电子技术课程设计

《电子技术》课程设计报告。

题目温度测量与控制电路

学院（部）

专业班级。

学生姓名。学号。

7 月 6 日至 7 月 10 日共 1 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各个方面，特别是在工业生产中，温度自动控制已经成为一项相当成熟的技术。本次课程设计给我们创造了良好的学习机会：

一是通过课外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与检测技术的相关知识综合运用；二是系统了解工业中温度检测与控制的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。

在确定课设题目，组员们经仔细分析问题后，实现温度测量与控制的方法很多，大致可以分为两大类型，一是以单片机为主的软硬件结合方式，二是用简单芯片构成实际电路。由于课程要求，我们选定用后者实现。总的电路结构设计分为三部分：

负责温度传感部分，负责温度显示和温度范围控制部分，负责温度控制执行和声光报警部分。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、281024 cmos eeprom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**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。2024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温度测量与控制电路。

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。

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。

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。

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。

原理：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。

排除理由：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。

原理：利用了硅晶体的基极和发射级之间的负温度系数。

排除理由：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。

原理：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。

排除理由：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

排除理由：测温范围不能达到设计要求。

6）热电偶测温（k型热电偶）

原理：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。

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，所以要尽可能少的使用电阻。lt1025的1,6,7,8端口能分别直接提供60.9uv/℃，6 uv/℃,40.

6 uv/℃,51.7 uv/℃。相差60.

9 uv/℃，非常小的误差，完全可以忽略，这样电路就变得简单，而且排除了温度对电阻不利影响。由于决定最后的输出因素非常多，所以要进行校准，即利用已有的数据进行调整，通过对实验中的滑动变阻器的调整，达到校准的目的，如果还有很大的偏差，则对电阻进行更换。整个补偿电路中的导线，尽量不要使用随温度变化太大的材料，不然会对冷接点补偿造成影响，而且也要控制导线的长度，并用绝热性强的材料来包装导线，尽量减少金属自身的热电势的产生。

利用温度传感器时，会产生一定的噪声干扰，所以要进行滤波。

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