由:
热电阻在一定的温度范围内有良好的线性关系,但这个范围很窄,不能达到课题设计要求的范围。
若进行电阻的线性化,则电路复杂,不利于设计。
(2)利用二极管测温
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,并用放大器放大后输出。
虽然测温电路简单实用,但是灵敏度不高,变化范围太窄,线性化也不好。
(3)利用三极管测温
利用了硅晶体的基极和发射级之间的负温度系数。
灵敏度不高,可以用作判断报警,但不宜用于测量温度。
(4)用可编程器件DS18B20做温度传感器
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,线路简单,十分方便。
DS18B20产品具有以下特点:
一是只要求一个端口即可实现通信;
二是在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号;
三是实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
DS18B20需要单片机软件控制,与本次设计要求不符。
(5)现有温度传感芯片测温
芯片:
如LM335,AD590,LTC1052
测温范围不能达到设计要求。
(6)热电偶测温(K型热电偶)
热电偶的测温原理基于热电效应。
将两种不同的导体A和B连成闭合回路,当两个接点处的温度不同时,回路中将产生热电势,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电偶为基础进行测温。
热电偶闭合回路中产生的热电势有两种电势组成:
温差电势(又称汤姆逊电势)和接触电势(又称波尔帖电势),其中两导体自身的温差电势均比接触电势小很多,通常可忽略不计。
采用理由:
热电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。
2.温度传感电路的思路说明
(1)设计思路框图
输出
比例减法
放大
滤波
K型热电偶
加入另一电压信号
补偿导线
图2-1设计思路框图
(2)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。
由于热电偶的特殊性,要对其进行冷接点补偿(详细内容后面介绍)。
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。
由放大、加入另一电压信号及比例减法这三个部分构成了运算电路,这部分不是单纯的放大,二是根据K型热电偶的温度与电压的关系所设计的,目的是把温度与电压等数值的表示出来。
最后输出23.84mV/℃的信号,是为了接下来的的电路控制和显示电路的需要。
3.电路参数的计算
对于K型热电偶其电压和温度满足:
U=0.226T-0.707
(1)
其中电压对应第一级放大电路的输入电压,即经过温度补偿和滤波之后的电压,单位为mV,T为热力学温度,而课题设计要求得到摄氏温度,经换算得:
U=0.226(t+273.5)-0.707
(2)
由
(2)式可算出经热电偶转化后的电压。
经过第一级放大电路,即将电压放大A=100倍输出。
则可得到t-U关系如下:
t=(100U-6100.4)/22.6(3)
这个函数就是运算电路所实现的函数。
这样一来,测得的温度值比如设为x,经过热电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),在经过后面的运算电路,又出现新的电压,此时运算后电压(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。
如果把输出的电压表直接接在毫伏表上,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,进行了进一步的放大,放大到每摄氏度对应23.84mV(这个数值是负责数据显示的同学提供的)。
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,再有滑动变阻器提供6100.4mV的电压,最后减法运算,除法运算以及乘法运算,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=99kΩ,R3=1kΩ。
提供电压用到的是200Ω大小的滑动变阻器接在9V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为一级放大输出的电压。
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=226Ω,R5=R6=Ω。
总之,整个运算电路,把温度通过一个函数(热电偶的电压与温度的关系函数)转化为电压信号,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,可以说是整个电路给温度换了单位,把摄氏度换成毫伏。
4.温度传感部分的温度补偿
热电偶是两种不同材料的导体连接成的闭合回路,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。
热电偶输出的是两个端口温度差的函数,通常温度高的一端称为热端(或工作端),温度低的那端称为冷端(或自由端),则输出电压为函数U=f(T2-T1),则若冷端为0,输出为测试温度(热端)的单值函数。
但实际中,冷端的温度不为0,则要进行补偿,使其在相应的温度下电压为0度时的电压。
如果精度要求不高,可以忽略。
但是精度要求高时,必须进行冷接点补偿。
常用的冷接点补偿的方法有:
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。
本次设计中用芯片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
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- 关 键 词:
- 电子技术 课程设计 温度 测量 控制电路