温度测量与控制电路(共30页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上电子技术课程设计报告 题 目 温度测量与控制电路 学院(部) 电子与控制工程学院 专 业 建筑设施智能技术 班 级 学生姓名 孙文涛 学 号 6 月 12 日至 6 月 22日 共 1.5周 指导教师(签字) 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
2、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,陈涛负责温度传感部分,孙文涛负责温度显示和温度范围控制部分,张晓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Mu
3、ltisim11.0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,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日目录课题名称 1摘要 1关键词 1设计要求 1正文 1 一、系统概述和总体方案论证与选择 1 二、单元电路设计 2 (一)温度传感模块 3 (二)数字显示与温度范围控制模块 31、方案的论证与选择 3 2、AD转换与解码 83、译码显示104、控制温度设定115、温度超限判断126、多路温度循环检测功能137、方案的优点与缺点以及改进14 (三)声光报警15 (四)温度控制执行15三、总体电路图 16四、结束语 1
4、6五、参考文献 17六、元器件明细 17七、收获体会 27八、鸣谢 27附录 27教师评语 28【课题名称】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74
5、LS160十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【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【正文】一、系统概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
6、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 总体设计方案A框图方案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
7、。图1-2 总体设计方案B框图二、单元电路设计(一)温度传感模块如图2-1-1所示,温度传感把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(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(二)数字显示与温度范围控制模块1、方案的论证与选择经分析,数字显示与温度范围控制模块的核心主要有两部分:(1) A/D转换和码制转换部分(2
8、) 温度范围设定与温度超限行为判断部分每部分分别有两种方案:(1) A/D转换部分方案A.首先要把温度传感器的电压信号转换成频率不同的矩形波信号。如图2-2-1所示,电压/频率转换电路由一只运算放大器和一只555以及少量电阻和电容组成,运算放大器部分作成差分积分电路,同相输入端是由555的3脚输出端反馈加来的,由于555的触发电平是1/3VCC,因此当输入电压信号在1/2VCC内变化时,该电路的输入电压Ui和输出的矩形波的频率具有良好的线性关系(由于该方案最终未被采纳,只给出V/F对应关系表作为参照,见表1,该电路的具体原理和Ui线性关系的详细计算和在此不再赘述)。图2-2-1555和差分积分
9、放大电路构成的V/F转换器V/F转换关系对应表 表1R3220k22k10k5KC31F0.1F2F200pFR1,R21M220k100k10kC1,C22F0.1F2nF300pF频率/电压1Hz/V100Hz/V10kHz/V100kHz/VV/F转换器输出的频率不同的矩形波信号要转化成可数字显示的BCD码,如图2-2-2所示,频率-8421BCD码的转换由4片同步十进制加法器74LS160实现,第(1)片74LS160的RCO进位输出接第(2)片的CLK时钟信号输入端,当第(1)片74LS160计数器进位时,第(2)片74LS160加1,第(2)片再向第(3)片74LS160进位,以此
10、类推,4组QDQCQBQA分别为百位、十位、个位、小数位,分别经过4片锁存器74LS175,接到4片七段数字显示译码器74LS48,再连接数码管即可实现温度的十进制数显示。图2-2-2频率信号转BCD码把4片锁存器74LS175的CLK时钟端接在一起,引出节点。4片74LS160的清零端接在一起,引出节点。V/F转换器的频率信号经过图2-2-4中的与门“U2A”进入。节点和的波形关系需满足如图2-2-3所示关系,即满足“先锁存,后清零”,这样,在“计数开始”(的上升沿)到“锁存器状态翻转”(的上升沿)的这段时间t内,通过的波形周期数就等于数码管上显示的数字。时间t的大小可以通过调节图2-2-4
11、中的R、C参数来调整,t =0.7R2C10.49s,使其在这段时间内恰巧通过一定的周期数,就可以使计数器计数到该温度并显示出来。比如,当温度为10.0时,V/F转换电路产生一定频率的矩形波,在指定的时间t内,使其恰巧通过100个完整波形,四片计数器的输出状态为0000 0001 0000 0000,即可译码显示为“10.0”代表10.0图2-2-3 方案A中 节点和的波形关系该波形由图2-2-4所示电路产生。电容C3起到消除竞争与冒险的作用,没有C3,可能使锁存器锁入数据0000 0000 0000 0000,数码管上会显示0.0 ()。并引起错误报警,和温控执行电路的不合理启动。图2-2-
12、4方案A 清零信号,计数信号,锁存信号产生电路综上所述,该电路工作过程复杂,虽然理论上可行,也通过了在Multisim中的模拟检测,但是在实际中,图2-2-4中的RC参数也都会受到温度影响,造成测量温度不准确,如果电容C3短路,更可能造成误报警和错误加热操作的不良后果。另外,该电路的功耗太大,不利于实际应用。所以,最终放弃了该方案。方案B采用集成芯片AD574A作为模数转换芯片,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
13、的阻容件即可构成一个完整的A/D 转换器。AD574A可以把电压信号转换成二进制数,但是二进制数并不能直接在数码管上显示,所以AD574A输出的二进制数到8421BCD码的转换成为该方案的核心问题,经过查阅大量资料,最终决定采用 CMOS EEPROM实现二进制到8421BCD码的,其电路连接简单,转换效率高,功耗低,出错率低。综上所述,B方案工作稳定性强,不易出错,所以采用B方案。具体电路和实施方案见后文“2.AD转换与解码”。AD574A的详细资料见“元器件明细”。(2)控制温度设定与温度超限行为判断部分有两种方案:A.如图2-2-5所示,通过旋动滑动变阻器获得不同的分压代表相应的的温度值
14、,分压一路通过AD转换显示设定温度,一路经过电压比较器和温度传感模块输出的Ui进行比较,输出高低电平指示信号控制报警和温控执行模块。该方式虽然简便可行,但其受外界环境干扰较大,当实际温度在控制温度附近时,有可能由于其他干扰比如滑动变阻器上的电压若有电池提供,其输出电压会随着使用时间的增加而变化,无人值守时,设定的温度会随着电池电压的减小而变化,达不到理想的温控效果,温度控温精度并不高。图2-2-5控制温度设定与温度超限行为判断方案A思路框图B.采用数字设定方式。如图2-2-6所示:通过计数器精确设定温控范围,以8421BCD码的形式保存到锁存器中,经过级联的数值比较器与EEPROM输出的代表温
15、度的8421BCD码进行比较。来判定温度是否超限,由数值比较器输出高低电平作为指示信号控制报警和温控执行电路。综上所述,B方案 温度设定简单方便,控制更加精确,工作稳定性更好。所以采用B方案。图2-2-6控制温度设定与温度超限行为判断方案B思路框图B方案的具体实施方案和具体电路图见后文“4、控制温度设定”“5、温度超限判断”部分最终确定的总体思路框图如图2-2-7:图2-2-7 最终确定总方案框图2、AD转换与解码AD转换:如图2-2-8所示电路,为提高精度,采用AD574A的12位转换模式,其与温度传感器部分的连接方法是:AGND端接,传感器部分的模拟地端,Ui接传感器的输出电压。REF I
16、N端为参考电压输入(通过调节滑动变阻器010V可调,用于校准。)当输出的二进制码为1111 1111 1111,换算为十进制数是4095,经过码制转换后,在数码显示管上即显示数字409.5。代表409.5。由于传感器部分的输出电压Ui满足,Ui=kT(T代表温度,单位:)即满足k V/所以参考电压UREF IN的取值需要满足UREF IN=k*409.5,UREF IN的可以通过图2-2-8中所示滑动变阻器R1调节。R/C端由555和少量阻容元件构成的多谐振荡器,R6=140k,R7=3k,C5=10F555的3脚为输出端,其高电平持续时间T1=0.7(R6+R7)C51s,低电平持续时间T2
17、=0.7(R7C5)21ms。输出低电平时,AD574A处于转换状态,转换时间需要约25s,T225s,所以转换器有充分的时间进行转换,保证了转换数据的准确性,满足要求。输出高电平时,在该电路中AD574A处于12位数据并行读取状态,其转换的二进制数据被传送到EEPROM中。码制的转换12位二进制数转8421BCD码:通过对电可擦写只读存储器(EEPROM)进行编码,实现二进制数码到BCD码的变换。即把4096个温度值的二进制数据位当作源码作为存储器EEPROM的地址码,把需要转换的8421BCD码作为 “目的”码写入地址对应的存储器EEPROM内部单元。使用时,当AD转换器采集到不同电压信号
18、时,把转换后的二进制码迭到EEPROM的地址位,那么与此地址相对应的输出数据就是所求的8421BCD码格式,从而完成了4096个二进制码温度值到8421BCD码的转换。该4096个温度值的数字解码器是四位数显示,所以选用有16个位线的 EEPROM,实际中,也可根据制造的成本视情况选择两片8个位线的EEPROM(如:27C32)进行位线扩展,扩展成16位。低12位A0A11接对应的AD574A的二进制输出端,高4位A12A15均接地。D0D3,D4D7,D8D11,D12D15分别输出小数位、个位、十位、百位的8421BCD码。接到译码显示模块74LS48即可把BCD码转换成七段ag显示驱动信
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