電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目名稱：溫度測(cè)量與控制器班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：日期：一、設(shè)計(jì)題目溫度測(cè)量與控制器二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求溫度是表征物體冷熱程度的物理量，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)研究中，經(jīng)常需要對(duì)某一系統(tǒng)的溫度進(jìn)行測(cè)量，并能自動(dòng)地控制、調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的溫度。下面設(shè)計(jì)并制作對(duì)某一系統(tǒng)的溫度進(jìn)行測(cè)量與控制的電路。電路要求為：被測(cè)溫度和控制溫度均可數(shù)字顯示。測(cè)量溫度范圍為C0C120，精度為C0.5?？刂茰囟冗B續(xù)可調(diào)，精度為C1。溫度超過(guò)額定值時(shí)，產(chǎn)生聲、光報(bào)警信號(hào)。三、題目分析和內(nèi)容摘要題目分析：溫度測(cè)量與控制電路是在實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)廣泛的測(cè)量電路。本次設(shè)計(jì)主要運(yùn)用基本的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的知識(shí)，同時(shí)綜合溫度傳感器的相關(guān)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量與控制電路的設(shè)計(jì)。內(nèi)容摘要：本次設(shè)計(jì)以數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)為主：用電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制裝置，采用555構(gòu)成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警裝置，用內(nèi)置譯碼器的四輸入數(shù)碼管譯碼顯示溫度，A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用集成芯片完成。同時(shí)運(yùn)用到模擬電子技術(shù)中的濾波放大電路的相關(guān)知識(shí)：在A/D轉(zhuǎn)換前置低通濾波器，來(lái)濾除干擾信號(hào)，應(yīng)用放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度與元器件工作范圍的匹配。綜合傳感器知識(shí)，設(shè)計(jì)決定采用熱敏電阻構(gòu)成的橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量與轉(zhuǎn)換。四、整體構(gòu)思和方案選擇方案選擇：方案一：由555定時(shí)器組成多諧振蕩電路，時(shí)鐘電路產(chǎn)生100ms頻率時(shí)鐘，現(xiàn)在就變成了每100ms計(jì)數(shù)器內(nèi)所計(jì)的數(shù)再經(jīng)分頻來(lái)作為溫度。每100ms到來(lái)時(shí)，對(duì)鎖存器電路鎖存，鎖存以后才能對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零。方案二：系統(tǒng)框圖如圖1所示，溫度傳感器測(cè)量溫度，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后經(jīng)過(guò)濾波消除干擾信號(hào)，放大電路將所測(cè)信號(hào)幅度與后續(xù)電路的工作范圍做一匹配，所得有用信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換專職轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。此數(shù)字信號(hào)有三條路徑：一、進(jìn)入超限報(bào)警裝置與所設(shè)定的溫度范圍進(jìn)行比較，若超限則發(fā)出聲光報(bào)警；二、經(jīng)過(guò)碼制轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)碼管顯示當(dāng)前所測(cè)溫度；三、進(jìn)入數(shù)字比較器與輸入的控制溫度進(jìn)行比較，產(chǎn)生溫度控制機(jī)構(gòu)的工作信號(hào)，同時(shí)顯示輸入的控制溫度。此系統(tǒng)可以對(duì)被測(cè)體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，并進(jìn)行有效控制，總體上實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量與控制。圖1方案三：系統(tǒng)框圖如圖2所示，溫度傳感器用來(lái)測(cè)量被測(cè)體的實(shí)時(shí)溫度并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大電路，成為有用信號(hào)分兩路進(jìn)入后續(xù)電路：一路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)顯示；電壓信號(hào)的另一路進(jìn)入電壓比較器，與輸入控制溫度電壓信號(hào)進(jìn)行比較，比較結(jié)果信號(hào)將驅(qū)動(dòng)溫度控制裝置工作，對(duì)被測(cè)體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，電壓比較器的比較結(jié)果將決定是否發(fā)出聲光報(bào)警。此方案是將測(cè)量溫度與輸入控制溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)了溫度的控制。圖2方案選擇：方案一：將熱電阻由溫度的變化通過(guò)555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器完成V/F變換。利用分頻實(shí)現(xiàn)控制溫度與頻率的對(duì)應(yīng)，整個(gè)電路中以頻率為參數(shù)參與溫度的控制過(guò)程。由于其中計(jì)數(shù)器、分頻器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等功能設(shè)計(jì)困難，故舍棄。方案二：將所有的信號(hào)都轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)處理，克服了模擬信號(hào)易受干擾的缺點(diǎn)。而且系統(tǒng)的主要處理部件均采用數(shù)字式的元器件，從而使信號(hào)的模式與之匹配，對(duì)于信號(hào)處理的精度就有了保證。但是由于其上、下限溫度限定電路復(fù)雜，故舍棄。方案三：符合要求中控制溫度與測(cè)量溫度的要求?？刂齐娐分幸阅M信號(hào)為主，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確。綜上所述，考慮到三個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇方案三作為我們此次溫度測(cè)量與控制電路的設(shè)計(jì)方案。整體構(gòu)思：總體設(shè)計(jì)框圖如下圖3所示，從溫度的采集到與設(shè)定溫度的比較，再到控制過(guò)程都是模擬信號(hào)，在顯示電路中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)顯示。主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、控制電路（溫控電路）、聲光報(bào)警器、轉(zhuǎn)碼電路、顯示電路、加熱電路。圖3五、具體實(shí)現(xiàn)和各部分定性說(shuō)明及定量計(jì)算下面就整體構(gòu)思中提及的八大模塊，依次進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。包括：工作原理、原理圖、元器件的選擇、參數(shù)計(jì)算。最后附上元件的清單表。各模塊設(shè)計(jì)：1、溫度傳感器：a)鉑測(cè)溫金屬：金屬具有隨著溫度的升高電阻值增大的特性，電阻率與溫度的具體關(guān)系為：=0（1+t），其中0為零度時(shí)導(dǎo)體的電阻率，為導(dǎo)體的溫度系數(shù)。利用金屬的這一特性，我們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)金屬電阻的變化實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。制作測(cè)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%，是最佳的測(cè)溫材料。常見(jiàn)鉑測(cè)溫電阻的標(biāo)稱電阻值為100，溫度系數(shù)是385010-6/。標(biāo)稱值的誤差影響偏置，而溫度系數(shù)的誤差影響增益。溫度跨度越大誤差也越大。標(biāo)稱值的誤差可用一點(diǎn)調(diào)整，而溫度系數(shù)的誤差要由間隔溫度的兩點(diǎn)調(diào)整。當(dāng)要求很細(xì)微的調(diào)整溫度時(shí)，要選用溫度系數(shù)一致的傳感器。b)測(cè)溫基本電路:電路的輸出:Eout=R1RVIN/(R1+R0+R)(R1+R0)由于分母中有R項(xiàng)的存在，在恒定條件下工作除了傳感器的非線性誤差外，還有恒壓電路產(chǎn)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。線性校正電路:恒壓工作時(shí)，在傳感器自身的非線性誤差上還有一個(gè)由恒壓工作帶來(lái)的非線性誤差，不進(jìn)行校正就無(wú)法實(shí)現(xiàn)該精度測(cè)量。校正的方法采用正反饋線性校正。如圖4，在電路中，把運(yùn)算放大器A2的輸入反饋到輸入端Vin，反饋量由R3、VR3、R4決定，而且是串聯(lián)加到Vin。這樣Vout大，對(duì)傳感器所加的電壓VB也大，結(jié)果使得Vout變小，實(shí)現(xiàn)了線性校正。圖42、A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換部分有兩種方案：方案一：利用集成芯片AD574，再結(jié)合兩片74LS283（4位二進(jìn)制超前進(jìn)位全加器）構(gòu)成。該方案工作原理是先將模擬量轉(zhuǎn)換成9位二進(jìn)制數(shù)，再將最低一位和前八位相加這樣就可以將測(cè)量精度提高到0.5.方案二：利用電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，此種方案要求的比較器個(gè)數(shù)較多，不符合節(jié)約型社會(huì)的要求，而且電路復(fù)雜，較難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。綜合考慮，選擇方案一，即AD574來(lái)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)原理圖如下圖5所示：濾波放大信號(hào)的輸出作為A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入，進(jìn)入引腳20VIN，引腳D0D9作為數(shù)字信號(hào)輸出，當(dāng)電路圖如此連接后就可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，當(dāng)經(jīng)過(guò)濾波放大的電壓信號(hào)輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換就可以輸出9位二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。將這9位數(shù)字信