电子技术课程设计温度测量与控制器.docx
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电子技术课程设计温度测量与控制器
电子技术课程设计
题目名称:
温度测量及控制器
班级:
学号:
姓名:
指导教师:
日期:
一、设计题目
温度测量及控制器
二、设计任务及要求
温度是表征物体冷热程度物理量,在工农业生产或科学研究中,经常需要对某一系统温度进行测量,并能自动地控制、调节该系统温度。
下面设计并制作对某一系统温度进行测量及控制电路。
电路要求为:
1被测温度和控制温度均可数字显示。
2测量温度范围为
~
,精度为
。
3控制温度连续可调,精度为
。
4温度超过额定值时,产生声、光报警信号。
三、题目分析和内容摘要
题目分析:
温度测量及控制电路是在实际应用中相当广泛测量电路。
本次设计主要运用基本模拟电子技术和数字电子技术知识,同时综合温度传感器相关应用,实现温度测量及控制电路设计。
内容摘要:
本次设计以数字电子技术基础知识为主:
用电压比较器来实现温度控制装置,采用555构成多谐振荡器来实现声光报警装置,用内置译码器四输入数码管译码显示温度,A/D转换应用集成芯片完成。
同时运用到模拟电子技术中滤波放大电路相关知识:
在A/D转换前置低通滤波器,来滤除干扰信号,应用放大电路来实现信号幅度及元器件工作范围匹配。
综合传感器知识,设计决定采用热敏电阻构成桥式电路来实现温度测量及转换。
四、整体构思和方案选择
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及后续电路工作范围做一匹配,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、进入超限报警装置及所设定温度范围进行比较,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、进入数字比较器及输入控制温度进行比较,产生温度控制机构工作信号,同时显示输入控制温度。
此系统可以对被测体温度进行实时跟踪测量,并进行有效控制,总体上实现了温度测量及控制。
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;电压信号另一路进入电压比较器,及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,对被测体温度进行实时控制,电压比较器比较结果将决定是否发出声光报警。
此方案是将测量温度及输入控制温度转换成电压信号进行比较,从而实现了温度控制。
图2
方案选择:
方案一:
将热电阻由温度变化通过555定时器构成多谐振荡器完成V/F变换。
利用分频实现控制温度及频率对应,整个电路中以频率为参数参及温度控制过程。
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:
将所有信号都转换成数字信号处理,克服了模拟信号易受干扰缺点。
而且系统主要处理部件均采用数字式元器件,从而使信号模式及之匹配,对于信号处理精度就有了保证。
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及测量温度要求。
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,考虑到三个方案优缺点,选择方案三作为我们此次温度测量及控制电路设计方案。
整体构思:
总体设计框图如下图3所示,从温度采集到及设定温度比较,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。
图3
五、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八大模块,依次进行详细说明。
包括:
工作原理、原理图、元器件选择、参数计算。
最后附上元件清单表。
各模块设计:
1、温度传感器:
a)铂测温金属:
金属具有随着温度升高电阻值增大特性,电阻率及温度具体关系为:
ρ=ρ0(1+αt),其中ρ0为零度时导体电阻率,α为导体温度系数。
利用金属这一特性,我们可以通过监测金属电阻变化实现温度测量。
制作测温电阻材料除了铂以外还可以是铜活镍等,而铂纯度大于99.999%,是最佳测温材料。
常见铂测温电阻标称电阻值为100Ω,温度系数是3850×10-6/℃。
标称值误差影响偏置,而温度系数误差影响增益。
温度跨度越大误差也越大。
标称值误差可用一点调整,而温度系数误差要由间隔温度两点调整。
当要求很细微调整温度时,要选用温度系数一致传感器。
b)测温基本电路:
电路输出:
Eout=R1ΔRVIN/(R1+R0+ΔR)(R1+R0)
由于分母中有ΔR项存在,在恒定条件下工作除了传感器非线性误差外,还有恒压电路产生误差,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,在传感器自身非线性误差上还有一个由恒压工作带来非线性误差,不进行校正就无法实现该精度测量。
校正方法采用正反馈线性校正。
如图4,在电路中,把运算放大器A2输入反馈到输入端Vin,反馈量由R3、VR3、R4决定,而且是串联加到Vin。
这样Vout大,对传感器所加电压VB也大,结果使得Vout变小,实现了线性校正。
图4
2、A/D转换器
A/D转换部分有两种方案:
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:
利用电阻网络实现A/D转换,此种方案要求比较器个数较多,不符合节约型社会要求,而且电路复杂,较难准确实现。
综合考虑,选择方案一,即AD574来实现A/D转换。
设计原理图如下图5所示:
滤波放大信号输出作为A/D转换模拟量输入,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,当经过滤波放大电压信号输入时,经过转换就可以输出9位二进制数字信号。
将这9位数字信号高8位及最低一位相加,从而将转换精度提高。
图5
3、电压比较器
LM324是运放集成电路,电路模型如图6所示。
它内部包含四组形式完全相同运算放大器,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所示符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“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引脚排列见图7。
图6图7
4、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,利用电压值之间大小关系就可以控制温度大小。
我们调节温度是将其转化为电压形式,通过改变电压值来实现控制温度及被测温度比较。
所以,利用刚才介绍LM324电压比较器来完成控制电路核心控制,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,以实现两个电压正常比较。
控制电路图如下:
图8
温度控制选择可通过电位器W2来实现.通过调节W2可使其中间头电压在0~1.2V之间范围内变换,对应控制温度范围为0~120℃,完全可以满足一般加热需要。
将开关K打在2位置,电位器W2中间头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,数显表头所显示数值随之变化,所显示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,其中间头电压及电位器W2中间头电压分别送入比较放大器B(放大倍数为1)反相及同相输入端,B输出端电压为二输入电压之差.此电压对应两个设定温度值之差. 当温度传感器输出电压小于B输出电压时,C输出高电平。
当温度传感器输出电压大于B输出电压而小于A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,温度传感器输出电压大于1V,电压比较器D输出低电平。
5、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,当前置电路产生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、转码电路
当电压信号经过A/D转换器转换后变成了8位二进制数字信号,而后续电路需要是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元件图:
图11
7、显示电路
如图12所示,为控制温度显示电路。
这里采用是七输入数码管,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。
图12
8、加热电路
图13
加热电路如图13,当温度传感器输出电压小于B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. 当温度传感器输出电压大于B输出电压而小于A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:
以下是用总线连接原理图和最终总电路原理图。
其中总线连接原理图中各分电路在上述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!
!
!
采用总线形式连接原理图
总电路原理图
网上总电路原理参考图
元件清单表:
序号
元器件型号名称
功能
数量
1
AD548CH
运算放大器
1
2
AD648CH
运算放大器
1
3
AD574
12位A/D转换器
1
4
74LS283D
4位二进制超前进位全加器
2
5
74185
二进制~8421BCD转换器
3
6
LM324D
差动输入四运算放大器
4
7
74LS32D
两输入或非门
1
8
02BZ2.2
稳压管
1
9
SONALERT
蜂鸣器
1
10
555
定时器
1
11
7448N
七段数码显示译码器
3
12
7输入数码管
7输入数码管
3
13
2N5444
可控硅
2
14
1N1202C
整流器
1
15
VCC/VEE
直流电压源
若干
六、设计收获、体会和建议
第一次接触数字电子技术课程设计,对我来说,确实是项浩大工程!
虽然可选择题目非常多,但是个个都有特点,都有难点。
想要编出一个符合题意电路图,不光需要是理论上知识支撑,还必须有吃苦耐劳,对真理追求执着精神。
因为在这个过程中,为了达到更高要求,往往会涉及到高深知识,然后自己就不得不去查找相关资料,来扩充自己知识面,无论是对数电,对自己学习习惯和方法都是一个很好锻炼!
下面来分模块讲一讲自己收获和体会:
测温电路,主要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比较测量。
由于电路输出有△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非线性误差引起误差。
控制电路是设计核心。
通过温度传感器测得温度后,将温度值转化为电压值,因此,利用电压值之间大小关系就可以控制温度大小,这就涉及到一个物理量转换问题。
所以,控制电路在调控温度时,就可以调节电压大小来间接调节温度高低。
四个连续LM324D构成了控制电路核心部件,而调节温度具体实现为W1,W2两个电位器调节。
根据电路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定时原理和功能有了较全面了解,所以设计起来得心应手。
其中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比较,经过一及门进入555CO电压控制端,实现了报警温度控制。
其中555定时器构成多谐振荡器,产生一个固定频率用于蜂鸣器报警。
A/D转换电路采用了美国模拟数字公司(Analog)推出单片高速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。
为输出系统温度值做准备。
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数字信号,显示温度。
电热电路实现比较简单,采用了两个可控硅T1、T2,充当了二极管作用,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电流限额不同,其加热速率也就不一样。
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知识。
其中最大收获莫过于学会了使用Multisim这个强大软件,其地位不亚于Matlab。
里面所有电路图均为本人使用Multisim画出来,由于对软件不熟悉,和元件库缺失,有些元件比如AD574、74LS283D等无法用软件模拟出来,所以也就无法发挥出Multisim最强大功能:
仿真。
实乃一大遗憾。
不过,本次课程设计确实让我大开眼界,认识到了如此有用软件。
加深了电压比较器认识和一些专业元件比如可控硅,整流管等。
总之,感谢老师给予我这次锻炼自己机会,在今后学习中,我一定会保持这种追求真理,探索知识优秀品质!
七、参考文献
1、《电子技术实验》郝国法粱柏华编著冶金工业出版社2007年4月第1版
2、《电子技术基础(模拟部分)第五版》康华光主编高等教育出版社2006年1月第5版
3、《电子技术基础(数字部分)第五版》康华光主编高等教育出版社2006年1月第5版
4、《数字电子技术》吴建国张彦主编华中科技大学出版社2010年8月第1版第1次印刷
5、《数字电路课程设计及实验》李维主编大连理工大学出版社2008年第1版
6、《电子技术实验及实践》李素梅郭荣生编著中国石油大学出版社2007年10月第1版
7、《Multisim8仿真及应用实例开发》从宏寿程卫群李绍鉊编著清华大学出版社2007年7月第1版
8、《数字电子技术》JamesBignellRobertDonovan编著科学出版社2005年2月第1版
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