1、模擬電子技術課程設計報告課 程 名 稱 模擬電子技術基礎 設 計 題 目 溫度監測及控制電路 所學專業名稱 電子信息工程 班 級 電類101 學 號 2010200007 學 生 姓 名 mrs qi 指 導 教 師 linlaoshi 2012年1月4日題目：溫度測量與控制電路20096534 劉駿【摘要】 溫度測量與控制電路是在實際應用中相當廣泛的測量電路。本次設計主要運用基本的模擬電子技術和數字電子技術的知識，同時綜合溫度傳感器的相關應用，從基本的單元電路出發，實現了溫度測量與控制電路的設計。總體設計中的主要思想：一是達到技術要求；二是盡量應用所學知識；三是設計力求簡單可靠。在這個思想下

2、本次設計以數字電子技術的基礎知識為主，如應用電壓比較器74LS324來實現溫度控制裝置，聲光報警裝置采用555構成的多諧振蕩器實現，譯碼顯示部分應用有內置譯碼器的四輸入數碼管完成，而8位二進制數到8421BCD碼的轉換由74185來實現，A/D轉換應用集成芯片AD574完成，同時運用到模擬電子技術中的濾波放大電路的相關知識，如 A/D轉換前置低通濾波器，來濾除干擾信號，應用放大電路來實現信號幅度與元器件工作范圍的匹配，溫度傳感器的應用也成了本次設計的重點，綜合傳感器知識后，此次設計決定采用熱敏電阻構成的橋式電路來實現溫度的測量與轉換。本次設計的主要設計內容如上所述。在本次設計中用到了兩個集成芯

3、片：一是AD574，來完成9位A/D轉換，二是用74185來實現8位二進制數到8421BCD碼的轉換。關于這兩個集成芯片將在元器件表中作進一步介紹。【關鍵詞】：溫度傳感器 電壓比較器 A/D轉換 控制溫度 聲光報警 譯碼顯示目錄1. 設計目的42. 設計要求43. 設計方案及原理框圖54. 單元電路設計及主要元器件參數計算55. 電路圖146. 設計總結157. 參考文獻158. 附錄元器件明細16一、 設計目的利用已學的模電數電知識和通過圖書館、網絡搜索資料，提出方案實現測量溫度與控制，并分析和設計電路。進一步熟悉模擬和數字設計方法和規范，并進一步鞏固所學模擬電子及相關知識，達到綜合應用電子

4、技術的目的，培養設計開發以及動手實踐等能力，學會閱讀相關科技文獻，查找器件手冊與相關參數，獨立思考分析，完整理總結設計報告。了解溫度傳感器件的功能，學會在實際電路中應用。進一步熟悉集成運算放大器的線性和非線性應用。了解檢測溫度的傳感器種類不同，采用的測量電路和要求不同，執行器、開關等的控制方式也不同。運用電子技術來實現溫度測量和控制任務，完成溫度測量和控制電路的連接和調試。學會對電子電路的檢測和排除電路故障，進一步熟悉常用電子儀器的使用，提高分析問題和解決問題的能力。二、 設計要求1、設計溫度測量與控制電路；2、測量溫度范圍為00C1500C，精度0.50C；3、控制溫度連續可調；4、被測溫度

5、超過被控范圍時，系統發出聲光報警信號；三、 設計方案及原理框圖設計方案：系統方框圖如圖1所示，溫度傳感器用來測量被測體的實時溫度并轉換成電壓信號，該電壓信號經過濾波放大電路，成為有用信號分兩路進入后續電路：一路進入A/D轉換電路將其轉換成數字信號顯示；電壓信號的另一路進入電壓比較器，與輸入控制溫度電壓信號進行比較，比較結果信號將驅動溫度控制裝置工作，對被測體的溫度進行實時控制，電壓比較器的比較結果將決定是否發出聲光報警。此方案是將測量溫度與輸入控制溫度轉換成電壓信號進行比較，從而實現了溫度的控制。溫度控制裝置顯示輸入控制溫度聲光報警裝置電壓比較器顯示A/D轉換溫度傳感器濾波放大器圖1此方案符合

6、要求中控制溫度與測量溫度均可顯示，利用單刀雙擲開關經濟有效的解決了這一問題。控制電路中以模擬信號為主，實現起來簡單且準確。四、 單元電路設計及主要元器件參數計算一、總體設計圖2系統方案原理框圖中，從溫度的采集到與設定溫度的比較，再到控制過程都是模擬信號，在顯示電路中，將模擬信號轉換成數字信號。下面就各模塊簡要分析。二、各模塊設計1、溫度傳感器：鉑測溫電阻金屬具有隨著溫度的升高電阻值增大的特性，其溫度系數一般問（30007000）*0.000001/10-6。利用金屬的這一特性，我們可以通過監測金屬電阻的變化實現溫度測量。制作測溫電阻的材料除了鉑以外還可以是銅活鎳等，而鉑的純度大于99.999%

7、，是最佳的測溫材料。大多數金屬電阻當溫度上升時，其電阻增大，電阻率溫度系數一般為0.4%0.6%，電阻與溫度的關系一般可以表示為 R t=R to 1+（t-t0） 式中，R t為t時的電阻值；R to為溫度為0時的電阻值；為電阻率溫度系數。一般金屬材料的電阻與溫度關系為非線性的，故電阻率溫度系數也隨溫度而變化。做溫度測量的金屬電阻要具有一定的靈敏度、溫度測量范圍、重復性、穩定性和線性，因此，用作測量溫度的金屬材料必須滿足一下條件。電阻溫度系數大。其定義為：溫度變化1時的電阻的相對變化值。電阻溫度系數越大，測量靈敏度越高。電阻率大。電阻率大可使電阻體積做得小些，減小熱慣性。在測溫范圍內，物理、

8、化學性質穩定。電阻與溫度的關系要接近線性，以便于分度和讀數。重復性好、復制性強，便于批量生產和互換。價格便宜。常見鉑測溫電阻的標稱電阻值為100，溫度系數是3850×10-6/。標稱值的誤差影響偏置，而溫度系數的誤差影響增益。溫度跨度越大誤差也越大。標稱值的誤差可用一點調整，而溫度系數的誤差要由間隔溫度的兩點調整。當要求很細微的調整溫度時，要選用溫度系數一致的傳感器。2、測溫基本電路：（1）鉑測溫電阻的基本電路圖3電路的輸出 E out=R1· R· VIN /(R1 +R0 +R)(R1 +R0 )由于分母中有R項的存在，在恒定條件下工作除了傳感器的非線性誤差外

9、，還有恒壓電路產生的誤差，使得誤差變得更大。為此在恒壓下工作必須要有線性校正電路。（2）輸出電壓 由上式可知，在恒壓條件工作時，輸出電壓依賴于R1 和Vin。當R1 =22K，V in=10V時，在（0100）范圍為10575mV/，為了得到10mV/的輸出，運放放大器的增益應為6.349倍。（3）線性校正電路 圖4電路在（0500）范圍最大會有4%的誤差。可見恒壓工作的非線性要比恒流工作的非線性誤差大。恒壓工作時，在傳感器自身的非線性誤差上還有一個由恒壓工作帶來的非線性誤差，不進行校正就無法實現該精度測量。校正的方法采用正反饋線性校正。如圖，在電路中，把運算放大器A 2 的輸入反饋到輸入端V

10、 in ，反饋量由R 3、VR 3 、R 4 決定，而且是串聯加到V in 。這樣V out 大，對傳感器所加的電壓V B 也大，結果使得V out 變小，實現了線性校正。圖43、聲光報警電路：該報警裝置如圖5所示，主要構成器件為555集成芯片。它組成的多諧振蕩器再加上發光器件和揚聲器，就構成了此聲光報警器，當前置電路產生的邏輯信號為高電平時，則該聲光報警裝置工作，發出聲光報警。當然聲光報警裝置可以有多種構成方式，對于其發出聲音的頻率，持續的時間都可以精確設計。此處聲音的頻率為： F=1.44/(R1+2R2)C2=9.6KHZ每一次發聲持續的時間為： T=(R1+R2)CLn21×

11、10-4s圖64、A/D轉換器：A/D轉換部分利用集成芯片AD574，再結合兩片74LS283構成。該方案工作原理是先將模擬量轉換成9位二進制數，再將最低一位和前八位相加這樣就可以將測量精度提高到±0.5.圖7如圖7所示，用集成芯片AD574構成的9位A/D轉換電路。對于AD574這個芯片將在后續的元器件表中詳細說明，先就圖7的工作情況做以下論述：濾波放大信號的輸出作為A/D轉換的模擬量輸入，進入引腳20VIN，引腳D0D9作為數字信號輸出，當電路圖如此連接后就可以實現模數轉換功能，當經過濾波放大的電壓信號輸入時，經過轉換就可以輸出9位二進制的數字信號。將這9位數字信號的高8位與最低

12、一位相加，從而將轉換精度提高。關于AD574的詳細介紹見備注部分。圖85、電壓比較器LM324是四運放集成電路，它采用14管腳雙列直插塑料（陶瓷）封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖9。圖9 LM324功能引腳

13、圖圖10 LM324集成電路內部電路圖 1/46、8位二進制8421BCD碼轉換電路：本次設計中，當電壓信號經過A/D轉換后變成了8位二進制的數字信號，而后續電路需要的是8421BCD碼，所以需要進行碼制轉換。我們選用集成芯片74185來實現這個功能。具體電路見圖11集成芯片74185的介紹備注部分。圖117、控制電路：由于通過溫度傳感器測得溫度后，將溫度值轉化為電壓值，因此，利用電壓值之間的大小關系就可以控制溫度的大小。我們調節溫度是將其轉化為電壓的形式，通過改變電壓值來實現控制溫度與被測溫度的比較。所以，就要求控制溫度電路中，其溫度-電壓之間的關系與測量電路中的一致。并且，我們利用LM32

14、4電壓比較器來完成控制電路的核心控制，由于比較器最小輸入電壓差為40mV，而溫度測量中輸出電壓精度在5mV，因此需要加大電阻以提高電壓值，以實現兩個電壓的正常比較。控制電路圖如圖12：圖12溫度控制選擇可通過電位器W2來實現通過調節W2可使其中間頭的電壓在01.65V之間的范圍內變換，對應的控制溫度范圍為0165，完全可以滿足一般的加熱需要。將開關K打在2的位置，電位器W2中間頭的電壓經過電壓跟隨器A后送到數顯表頭輸入端來顯示控制溫度數值調節電位器W2，數顯表頭所顯示的數值隨之變化，所顯示的溫度數值即為控制溫度值電位器W1為預控溫度調節，其電壓調節范圍為00.27V，對應可調節溫度范圍為027

15、此電位器調整后，其中間頭的電壓與電位器W2中間頭的電壓分別送入比較放大器B(放大倍數為1）的反相及同相輸入端，B輸出端的電壓為二輸入電壓之差此電壓對應兩個設定的溫度值之差例如將W1調至0.10V，對應溫度10；將W調至O.80V，對應溫度80B的輸出電壓為0.70V，表示溫度70此電壓與集成溫度傳感器輸出的電壓送到電壓比較器C中進行電壓比較當溫度傳感器輸出的電壓小于B的輸出電壓時，C輸出高電平。當溫度傳感器輸出的電壓大于B的輸出電壓而小于A的輸出電壓時，表明實際溫度已接近控制溫度，C輸出低電平，電壓比較器D輸出高電平。當實際溫度上升到80以上時，溫度傳感器的輸出電壓大于0.80V，電壓比較器D

16、輸出低電平。使用中的注意事項：1.電位器W1、W2使用普通有機實芯電位器即可，電位器W2可以使用多圈帶指示精密電位器，并安裝在面板上以分別調節；2.W1的調節要根據實際加熱情況來適當選擇。8、電熱電路：圖13當溫度傳感器輸出的電壓小于B的輸出電壓時，C輸出高電平，可控硅T1因獲得偏流一直導通，交流220V直接加在電熱元件兩端，進行大功率快速加熱當溫度傳感器輸出的電壓大于B的輸出電壓而小于A的輸出電壓時，表明實際溫度已接近控制溫度，C輸出低電平，可控硅T1因無偏流處于截止狀態，電壓比較器D輸出高電平，可控硅T2仍處于導通狀態，交流220V需要通過二極管D2加在電熱元件兩端，進行小功率慢速加熱(此

17、時的加熱功率僅為原來的25%)當實際溫度上升到80以上時，溫度傳感器的輸出電壓大于0.80V，電壓比較器D輸出低電平，可控硅T2也截止，電熱元件斷電由于此時加熱功率較小，加上散熱作用，溫度不會大幅度上升,其實際溫度在控制溫度左右一個很小范圍內波動，這樣就實現了溫度的較高精度的自動控制。使用中的注意事項：1可控硅T1、T2選擇耐壓220V，電流大于實際工作電流的雙向可控硅，并在使用中加散熱片散熱，以防過熱損壞；2、D2的電流大于實際工作的電流的一半即可，并另加散熱裝置；3可控硅一端與控制電路的地線相聯，因此整個電路帶有交流市電，安裝使用時應注意采取隔離絕緣措施，以防觸電。9、顯示電路：如圖15所

18、示，即為控制溫度的顯示電路，這里數碼管選用七輸入數碼管，即七段顯示數碼管，這種數碼管有共陰極和共陽極之分。應用此種數碼管時，必須前置譯碼電路，即7448七段數碼顯示譯碼器，其與數碼管的連接見圖15。圖16五、 電路圖溫度測量與控制電路總電路圖如下圖17圖17六、設計總結：本次溫度測量與控制電路的設計主要內容如上所述，在此次設計中運用到的知識大多數為課本所學，對于諸如單片機等其他知識尚未涉及到，因此設計中難免有缺點和漏洞，真誠希望老師指導，以求改進。本次設計中有兩大難點：一是12位的A/D轉換電路，在這一部分的設計中我們查閱了大量資料，最后決定用AD574再結合兩片四位加法器74LS283構成，

19、這樣以來不僅實現對于模擬信號的數字轉換，同時也解決了精度的要求，二是如何將8位二進制數轉換成8421BCD碼的問題，經過查閱資料并研究決定用二進制/BCD碼轉換器74185來完成這個功能，具體電路圖如上所述。在本次設計中，技術要求中提到輸入溫度連續可調，在老師的指導下，我們采取的方法是將控制溫度以電信號直接輸入，參與電路中的信號處理。以上即是對本次設計中的主要問題的討論與解決方案，敬請老師給予指正，以求得更好的解決方法。七、參考文獻：1 高峰. 單片微型計算機原理與接口技術科學出版社，20072 程德福 王君 凌振寶 王言章傳感器原理與應用 機械工業出版社 20083 荀殿棟 徐志軍數字電路設

20、計手冊 電子工業出版社 20034 從宏壽 程衛群 李紹鉊Multisim8仿真與應用實例開發 清華大學出版社 2007 5 姚福安電子線路 設計與實踐 華中電子科技大學出版社 20016 戴伏生基礎電子電路設計與實踐 國防工業出版社 20047 陳大欽模擬電子技術基礎 機械工業出版社 2006 8 James Bignell Robert Donovan數字電子技術 科學出版社 2005 附錄元器件明細：序號元器件型號名稱元件功能數量1AD57412位AD轉換器1274185二進制8421bcd碼轉換器33555定時器147488七段顯示譯碼器3574LS32兩輸入或門16VCC或VEE直流

21、穩壓源表18備注：對于上述表格中的元器件AD574、74185及熱敏電阻做以下介紹（其他元器件均比較熟悉，在此不做詳細說明）：1.AD574A：是美國模擬數字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其主要功能特性如下： 分辨率：12 位非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS 轉換速率：25us 模擬電壓輸入范圍：010V和020V，0±5V和0±10V兩檔四種 電源

22、電壓：±15V和5V 數據輸出格式：12位/8位 芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式片內自備時鐘基準源， 變換時間快(25 s)，數字量輸出具有三態緩沖器，可直接與微機的總線接El，又可直接采用雙極性模擬 信號輸入，有著廣泛的應用場合，供電電源為±1 5 V，邏輯電源為+5 V 1.AD574的電路組成AD574的原理框圖如圖19所示。AD574由模擬芯片和數字芯片兩部分組成。圖192AD574的引腳功能說明AD574各個型號都采用28引腳雙列直插式封裝，引腳圖如圖20所示圖20CS ：片選，低有效CE ：片允許，高有效8031的WR和RD相與非后接CE，以確保AD5

23、74A在被啟動變換或讀出變換結果的操作時，CE有效 RC ：讀變換，高為讀AD變換結果，低為啟動AD變換 128 ：數據格式，高為12位并行輸出，低為8位(或4位)并行輸出本設計令其接地 A0 ：字節地址短周期，高為8位變換輸出低4位，低為12位變換輸出高8位 STS ：變換狀態，高為正在變換，低為變換結束STS總共有三種接法：(1)空著：只能在啟動變換 25 s以后讀AD結果；(2)接靜態端口線：可用查詢方法，待STS為低后再讀AD變換 結果；(3)接外部中斷線：可引起中斷后，讀AD變換結果本設計夸其接P1o REFIN ：基準輸入 REFOUT ：基準輸出 BIP OFF ：雙極性方式時，

24、偏置電壓輸入端 DBIIDB0：12位數據總線 10VSPAN ：單極性010 V模擬量輸入；雙極性0 ±5 V模擬量輸入 20VSPAN ：單極性020 V模擬量輸入；雙極性0 ±10 V模擬量輸入AD574的真值表如表1所示表21AD574單極性輸入電路如圖22圖22AD574雙極性輸入電路如圖23圖232.74185：該芯片是專門的二進制BCD碼轉換器，74185的功能表見表25.雖然它只有五個二進制數輸入端，但因二進制數變換為BCD碼時最低位不需要變換，所以只需附加直通輸出線即可實現二進制數到BCD碼的變換。74185的管腳圖見圖24其Y7、Y8兩個輸出在任何情況下均為高電平，屬于兩個無用的輸出，故在圖中未畫出來。圖2474185應用于6位二進制輸轉換成8421BCD碼的電路如圖25所示：圖2574185功能表 N10二進制數輸入使能輸出E D C B AGY8 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y10-10 0 0 0 0 01 1 0 0 0 0 0 02-30 0 0 0 1 01 1 0 0 0 0 0 14-50 0 0 1 001 1 0 0 0 0 1 06-70 0 0 1 101 1 0 0 0 0 1 18-90 0 1 0 001 1 0 0 0 1 0 010-110 0 1 0 1