课程设计--可设置温度的保温箱设计报告

可设定温度值的保温箱

一、电路设计：

（一）、行为描述：

温度是日常生活中不可避免的话题，它关系到我们的衣食住行，关系到我们每日穿衣的多少，关系到食物的保存，关系到温室的保温，关系到各种物品的制造材料等等，因此温度测量和控制是人们绝对关心的问题。

我们设计的电路目的正是用于实际温度的测量与控制方面的。

在这个设计中，我们的目标是设计一个电路将保温箱中的温度保持在设定值。我们先设计一个显示设定温度值的电路，通过实测温度值与这个设定值的比较，再决定是否加热电热丝而最终使目标温度达到设定值。我们想把模拟电路与数字电路结合起来，通过数字电路设置温度，通过模拟电路控制电热丝的加热与否。

（二）、各部分电路设计：

根据以上对电路行为的分析，我们将整个电路分成三大块进行设计，即温度设定与显示及数模转换、温度测量电路，比较控制电路三个部分。

（1）、温度的设定与显示

这部分模块又可分为两小块进行设计：a、温度的设定与显示；b、数字量与模拟量的转换。

a、温度的设定与显示：

这部分是将设定的温度显示出来，属于数字电路设计的范畴。

根据要求需要用到计数器和数码显示管以及译码驱动，我们选用了两个集成计数器74161构成同步二进制模10递增计数器，一个显示十位的数值，一个用来显示个位的数值。因此能够设定温度的范围为0～99摄氏度。

具体方法如下：

目标是得到二进制模十计数器，按照反馈置0法，即当计数到1001时，将Qa与Qd经过与非门接到计数器的同步置0端，同时将A、B、C、D等置数端接地，在下一次时钟信号上升沿将计数器置0。

同样的方法得到两个计数器电路分别作为十位与个位温度数值的设定与显示。

具体电路如下显示：

b、D/A转换：

在这次设计由于数字信号的位数比较少，我们采用了四位权电阻与运放构成的D/A转换电路。具体电路如下：

该电路中运放为反相输入接法，反相输入端虚地，运放输入电压V o为：

V o= －Vref ×Rf (D/R5 + C/R6 + B/R7 + A/R8)

考虑到电阻间的关系，Vo为：

V o= －Vref（8D + 4C + 2B + 1A）

这样，运放输出电压恰好与四位二进制代码的大小相对应，达到了将数字量转换为模拟电压的要求。

（2）、温度测量电路：

这部分电路我们采用的是热电阻恒流电路，电路如下所示：

该电路中铂热电阻Rt采用标称值为1kohm的TRRA102B作为温度传感器（仿真电路中用电位器Rt代替）。因其阻值大，所以受接线电阻的影响较小。流经测温电阻的电流值规定为1mA。设基准电压V1＝2V。

则，流经Rt的电流为：

I＝（V1×R3/（R2＋R3））/R1=1mA

这样使温度为0时传感器的电压降为1mA×1kohm＝1V，该电压为传感器的偏置电压。铂热电阻Rt的阻值与温度的关系为：

Rt＝1000（1＋3.90802e-3×T－0.581095e-6×T×T）ohm

则，运放A1的输出电压V o1为：

Vo1＝－（3.90802e-3×T－0.581095e-6×T×T）ohm

因为运放A1的的输出电压较小，并为负电压，电路中用运放A2改变电压极性，并放大到所需的电压值。由上式可得，在0～100摄氏度温度变化范围内，Vo1有3.85mV/C的温度灵敏度，该电路要求输出10mV/C的温度灵敏度，所以A2的增益要求为10/3.850＝2.597倍。该电路中用24kohm的电阻R5和15kohm的电位器Rp2调节A2的增益，使其达到所需的大小。运放A1、A2均采用温漂较小的LM358通用运放。

这部分电路在使用前需要进行一些校准，具体过程如下：

a、接入相当于0度的1kohm的电阻，即调节Rt＝1kohm，调节Rp1使0摄氏度时输出为0V；

b、接入相当于100度的1.385kohm电阻，即调节Rt＝1.385kohm，调节Rp2至运放输出为1V；

c、反复调整多次，在0～100度全温度范围内适宜为止。

调节准确后得到的电路为灵敏度为10mv/C。

（3）、比较控制电路：

这部分电路的功能相当于一个开关，它的作用就是控制对电热丝的加热与否，以往的设计中多用三极管的开关特性完成电路的设计，在这里我们采用1A 400V晶闸管代替三极管。具体电路如下：

电路中，U1是电压比较器，R1代表的是电热丝。通过改变U1两端的电压差，而使其输出电压变化，使得晶闸管导通或截止，从而改变了电热丝R1两端的电压，需要加热时，其两端电压为220V，要求停止加热时，它两端的电压几乎为0。这里考虑到实际情况，给电热丝加热用的是市电220V交流电压。

需要说明的一点是，这一部分的电路中，运放正相输入端的输入电压代表的是与设定的温度相对应的电压值，而反相输入端的输入电压是与实测温度值相对应的电压值。

另外，该电路用到的基本电压比较器，其中的运放为＋5V单电源供电。因为该电路对转换速率要求不是很高，所以仅使用了普通运放，若实际需要，以后还可改进。

实际仿真说明，设定温度高于实测温度时，电阻丝加热；反之，不加热。

二、电路仿真：

我们使用Multisim 8软件进行电路仿真。

由以上三大部分逐一级联成最终的电路，整体仿真电路原理图见附图1。

仿真前先按照温度测量电路的要求将电路校调好。

图中，计数器显示了需要设定的温度，电压表U21表示的是与设定温度显示值相对应

的模拟电压的大小（10mV/C），电压表U23显示的数值是根据实际温度转化后的模拟电压（10mV/C），实际温度高低的调节可通过调节滑动电阻器Rt的大小代替，电压和温度的关系为近似线性关系，U12交流电压表所显示的是电热丝两端的电压，表示它是否处于加热状态。

首先设定预使电热丝到达的温度，即数码管显示的数值，然后任意改变温度值，通过电压表U23和U21的对比，可以看出实际温度和预设温度的大小关系，根据此关系可以清楚的判断出是否加热电阻丝，当U21>U23时，说明设定温度大于实际温度，此时需加热，U12显示的电压应该接近220V；当U21

在这里需要说明的一点是，由于电路中所使用的器件比较多，因此计算机仿真时运行速度比较慢，但实际不会出现这种情况；另外，由于精度的问题，必然会出现误差，譬如在显示电热丝两端电压的时候，理论上应该是加热时大小为220V，不加热时为0V，而仿真时有所偏差，毕竟任何电路都是不可避免出现误差的，并且存在一定误差的电路比较接近实际，所以并不妨碍实际电路功能的实现情况。

三、电路系统的不足：

1、设定温度显示方面为了避免一些险象，故取消了进位端的级联，虽然最终不影响电路的功能，但缺少了一些便捷；

2、该电路仅采用了两个数码管进行显示，代表十位和个位，范围仅为0～99度，但根据同样的原理可以方便地扩展温度的范围；

3、电路的精度有待提高，可以选用精度较高的运放和高精度的电阻通过精细的调节提高电路的精度。还可以通过一些电路设计方面的改进来提高精度，比如提高恒流源的精度、通过补偿电路提高铂热电阻的线性度。

四、电路板的设计：

我们设计电路板的过程可以分为三个步骤：电路原理图的设计、产生网络表、印制电路板的设计。

（一）、电路原理图的设计

电路原理图的设计主要是用Protel 99 Se所提供的原理图设计系统（Advanced Schematic）来绘制一张电路原理图。

1、绘制原理图

在工程中新建一个*.sch文件，我们把自己设计的电路绘制到该文件中即可得到一张电

路原理图。在绘制电路原理图的过程中，有些元件在元件库中找不到，比如开关S1、S2、电位器R21，我们就在元件库编辑器中绘制了该元件，步骤如下:

a、在File/New菜单中选择原理图编辑器，使用元件库绘图工具绘制所需要的元件形状;

b、在刚刚绘制的图形里需要加管脚的地方加上管脚。

完整原理图见附图2。

2、元件的封装

在绘制完原理图后需要对每个元件进行封装，元件封装是指实际元件焊接到电路板时所指示的外观和焊接位置。各元件封装方法如下：

（二）、产生网络表

网络表是电路原理图设计（Sch）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，它是电路板自动布线的灵魂。网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中提取。我们在原理图中创建网络表。

（三）、印制电路板的设计

在这个过程中，我们借助Protel 99 SE提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的布线工作。

1、在工程中新建一个*.PCB文件，在keepoutlayer层中画出电路板的大小，我们使用电路板的大小为4000mil×3000mil。在toplayer层中加载网络表，将protel 99se提示的错误全部改正后执行加载。手动调整元件至合适的位置后，使用protel 99se的自动布线功能自动布线。我们的电路板为双层布线，线宽10mil，焊盘直径30mil，安全间距10mil。

2、自动布线完成后还需要完善和调整一下，大电流接线、电源、接地线需要加宽，我们将晶闸管的接线加宽到20mil。调整后的PCB见附图3。

五、心得感受：

1、对电路中运用软件的总结和感受：

在这次的电路设计中，我们主要运用了两大软件：Multisim 8和Protell 99 se，由前述的步骤可以看出，Multisim 8主要用来调试电路及仿真，而Protell 99 se的主要用途是绘制印制电路板即制作PCB。

对于Multisim 8的运用我们比较熟悉，在以前的学习中经常使用，其连接电路比较简单，

并且数字电路和模拟电路的器件比较齐全，选择时也比较方便，适合调试较小型的电路及整个电路的仿真。在运用过程中，我们逐渐增加对这个软件的认识，又学习到很多以前没有接触过的过程和器件，比如把模拟电路的模块和数字电路的模块联系起来进行仿真，同时对比较器的运用也是一次新的尝试。在调试电路的过程中，不可避免的出现了很多问题，计数器的使用出现险象，温度电路中对代替铂热电阻的变阻器的调试，以及最后级联中用理想运放代替比较器时出现的问题等等。但是我们并没有放弃，耐心地调试每一部分电路和总体的仿真情况，无论处理方法的好坏，最终问题都解决了。这是我们集体的智慧和不懈的努力带来的，说到这里不得不提到我们在这次集体的设计过程中，不仅体现了个人的智慧，同时也很大程度地发挥了集体的力量，很好地在个人遇到问题的时候利用集体的力量解决了问题，并最后一起完成了第一部分仿真的设计。

在过去的学习过程中，我们不是很熟悉这方面的制作，通过这次设计过程，我们基本是从基础开始起步做起，学习基本的电路图的绘制以及以上各步骤中所提到的内容，在这个制作过程中，我们逐步学习完善对Protell 99 se的运用，在这个过程中，与仿真相同，很多问题的出现阻碍了我们的继续，最大的问题就是很多封装的错误以及一些管脚的处理问题。我们在面对它们时，积极和其他同学共同讨论，在大家一起努力以及老师的指导和帮助下，逐步解决了这些问题，最终得到了完成我们设计的电路功能的印制电路板的设计，并在整体布局上采用了手动布局以增加电路的可靠性，比如尽量减少实际中各部分间可能存在的相互干扰情况，以及数码管显示时的位置和各部件的整齐度（这一点主要是考虑到实际焊接电路板时的可操作性）。

2、对设计过程中学习方法的总结和感想：

设计过程其实也是一个学习的过程，整个过程培养了我们对此的学习兴趣，同时也提高了我们的学习能力，包括合作能力和自学能力等等。整个设计中，我们主要的学习方式还是参阅相关的书籍和文章，这些素材有的借自图书管，有的来源于网上，还有些是慕名购买的，这些资料对我们很重要，Protell 99 se的使用基本就是靠这些资料学会的。

其次，网络是一个学习材料的海洋，理所当然应该好好利用，我们自然不会丢下这个工具，除了以上所说的利用网络搜索有关书籍和文章，我们还在其中寻找一些常用元件库和封装库，借此来最大限度地发挥我们设计的电路的用途，尽量做到用最好的元件，最理想的器件，并对这些器件都能顺利的找到封装。

书籍资料的浏览学习和网络的搜索基本属于自学的范畴，同时，集体的讨论也是不可或缺的，正如前述所说，电路的仿真和PCB的制作中不可避免的出现了实际的问题，这些

问题并不都是常见的易解决的问题，为此我们一起讨论，并请教老师同学，这样的学习方式也取得了很好的效果，不光光是对这次电路设计的过程和结果，更重要的是对我们整个学习能力的一种提高，相信对以后的学习也是一种很好的帮助。

3、对这门课的感受：

这是一门综合模拟电路和数字电路设计的课程，它和我们以前所学的单独的数字电路和模拟电路等课程不同，主要要求我们的创新能力，实践能力以及合作能力，通过这门课的设计的完成，我们掌握了Multisim 8和Protel 99 SE的基本技能，为以后的学习打下基础。因此我们觉得这门课放在二、三年级过渡的短学期非常适合，既可以巩固以前学过的知识，也可为以后的再学习打下一定的基础。相信这门课也可以继续保持下去，成为越来越多同学学习和培养能力的平台！

附，参考书籍：

传感器技术及应用何希才主编北京航空航天大学出版社

电子技术基础康华光主编高等教育出版社

电路与数字逻辑设计实践王澄非主编东南大学出版社

计算机结构与逻辑设计黄正瑾主编高等教育出版社

Protel 99 SE应用教程

――印制电路板设计李启炎主编同济大学出版社

综合电子设计与实践黄正瑾主编东南大学出版社

附图1

附图2