温度测量与控制电路课程设计

目录

题目 (1)

摘要 (1)

关键词 (1)

设计要求 (1)

第一章系统概述和总体方案论证与选择 (1)

第二章单元电路设计 (3)

2.1 温度传感模块 (3)

2.2 数字显示与温度范围控制模块 (6)

2.2.1 方案的论证与选择 (6)

2.2.2 AD转换与解码 (8)

2.2.3 译码显示 (12)

2.2.4 控制温度设定 (14)

2.2.5 温度超限判断 (16)

2.3 声光报警与温度控制执行模块 (18)

2.3.1 声光报警 (18)

\2.3.2 温度执行 (18)

2.4 总体电路图 (18)

2.5 方案的优点与缺点以及改进 (19)

第三章参考文献 (21)

第四章元器件明细表 (23)

第五章收获与体会 (24)

【题目】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及其基本的温度传感器知识，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。温度传感选用高精度摄氏温度传感器LM35进行数据采集，通过UA741芯片构成同相比例器实现放大。AD转换部分使用集成芯片AD5740；二进制到8421BCD码的转换用EEPROM 281024实现；显示译码部分用4511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。温度控制执行部分采用继电器控制的加热制冷装置来实现。此模块的存在，提高了该系统在工业上的实用性。

【关键词】温度测量、A/D转换、温度控制、声光报警、译码显示、555定时器

【技术要求】

1. 测量温度范围00C～1200C，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；精度±0.1;

4. 温度超过设定值时，产生声光报警。

第一章系统概述和总体方案论证与选择

在本系统的总体设计中，有以下两种思路：

方案A

如图1-1-1所示，温度传感器模块将温度线性地转变为电压信号，经过放大电路，一路输入给A/D 转换电路，经过译码进行数字显示，另一路与滑变分压电路相连，由此设定控制温度上下限，经过电压比较器，输出高低电平指示信号，由此控制温度控制执行模块和声光报警部分。此电路最基本的特点就

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是电路结构简单，实现比较容易。

图1-1-1 总体设计方案A框图

方案B

如图1-1-2所示，温度传感器模块将温度线性地转变为电压信号，经过放大电路，一路输入给A/D 转换电路，经过译码进行数字显示,另一路与数字比较器相连，由此设定控制温度上下限，经过数字比较器，输出指示信号，由此控制温度控制执行模块和声光报警部分。温度传感模块和A/D转换模块，译码显示模块，温控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，该方案易受外界干扰如使用环境温度等因素，另外由于滑变设定温度不易精确调节，误差较大。方案B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1-1-2 总体设计方案B框图

比较以上两种方案，方案A电路简单，误差较大；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，我们选择方案B进行系统设计。

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第二章单元电路设计

2.1 温度传感模块

温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等。

方案一：采用二极管做温度传感器

晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。测温范围为-50—+150℃。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。

方案二：用可编程器件DS18B20做温度传感器

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：

①只要求一个端口即可实现通信。

②在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。

③实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

④测量温度范围在0℃到＋120℃之间。

⑤数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。

⑥内部有温度上、下限告警设置。

但是18B20需要单片机软件控制，与本次设计要求不符。

方案三：用LM35做温度传感器

LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。

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LM35集成温度传感器是利用一个热电偶检测相应的温度，热电偶是将两种不同材料的导体或半导体A 和B 焊接起来，构成一个闭合回路，如下图2-1-1所示。当导体A 和B 的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应工作的。

图2-1-1 热电效应原理图

LM35温度传感器其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0℃时输出为0V ，每升高1℃，输出电压增加

10mV 。转换公式如下：_3510()out LM mV V T T C C

=

?

LM35温度传感器线性度好，电路简单。考虑到各种传感器的特点、工作温度以及精度，结合本次设计要求的考虑，决定采用方案三，选用高精度摄氏温度传感器LM35。

LM35温度传感器电源供应模式有单电源与正负双电源两种。其接脚图如下2-1-2（a ）、（b ）所示。

单电源提供正温度的测量，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测。在静止温度中自低热效应

(0.08℃)，单电源模式在25°C 下静止电流约50μA ，工作电压较宽，可在4—20V 的供电电压范围内正常工作非常省电。其电流温度特性曲线如下图2-1-3所示。

图2-1-3 电流温度特性曲线

图2-1-2（a ）单电源模式

图2-1-2（b ）双电源模式

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考虑到本课题的要求，我们选用单电源模式，其电路图如下2-1-4所示。

图2-1-4 温度传感模块电路图

温度传感器LM35单端接电源，经过同相比例器放大输出。根据所选AD 转换器的芯片参数，放大倍数选择为3。其具体参数计算如下：

322011310uf R K A R K

=+

=+= 选择适当的电阻值可以有不同的放大倍数，着有效的增加了此模块移植性。 为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

① 组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； ② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； ③ 补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；

④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

2.2数字显示与温度范围控制模块

2.2.1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转换部分

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281024 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，该方案工作稳定性强，不易出错，所以采用该方案。具体电路和实施方案以及AD574A

的详细资料见后文“2.AD转换与解码”。

（2）控制温度设定与温度超限判断部分有两种方案：

方案一：

如图2-2-1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，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，特别是当实际温度在控制温度附近时，有可能由于其它干扰达不到理想的温控效果，温度控温精度并不高。

图2-2-1 控制温度设定与温度超限判断方案一框图

方案二：

利用计数器和锁存器精确设定温控范围。如图2-2-2所示：通过计数器，把设定温度以8421BCD码

的形式保存到锁存器中，经过级联的数值比较器与EEPROM输出的代表温度的8421BCD码进行比较。来判

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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。

图2-2-2 控制温度设定与温度超限判断方案二框图

综上所述，方案二温度设定简单方便，控制更加精确，工作稳定性更好。所以采用此方案。由此可以画出此系统的具体框图如下图2-2-3所示。

c

图2-2-3 系统完整框图

2.2.2 AD转换与解码

1)、AD转换：

A/D转换器的功能是在规定时间内把模拟信号在时刻t的幅度值（电压值）转换为一个相应的数字量。由于A/D转换器输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号是离散的。所以只能在一系列选定的瞬间进行A/D转换，这样既要求对输入的模拟信号先进行采样，然后再把这些采样值转换为二进制数字进行输出。因此，一般的A/D转换过程需要经过采样、保持、量化和编码这四个步骤来完成。

采样就是把一个在时间上连续的信号变换为在时间上的离散的信号。因为每次把采样得到的电压值转换为二进制数字都需要经过一段的时间T，所以在时间T中要保持采样值的不变，及要求利用保持电路对采样值经行储存。数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅度上也是离散的。为了将电压信号转换为数字信号，在A/D转换过程中，还必须将采样后获得的输出电压按照某种近似方式规划到与之相应的离散电平上。这一过程成为数值量化。量化后的数值经过编码后就可得到相应的数字信号。

如图2-2-4所示电路，为了保证温度的精度（0.5度），本设计采用AD574的12位转换模式。

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图2-2-4 系统完整框图

AD574 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，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D 转换器，其主要功能特性如下：分辨率为12 位。非线性误差为小于±1/2LBS 或±1LBS。转换速率为25us 。模拟电压输入范围为0~10V 和0~20V，0~±5V 和0~±10V四种输入。电源电压为±15V 和 5V。数据输出格式为12 位二进制代码。芯片工作模式为全速工作模式和单一工作模式。

图2-2-5 AD574A引脚图

AD574A 的引脚说明：

[1]. Pin1(V Logic)——逻辑电源+5V电源输入端。

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[2]. Pin2(12／8 )——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。

[3]. Pin3(CS )——片选端，低有效。

[4]. Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与12/8端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。

[5]. Pin5( R/C)——读转换数据控制端。

[6]. Pin6(CE)——使能端，高有效。

[7]. Pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。

[8]. Pin8(REF OUT)——10V 基准电源电压输出端。

[9]. Pin9(AGND)——模拟地端。

[10]. Pin10(REF IN)——基准电源电压输入端。

[11]. Pin11(V-)——负电源输入端，输入-15V 电源。

[12]. Pin12(BIP OFF)——单极性输入时BIP OFF接模拟公共地，双极性时BIP OFF接对应的-5V、-10V

[13]. Pin13(10V IN)——单极性0～10 V模拟量输入；双极性0～±5 V模拟量输入。

[14]. Pin14(20V IN)——单极性0～20 V模拟量输入；双极性0～±10 V模拟量输入. 。

[15]. Pin15(DGND)——数字地端。

[16]. Pin16-Pin27(DB0-DB11)——12 条数据总线，通过这 12 条数据总线向外输出A/D转换数据。

[17]. Pin28(STS)——工作状态指示信号端，当 STS=1 时，表示转换器正处于转换状态，当 STS=0 时，声明A/D 转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。

其与温度传感器部分的连接方法是：AGND端与传感器部分的模拟地端相连接，模数转换器的in端连接传感器的输出电压。REF IN，REF OUT端为参考电压输入（通过调节滑动变阻器0~10V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5100，经过码制转换后，在数码显示管上即显示数字510.0。代表510.0℃。

由于传感器部分的输出电压Uo满足，Uo=kT （T代表温度，单位：℃，K=10 V/℃）即满足Uo=10T所以参考电压UREF IN的取值需要满足UREF IN=k*510，UREF IN的可以通过图2-2-4中所示滑动变阻器R1调节。ADC的CLK端与555和少量阻容元件构成的多谐振荡器相连接，R6=140kΩ，R7=3kΩ，C5=10μF555的3脚为输出端，其高电平持续时间T1=70. (R6+R7)C5≈1s，低电平持续时间T2=0.7(R7C5)≈21ms。输出低电平时，AD5740处于转换状态，转换时间需要约25μs，T2>>25μs，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AD5740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。

2)、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）281024进行编码，实现二进制数码到BCD码的变换。即把1450

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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1450个二进制码温度值到8421BCD码的转换。该1450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281024 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A0~A11接对应的AD5740的二进制输出端，高4位A12~A15均接地。D0~D3，D4~D7，D8~D11，D12~D15分别输出小数位、个位、十位、百位的8421BCD码。接到译码显示模块4511BD即可把BCD码转换成七段a~g显示驱动信号，在LED数码管上进行十进制显示。

存储器281024地址和数据对应写入单元数据如表1：

表1存储器281024地址和数据对应写入单元数据

由以上两个模块构成AD转换与二进制转8421BCD码电路，如下图2-2-6所示连接，模拟信号经由AD转换后通过281024存储器，将对应的8421BCD码译出，通过总线TEM将其发送至译码显示模块以及温度超限判断模块。

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TEM

图2-2-6 AD转换与二进制转8421BCD码电路图

附本模块所用芯片信息：

281024 1M COMS EEPROM（65536X16）

A0~A15：地址输入端

D0~D15：数据输出端

图2-2-7 281024管脚图

281024真值表

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2.2.3 译码显示

百位、十位、个位、小数位共4组16位8421BCD 码依次输入给4片4511BD 即可把BCD 码转换成七

段a~g 显示驱动信号，在LED 数码管上进行十进制显示。接法如图2-2-8所示，通过总线TEM 分别给4片4511BD 温度的百位、十位、个位、小数位的8421BCD 码，译码后就可以直接在LED 上显示。与U16、U31、U32为7段数码管，U49为8段数码管。U49的h 脚通过180Ω电阻接+5V 电源，显示小数点。这样，温度值即可在数码管上十进制显示。

图2-2-8 译码显示电路图

附本模块所用芯片信息：4511BD

图2-2-9 4511BD 管脚图

4511BD真值表

2.2.4 控制温度设定

如图2-2-10所示，温度设置装置由4片十进制加法计数器74LS160构成，且均处于计数状态。4个CLK时钟端均分别接一个微动开关，其弹起时处于低电平，按下时接+5V高电平，当进行设置时，通过按动开关即可手动使计数器计数，控制百位、十位、个位、小数位的数字。其数据输出端通过总线SET共有两个去向，

去向1：接译码显示电路，实时显示设定数值的变化，百位、十位、个位、小数位共4组16位数据直接通过4片4511BD转换成七段a~g显示驱动信号，在LED数码管上进行十进制显示。接法依然如图2-2-8所示，通过总线SET分别给4片4511BD温度的百位、十位、个位、小数位的数据，译码后就可以直接在LED上显示。

去向2：接锁存器。图中共有8片4位锁存器74LS175，每4片为一组分别储存温度上限和温度下限的8421BCD码。记录上限的4片锁存器的CLK时钟端和记录下限的4片锁存器的CLK时钟端分别接两个微动开关，一个是“锁定温度上限”按钮，另一个是“锁定温度下限”按钮。开关常态接+5V高电平，按下时接地，锁存器锁入数据。锁存器的输出端分别通过总线HIGH和总线LOW接数值比较器，比较实际温度和设定值的大小关系。

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图2-2-10 控制温度设定装置电路图附本模块所用芯片信息：

74LS160D

1、

74LS160D真值表

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2、74LS175D

图2-2-12 74LS175D 管脚图

74LS175D 功能表

2.2.5 温度超限判断

如图2-2-13所示，共有8片数值比较器74LS85，上面四片级联用于比较监测温度和设定的温度上

限的大小，下面四片用于比较监测温度和设定的温度下限的大小。其级联方式和数据输入方式如图所示。

设定的控制温度与测量温度的比较用四块74LS85级联后得到。其中A3-A0，B3-B0是待比较的两组

四位二进制数的输入，OAGTB, OAEQB, OALTB分别表示A>B, A=B, A

当测量温度低于设定的温度下限时，U8片的OALTB（A

当测量温度高于设定的温度上限时，U4片的OAGTB（A>B）端输出高电平启动报警电路和降温电路，高温报警指示灯发出红光。

开关S1的作用是控制报警电路的开启或关闭。

或门U33A的作用是将高温超限报警信号和低温超限报警信号进行或运算。当有其一超限时，就会启动报警电路。

图2-2-13 温度超限判断电路图

附本模块所用芯片信息：

74LS85N

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图2-2-14 74LS85N管脚图

74LS85真值表

2.3 声光报警与温度控制执行模块

2.3.1 声光报警

如图2-3-1所示，当输入信号为低电平时，报警电路不工作。当有高电平信号输入时，模拟开关闭合，多谐震荡电路开始工作。发光二级管点亮，并发出蜂鸣报警。报警时蜂鸣的频率为20Hz,作用的占空比为58.3%。

图2-3-1 声光报警电路图

2.3.2 温控执行

如图2-3-2所示，温控执行电路由一个双刀双置开关控制，当开关闭合时，输入信号为低电平时，加热或降温电路不工作。当有高电平信号输入时，继电器吸合，启动加热降温设备进行加热和降温操作。

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若温度回到设定范围内，电路即复位回到稳定态，3脚输出低电平，继电器断开，加热或降温操作停止。（图中用灯来表示加热降温器件）

V1 V2

图2-3-2 加热降温执行电路图

2.4 总体电路图

图

2.5方案的优缺点及改进

在本次设计中遇到了如下几个难点：

1、如何对传感器进行温度补偿。由于LM35温度传感器线性范围在-55℃-150℃，工作最大温度180℃，所以在0℃-120℃期间需要进行温度补偿以减小误差。温度的补偿方法有传感器补偿和电路补偿两种方法。虽然经过查阅资料对此有了了解，但限于所学知识以及时间限制，此问题依旧没有得到解决。所以此作品在0℃-120℃期间会有相对较大的误差，但仍然在大的范围满足精度要求。

2、如何将12位二进制数转换成8421BCD码。经过查阅大量资料并研究决定用EEPROM电可擦写存储器来完成这个功能。

3、如何实行温度的设定和超限判断。技术要求中提到输入温度连续可调，我们开始拟采用滑动变阻

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