溫度測(cè)量與控制電路
《電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)報(bào)告
題 目 學(xué)院（部） 專 業(yè) 班 級(jí)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào) 月日至月 日 共周
指導(dǎo)教師（簽字）
溫度測(cè)量與控制電路廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的各個(gè)方面，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度自動(dòng)控制已經(jīng)成為一個(gè)相當(dāng)成熟的技術(shù)。本次課程設(shè)計(jì)給我們創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)：一是查閱資料將自己所學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)，模擬電子技術(shù)，以及傳感器的相關(guān)知識(shí)綜合運(yùn)用，二是系統(tǒng)了解溫度監(jiān)測(cè)特別是工業(yè)上的溫度控制的詳細(xì)過程，為日后的學(xué)習(xí)和工作增長知識(shí)，積累經(jīng)驗(yàn)。
在確定課設(shè)題目，經(jīng)仔細(xì)分析問題后，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量與控制方法很多，大致可以分為兩大類型，一種是以單片機(jī)為主的軟硬件結(jié)合方式，另一種是用簡單芯片構(gòu)成實(shí)現(xiàn)電路。由于單片機(jī)知識(shí)的匱乏，我們決定用后者實(shí)現(xiàn)。共同確定了總的電路結(jié)構(gòu)，將設(shè)計(jì)分為三部分，陳濤負(fù)責(zé)溫度傳感部分，孫文濤負(fù)責(zé)溫度顯示和溫度范圍控制部分，張曉陽負(fù)責(zé)溫度控制執(zhí)行電路和聲光報(bào)警部分。溫度傳感部分由熱電偶構(gòu)成的溫度傳感器，數(shù)字顯示和設(shè)定控制部分由模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A、281024 CMOS EEPROM、鎖存器74LS175等組成，聲光報(bào)警和溫控加熱降溫執(zhí)行電路主要用時(shí)基芯片555構(gòu)成的多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)電路組成。在確定了單元電路的設(shè)計(jì)方案后，我們?cè)诳偨Y(jié)出總體方案框圖的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Multisim11.0仿真軟件畫出了各單元模塊電路圖，最后匯總電路圖。
由于缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并且知識(shí)有限，所以本次設(shè)計(jì)中難免存在缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，敬請(qǐng)老師批評(píng)指正。
設(shè)計(jì)者
2010年6月20日
課題名稱 ?????????????????????????????????????? 1 摘要 ???????????????????????????????????????? 1 關(guān)鍵詞 ??????????????????????????????????????? 1 設(shè)計(jì)要求 ?????????????????????????????????????? 1 正文 ???????????????????????????????????????? 1
一、系統(tǒng)概述和總體方案論證與選擇????????????????????????? 1
二、單元電路設(shè)計(jì)???????????????????????????第一文庫網(wǎng)?????? 2
（一）溫度傳感模塊?????????????????????????????? 3 （二）數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊??????????????????????? 3 1、方案的論證與選擇???????????????????????????? 3
2、AD轉(zhuǎn)換與解碼 ????????????????????????????? 8
3、譯碼顯示????????????????????????????????10
4、控制溫度設(shè)定??????????????????????????????11
5、溫度超限判斷??????????????????????????????12
6、多路溫度循環(huán)檢測(cè)功能??????????????????????????13
7、方案的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)以及改進(jìn)????????????????????????14
（三）聲光報(bào)警????????????????????????????????15 （四）溫度控制執(zhí)行??????????????????????????????15
三、總體電路圖 ??????????????????????????????????16
四、結(jié)束語 ????????????????????????????????????16
五、參考文獻(xiàn) ???????????????????????????????????17
六、元器件明細(xì) ??????????????????????????????????17
七、收獲體會(huì) ???????????????????????????????????27
八、鳴謝 ?????????????????????????????????????27 附錄 ?????????????????????????????????????????27 教師評(píng)語 ???????????????????????????????????????28
【課題名稱】溫度測(cè)量與控制電路
【摘要】
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)，從基本的單元電路出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)量與控制電路的設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)中的主要思想：一、達(dá)到設(shè)計(jì)要求；二、盡量應(yīng)用所學(xué)知識(shí)；三、設(shè)計(jì)力求系統(tǒng)簡單可靠，有實(shí)際價(jià)值。溫度傳感采用熱電偶和溫度補(bǔ)償原理。AD轉(zhuǎn)換部分使用集成芯片AD574A；二進(jìn)制到8421BCD碼的轉(zhuǎn)換用EEPROM 281024實(shí)現(xiàn)；顯示譯碼部分用74LS48和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)；溫度控制范圍設(shè)定采用數(shù)字設(shè)定方式，用74LS160十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器和鎖存器74LS175實(shí)現(xiàn)；溫度的判斷比較數(shù)值比較器74LS85的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)；通過使用74LS160和ADG508F實(shí)現(xiàn)了多路溫度循環(huán)監(jiān)測(cè)功能。聲光報(bào)警加入了單穩(wěn)態(tài)。溫度控制執(zhí)行部分采用555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)電路，提高了加熱系統(tǒng)與降溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。
【關(guān)鍵詞】：溫度傳感器 A/D轉(zhuǎn)換 控制溫度 聲光報(bào)警 二進(jìn)制轉(zhuǎn)BCD 譯碼顯示
【設(shè)計(jì)要求】
1. 測(cè)量溫度范圍為200C～1650C，精度?0.50C；
2. 被測(cè)量溫度與控制溫度均可數(shù)字顯示；
3. 控制溫度連續(xù)可調(diào)；
4. 溫度超過設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生聲光報(bào)警
【正文】
一、系統(tǒng)概述和總體方案論證與選擇
方案A.
如圖1-1所示，溫度傳感器部分將溫度線性地轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)過濾波放大，一路輸入A/D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過譯碼進(jìn)行數(shù)字顯示，另一路與滑變分壓經(jīng)過電壓比較器進(jìn)行比較輸出高低電平指示信號(hào)，溫度控制執(zhí)行模塊和聲光報(bào)警部分。
圖1-1 總體設(shè)計(jì)方案A框圖
方案B.
如圖1-2所示，溫度傳感和A/D轉(zhuǎn)換，譯碼顯示，溫控執(zhí)行和報(bào)警均與方案A相同，不同處在于控制溫度設(shè)定方式和溫度超限判斷方式。方案A的超限判斷模塊和控制溫度設(shè)定主要使用模擬信號(hào)，該方案易受外界干擾如使用環(huán)境溫度等因素，另外由滑變?cè)O(shè)定溫度不易調(diào)節(jié)精確，實(shí)際中，若采用電池供電，電源電壓的變化會(huì)影響其溫控范圍的準(zhǔn)確性。方案B主要采用數(shù)字芯片邏輯控制實(shí)現(xiàn)，其工作的穩(wěn)定性準(zhǔn)確性和功能擴(kuò)展性較強(qiáng)。
圖1-2 總體設(shè)計(jì)方案B框圖
二、單元電路設(shè)計(jì)
（一）溫度傳感模塊
如圖2-1-1所示，溫度傳感把模塊把溫度大小轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，傳入數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊。使用時(shí)將熱電偶的熱端（工作端）放入被測(cè)量的環(huán)境中，注意連接導(dǎo)線選用阻值受溫度影響小的材料，且有良好的絕緣材料包裹。長時(shí)間使用后可對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)溫度下，測(cè)量輸出電壓值，并通過調(diào)整滑動(dòng)變阻器進(jìn)行校準(zhǔn)。其輸出電壓Uo(V)和溫度T(℃)的關(guān)系式為Uo=0.02384*T。
圖2-1-1
溫度傳感模塊電路圖
如圖1-2所示，溫度傳感和A/D轉(zhuǎn)換，譯碼顯示，溫控執(zhí)行和報(bào)警均與方案A相同，不同處在于控制溫度設(shè)定方式和溫度超限判斷方式。方案A的超限判斷模塊和控制溫度設(shè)定主要使用模擬信號(hào)，該方案易受外界干擾如使用環(huán)境溫度等因素，另外由滑變?cè)O(shè)定溫度不易調(diào)節(jié)精確，實(shí)際中，若采用電池供電，電源電壓的變化會(huì)影響其溫控范圍的準(zhǔn)確性。方案B主要采用數(shù)字芯片邏輯控制實(shí)現(xiàn)，其工作的穩(wěn)定性準(zhǔn)確性和功能擴(kuò)展性較強(qiáng)。
圖1-2 總體設(shè)計(jì)方案B框圖
二、單元電路設(shè)計(jì) （一）溫度傳感模塊
如圖2-1-1所示，溫度傳感把模塊把溫度大小轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，傳入數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊。使用時(shí)將熱電偶的熱端（工作端）放入被測(cè)量的環(huán)境中，注意連接導(dǎo)線選用阻值受溫度影響小的材料，且有良好的絕緣材料包裹。長時(shí)間使用后可對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)溫度下，測(cè)量輸出電壓值，并通過調(diào)整滑動(dòng)變阻器進(jìn)行校準(zhǔn)。其輸出電壓Uo(V)和溫度T(℃)的關(guān)系式為Uo=0.02384*T。
圖2-1-1
溫度傳感模塊電路圖
（二）數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊 1、方案的論證與選擇
經(jīng)分析，數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊的核心主要有兩部分： （1）A/D轉(zhuǎn)換和碼制轉(zhuǎn)換部分
（2）溫度范圍設(shè)定與溫度超限行為判斷部分 每部分分別有兩種方案： （1） A/D轉(zhuǎn)換部分 方案A.
首先要把溫度傳感器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率不同的矩形波信號(hào)。如圖2-2-1所示，電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路由一只運(yùn)算放大器和一只555以及少量電阻和電容組成，運(yùn)算放大器部分作成差分積分電路，同相輸入端是由555的3腳輸出端反饋加來的，由于555的觸發(fā)電平是1/3VCC，因此當(dāng)輸入電壓信號(hào)Ui在1/2VCC內(nèi)變化時(shí)，該電路的輸入電壓Ui和輸出的矩形波的頻率f0具有良好的線性關(guān)系（由于該方案最終未被采納，只給出V/F對(duì)應(yīng)關(guān)系表作為參照，見表1，該電路的具體原理和Ui~f0線性關(guān)系的詳細(xì)計(jì)算和在此不再贅述）。
圖2-2-1 555和差分積分放大電路構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換器
V/F轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)應(yīng)表 表1
V/F轉(zhuǎn)換器輸出的頻率不同的矩形波信號(hào)要轉(zhuǎn)化成可數(shù)字顯示的BCD碼，如圖2-2-2所示，頻率---8421BCD碼的轉(zhuǎn)換由4片同步十進(jìn)制加法器74LS160實(shí)現(xiàn)，第（1）片74LS160的RCO進(jìn)位輸出接第（2）片的CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入端，當(dāng)?shù)冢?）片74LS160計(jì)數(shù)器進(jìn)位時(shí)，第（2）片74LS160加1，第（2）片再向第（3）片74LS160進(jìn)位，以此類推，4組QDQCQBQA分別為百位、十位、個(gè)位、小數(shù)位，分別經(jīng)過4片鎖存器74LS175，接到4片七段數(shù)字顯示譯碼器74LS48，再連接數(shù)碼管即可實(shí)現(xiàn)溫度的十進(jìn)制數(shù)顯示。
圖2-2-2 頻率信號(hào)轉(zhuǎn)BCD碼
把4片鎖存器74LS175的CLK時(shí)鐘端接在一起，引出節(jié)點(diǎn)①。4片74LS160的清零端接在一起，引出節(jié)點(diǎn)②。V/F轉(zhuǎn)換器的頻率信號(hào)經(jīng)過圖2-2-4中的與門“U2A”進(jìn)入③。節(jié)點(diǎn)①和②的波形關(guān)系需滿足如圖2-2-3所示關(guān)系，即滿足“先鎖存，后清零”，這樣，在“計(jì)數(shù)開始”（②的上升沿）到“鎖存器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)”（①的上升沿）的這段時(shí)間t內(nèi)，通過的波形周期數(shù)就等于數(shù)碼管上顯示的數(shù)字。時(shí)間t的大小可以通過調(diào)節(jié)圖2-2-4中的R、C參數(shù)來調(diào)整，t =0.7R2C1≈0.49s，使其在這段時(shí)間內(nèi)恰巧通過一定的周期數(shù)，就可以使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到該溫度并顯示出來。比如，當(dāng)溫度為10.0℃時(shí)，V/F轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生一定頻率的矩形波，在指定的時(shí)間t內(nèi)，使其恰巧通過100個(gè)完整波形，四片計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為0000 0001 0000 0000，即可譯碼顯示為“10.0”代表10.0℃
圖2-2-3 方案A中 節(jié)點(diǎn)①和②的波形關(guān)系
該波形由圖2-2-4所示電路產(chǎn)生。電容C3起到消除競爭與冒險(xiǎn)的作用，沒有C3，可能使鎖存器鎖入數(shù)據(jù)0000 0000 0000 0000，數(shù)碼管上會(huì)顯示0.0 (℃)。并引起錯(cuò)誤報(bào)警，和溫控執(zhí)行電路的不合理啟動(dòng)。
圖2-2-4 方案A 清零信號(hào)，計(jì)數(shù)信號(hào)，鎖存信號(hào)產(chǎn)生電路
綜上所述，該電路工作過程復(fù)雜，雖然理論上可行，也通過了在Multisim中的模擬檢測(cè)，但是在實(shí)際中，圖2-2-4中的RC參數(shù)也都會(huì)受到溫度影響，造成測(cè)量溫度不準(zhǔn)確，如果電容C3短路，更可能造成誤報(bào)警和錯(cuò)誤加熱操作的不良后果。另外，該電路的功耗太大，不利于實(shí)際應(yīng)用。所以，最終放棄了該方案。 方案B
采用集成芯片AD574A 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD574A 是美國模擬數(shù)字公司（Analog ）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D 轉(zhuǎn)換器。AD574A可以把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，但是二進(jìn)制數(shù)并不能直接在數(shù)碼管上顯示，所以AD574A輸出的二進(jìn)制數(shù)到8421BCD碼的轉(zhuǎn)換成為該方案的核心問題，經(jīng)過查閱大量資料，最終決定采用281024 CMOS EEPROM實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制到8421BCD碼的，其電路連接簡單，轉(zhuǎn)換效率高，功耗低，出錯(cuò)率低。
綜上所述，B方案工作穩(wěn)定性強(qiáng)，不易出錯(cuò)，所以采用B方案。具體電路和實(shí)施方案見后文“2.AD轉(zhuǎn)換與解碼”。AD574A的詳細(xì)資料見“元器件明細(xì)”。
（2）控制溫度設(shè)定與溫度超限行為判斷部分有兩種方案：
A.如圖2-2-5所示，通過旋動(dòng)滑動(dòng)變阻器獲得不同的分壓代表相應(yīng)的的溫度值，分壓一路通過AD轉(zhuǎn)換顯示設(shè)定溫度，一路經(jīng)過電壓比較器和溫度傳感模塊輸出的Ui進(jìn)行比較，輸出高低電平指示信號(hào)控制報(bào)警和溫控執(zhí)行模塊。該方式雖然簡便可行，但其受外界環(huán)境干擾較大，當(dāng)實(shí)際溫度在控制溫度附近時(shí)，有可能由于其他干擾比如滑動(dòng)變阻器上的電壓若有電池提供，其輸出電壓會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而變化，無人值守時(shí)，設(shè)定的溫度會(huì)隨著電池電壓的減小而變化，達(dá)不到理想的溫控效果，溫度控溫精度并不高。
圖2-2-5 控制溫度設(shè)定與溫度超限行為判斷方案A思路框圖
B.采用數(shù)字設(shè)定方式。如圖2-2-6所示：通過計(jì)數(shù)器精確設(shè)定溫控范圍，以8421BCD碼的形式保存到鎖存器中，經(jīng)過級(jí)聯(lián)的數(shù)值比較器與EEPROM輸出的代表溫度的8421BCD碼進(jìn)行比較。來判定溫度是否超限，由數(shù)值比較器輸出高低電平作為指示信號(hào)控制報(bào)警和溫控執(zhí)行電路。
綜上所述，B方案 溫度設(shè)定簡單方便，控制更加精確，工作穩(wěn)定性更好。所以采用B方案。
圖2-2-6 控制溫度設(shè)定與溫度超限行為判斷方案B思路框圖
B方案的具體實(shí)施方案和具體電路圖見后文“4、控制溫度設(shè)定”“5、溫度超限判斷”部分
最終確定的總體思路框圖如圖2-2-7：
圖2-2-7 最終確定總方案框圖
2、AD轉(zhuǎn)換與解碼
AD轉(zhuǎn)換：
如圖2-2-8所示電路，為提高精度，采用AD574A的12位轉(zhuǎn)換模式，其與溫度傳感器部分的連接方法是：AGND端接，傳感器部分的模擬地端，Ui接傳感器的輸出電壓。REF IN端為參考電壓輸入（通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器0~10V可調(diào)，用于校準(zhǔn)。）
當(dāng)輸出的二進(jìn)制碼為1111 1111 1111，換算為十進(jìn)制數(shù)是4095，經(jīng)過碼制轉(zhuǎn)換后，在數(shù)碼顯示管上即顯示數(shù)字409.5。代表409.5℃。
由于傳感器部分的輸出電壓Ui滿足，Ui=kT （T代表溫度，單位：℃）即滿足k V/℃
所以參考電壓UREF IN的取值需要滿足UREF IN=k*409.5，
UREF IN的可以通過圖2-2-8中所示滑動(dòng)變阻器R1調(diào)節(jié)。
R/C端由555和少量阻容元件構(gòu)成的多諧振蕩器，R6=140kΩ，R7=3kΩ，C5=10μF
555的3腳為輸出端，其高電平持續(xù)時(shí)間T1=0.7(R6+R7)C5≈1s，低電平持續(xù)時(shí)間T2=0.7(R7C5)≈21ms。 輸出低電平時(shí)，AD574A處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換時(shí)間需要約25μs，T2>>25μs，所以轉(zhuǎn)換器有充分的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，滿足要求。輸出高電平時(shí)，在該電路中AD574A處于12位數(shù)據(jù)并行讀取狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被傳送到EEPROM中。
碼制的轉(zhuǎn)換——12位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)8421BCD碼：
通過對(duì)電可擦寫只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）281024進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)碼到BCD碼的變換。即把4096個(gè)溫度值的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位當(dāng)作源碼作為存儲(chǔ)器EEPROM的地址碼，把需要轉(zhuǎn)換的8421BCD碼作為 “目的`”碼寫入地址對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器EEPROM內(nèi)部單元。使用時(shí)，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換器采集到不同電壓信號(hào)時(shí)，把轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制碼迭到EEPROM的地址位，那么與此地址相對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)就是所求的8421BCD碼格式，從而完成了4096個(gè)二進(jìn)制碼溫度值到8421BCD碼的轉(zhuǎn)換。該4096個(gè)溫度值的數(shù)字解碼器是四位數(shù)顯示，所以選用有16個(gè)位線的281024 EEPROM，實(shí)際中，也可根據(jù)制造的成本視情況選擇兩片8個(gè)位線的EEPROM（如：27C32）進(jìn)行位線擴(kuò)展，擴(kuò)展成16位。
低12位A0~A11接對(duì)應(yīng)的AD574A的二進(jìn)制輸出端，高4位A12~A15均接地。D0~D3，D4~D7，D8~D11，D12~D15分別輸出小數(shù)位、個(gè)位、十位、百位的8421BCD碼。接到譯碼顯示模塊74LS48即可把BCD碼轉(zhuǎn)換成七段a~g顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在LED數(shù)碼管上進(jìn)行十進(jìn)制顯示。
存儲(chǔ)器281024地址和數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)寫入單元數(shù)據(jù)如表2：
表2 存儲(chǔ)器281024地址和數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)寫入單元數(shù)據(jù)
281024的詳細(xì)工作參數(shù)見“元器件明細(xì)”。
圖2-2-8 AD轉(zhuǎn)換與二進(jìn)制轉(zhuǎn)8421BCD碼電路圖
3、譯碼顯示
百位、十位、個(gè)位、小數(shù)位共4組16位8421BCD碼依次輸入4片74LS48即可把BCD碼轉(zhuǎn)換成七段a~g顯示驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在LED數(shù)碼管上進(jìn)行十進(jìn)制顯示。接法如圖2-2-9所示，
U4、U5、U7為7段數(shù)碼管，U6為8段數(shù)碼管，4個(gè)數(shù)碼管共陰極均接地。U6的h腳通過180Ω電阻接+5V電源，顯示小數(shù)點(diǎn)。這樣，溫度值即可在數(shù)碼管上十進(jìn)制顯示。
圖2-2-9譯碼顯示電路圖
4、控制溫度設(shè)定
如圖2-2-10所示，溫度設(shè)置裝置由4片十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成，且均處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。4個(gè)CLK時(shí)鐘端均分別接一個(gè)按鈕式開關(guān)，其彈起時(shí)接+5V高電平，按下時(shí)接地處于低電平，當(dāng)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，“啟動(dòng)溫度設(shè)置”處于高電平（有專門開關(guān)控制，圖中未畫出，見總電路圖），通過按動(dòng)開關(guān)即可手動(dòng)使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，控制百位、十位、個(gè)位、小數(shù)位的數(shù)字。其數(shù)據(jù)輸出端共有兩個(gè)去向，
去向1：接譯碼顯示電路即可實(shí)時(shí)顯示設(shè)定數(shù)值的變化，與門7408的作用是控制計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)輸出，“啟動(dòng)溫度設(shè)置”處于高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)可以輸出到譯碼器；“啟動(dòng)溫度設(shè)置”處于低電平時(shí)，阻斷了計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)向譯碼顯示電路輸出。
去向2：接鎖存器。圖中共有8片4位鎖存器74LS175，每4片為一組分別儲(chǔ)存溫度上限和溫度下限的8421BCD碼。記錄上限的4片鎖存器的CLK時(shí)鐘端和記錄下限的4片鎖存器的CLK時(shí)鐘端分別接在一起引向兩個(gè)按鈕式開關(guān)，一個(gè)是“鎖定溫度上限”按鈕，另一個(gè)是“鎖定溫度下限”按鈕。開關(guān)常態(tài)接地，按下時(shí)接+5V高電平，鎖存器鎖入數(shù)據(jù)。鎖存器的輸出端接數(shù)值比較器，比較實(shí)際溫度和設(shè)定值的大小關(guān)系。
圖2-2-10
5、溫度超限判斷
如圖2-2-11所示，共有8片數(shù)值比較器74LS85（其功能表見附錄），（1）~（4）片級(jí)聯(lián)用于比較監(jiān)測(cè)溫度和設(shè)定的溫度上限的大小，（5）~（8）片用于比較監(jiān)測(cè)溫度和設(shè)定的溫度下限的大小。其級(jí)聯(lián)方式和數(shù)據(jù)輸入方式如圖所示：
當(dāng)測(cè)量溫度低于設(shè)定的溫度下限時(shí)，（5）片的OALTB（A
當(dāng)測(cè)量溫度高于設(shè)定的溫度上限時(shí)，（4）片的OAGTB（A>B）端輸出高電平啟動(dòng)報(bào)警電路和降溫電路，高溫報(bào)警指示燈發(fā)出紅光。
兩個(gè)與門U10A和U17A的作用是控制后續(xù)的溫控執(zhí)行和報(bào)警電路的開啟或關(guān)閉。
或門U9A的作用是將高溫超限報(bào)警信號(hào)和低溫超限報(bào)警信號(hào)進(jìn)行或運(yùn)算。當(dāng)有其一超限時(shí)，就會(huì)啟
控制溫度設(shè)定裝置電路圖
動(dòng)報(bào)警電路。
圖2-2-11
6、多路溫度循環(huán)檢測(cè)功能
如圖2-2-12所示：由555和阻容元件構(gòu)成的多諧振蕩器，其產(chǎn)生的矩形波周期可可通過改變滑動(dòng)變阻器A調(diào)節(jié)（5s~10s），其輸出接74LS160的CLK時(shí)鐘端，圖中74LS160處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，其低三位QCQBQA依次產(chǎn)生000,001,010,011,100,101,110,111八個(gè)狀態(tài)，一路輸入模擬開關(guān)ADG508F的地址端A2A1A0，這樣，模擬開關(guān)將會(huì)依次導(dǎo)通S1~S8，從D端輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其通道切換頻率由時(shí)鐘信號(hào)頻率決定。實(shí)現(xiàn)了8路溫度的循環(huán)監(jiān)測(cè)。另一路輸入譯碼顯示電路，顯示當(dāng)前所監(jiān)視的線路。 溫度超限判斷電路圖
圖2-2-12
7、方案的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)以及改進(jìn)
（1） 圖2-2-10中的各與門都是起控制信號(hào)通斷的作用，不如將其替換為模擬開關(guān)（如圖22-2-13）實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切斷和導(dǎo)通，并且省去了與譯碼顯示部分連接的或門（單元圖中未畫出，詳見總電路圖），使電路結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，變得更可靠，使性能更加穩(wěn)定，功耗更低。
（2） 由555和阻容元件組成的多諧振蕩器可以采用集成芯片實(shí)現(xiàn)，由于555的功耗相對(duì)較大，采用集成芯片更有利于節(jié)省電能，延長使用時(shí)間。 多路溫度檢測(cè)功能電路圖
圖2-2-13
該模塊的最終整合電路圖見附錄1
（三）聲光報(bào)警
如圖2-3-1所示，當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，報(bào)警電路不工作。當(dāng)有高電平信號(hào)輸入時(shí)，模擬開關(guān)閉合，多諧震蕩電路開始工作。發(fā)光二級(jí)管閃爍，并發(fā)出蜂鳴報(bào)警。報(bào)警時(shí)蜂鳴的頻率和發(fā)光二極管閃爍的頻率均為2Hz,作用的占空比為58.3%。
模擬開關(guān)電路
圖2-3-1
（四）溫度控制執(zhí)行
如圖2-4-1所示，溫控執(zhí)行電路由當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，加熱或降溫電路不工作。當(dāng)有高電平信號(hào)輸入時(shí)，加熱電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出高電平，繼電器吸合，啟動(dòng)加熱降溫設(shè)備進(jìn)行加熱和降溫操作。1~10分鐘后（可根據(jù)實(shí)際情況通過滑動(dòng)變阻器R3，R4調(diào)整），若溫度仍低于或高于設(shè)定溫度，電路不能復(fù)位，3腳仍輸出高電平，加熱或降溫操作繼續(xù)進(jìn)行。若溫度回到設(shè)定范圍內(nèi)，電路即復(fù)位回到穩(wěn)定態(tài)，3腳輸出低電平，繼電器斷開，加熱或降溫操作停止。 聲光報(bào)警電路圖
圖2-4-1
三、總體電路圖
限于篇幅和紙張大小，見附錄2
四、結(jié)束語
本次溫度測(cè)量與控制電路的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如上所述，在此次設(shè)計(jì)中運(yùn)用到的知識(shí)大多數(shù)為課本所學(xué)。設(shè)計(jì)中難免有缺點(diǎn)和漏洞，真誠希望老師指導(dǎo)，以求改進(jìn)。
本次設(shè)計(jì)中有如下幾個(gè)難點(diǎn)：
一是12位的A/D轉(zhuǎn)換電路，在這一部分的設(shè)計(jì)中我們查閱了大量資料，最后決定用AD574A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這樣以來不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)于模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換，同時(shí)也提高了精度的要求。
二是如何將12位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成8421BCD碼的問題，經(jīng)過查閱大量資料并研究決定用EEPROM電可擦寫存儲(chǔ)器來完成這個(gè)功能，具體電路圖和轉(zhuǎn)換關(guān)系如上所述。
三是溫度的設(shè)定和朝鮮判斷，技術(shù)要求中提到輸入溫度連續(xù)可調(diào)，我們開始擬采用滑動(dòng)變阻器控制，使滑動(dòng)變阻器的分壓參與電路中的信號(hào)處理，由于其種種缺點(diǎn)，最終放棄了該方案。使用計(jì)數(shù)器、寄存器、數(shù)值比較器、譯碼顯示裝置、實(shí)現(xiàn)了將控制溫度直接以直觀的數(shù)字量直接輸入，并以8421BCD碼的形式輸入數(shù)值比較器進(jìn)行溫度判定，也實(shí)現(xiàn)了輸入溫度的連續(xù)可調(diào)，而且極大地提高了準(zhǔn)確度、直觀性
加熱降溫執(zhí)行電路圖
和易用性。
以上即是對(duì)本次設(shè)計(jì)中的主要問題的討論與解決方案，敬請(qǐng)老師給予指正，以求得更好的解決方法。 五、參考文獻(xiàn)
1.《傳感器原理與應(yīng)用》 程德福 王君 凌振寶 王言章 編著
機(jī)械工業(yè)出版社 2008年1月第一版
2.《數(shù)字電路設(shè)計(jì)手冊(cè)》 荀殿棟 徐志軍 編著
電子工業(yè)出版社 2003年7月第一版
3.《Multisim8仿真與應(yīng)用實(shí)例開發(fā)》 從宏壽 程衛(wèi)群 李紹鉊 編著
清華大學(xué)出版社 2007年7月第一版
4.《電子線路 設(shè)計(jì)與實(shí)踐》 姚福安 主編
華中電子科技大學(xué)出版社 2001年第一版
5.《基礎(chǔ)電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐》 戴伏生 主編
國防工業(yè)出版社 2004年4月第一版
6.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》 陳大欽 主編
機(jī)械工業(yè)出版社 2006年4月第一版
7.《數(shù)字電子技術(shù)》 James Bignell Robert Donovan 編著
科學(xué)出版社 2005年2月第一版
8.《新編電子控制電路300例》 劉修文 等編
機(jī)械工業(yè)出版社
9.《數(shù)字單元電路 轉(zhuǎn)換電路 分冊(cè)》 梁廷貴
主編
科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社
六、元器件明細(xì)
1.AD574A
AD574A 是美國模擬數(shù)字公司（Analog ）推出的單片高速12 位逐次比較型A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率：25us
模擬電壓輸入范圍：0—10V 和0—20V，0—±5V 和0—±10V 兩檔四種
電源電壓：±15V 和 5V 數(shù)據(jù)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
圖6-1
AD574A引腳圖
AD574A 的引腳說明：
[1]. Pin1(V Logic)——邏輯電源+5V電源輸入端。
[2]. Pin2(12／8 )——數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位或8位輸出。 [3]. Pin3(CS )——片選端，低有效。
[4]. Pin4(A0)——字節(jié)地址短周期控制端。與12/8端用來控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和
數(shù)據(jù)輸出格式。
[5]. Pin5( R/C)——讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。 [6]. Pin6(CE)——使能端，高有效。
[7]. Pin7(V+)——正電源輸入端，輸入+15V電源。 [8]. Pin8(REF OUT)——10V 基準(zhǔn)電源電壓輸出端。 [9]. Pin9(AGND)——模擬地端。
[10]. Pin10(REF IN)——基準(zhǔn)電源電壓輸入端。 [11]. Pin11(V-)——負(fù)電源輸入端，輸入-15V 電源。
[12]. Pin12(BIP OFF)——單極性輸入時(shí)BIP OFF接模擬公共地，雙極性時(shí)BIP OFF接對(duì)應(yīng)[13]. Pin13(10V IN)——單極性0～10 V模擬量輸入；雙極性0～ ±5 V模擬量輸入。 [14]. Pin14(20V IN)——單極性0～20 V模擬量輸入；雙極性0～ ±10 V模擬量輸入. 。
-5V、-10V 的
[15]. Pin15(DGND)——數(shù)字地端。
[16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12 條數(shù)據(jù)總線。通過這 12 條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 [17]. Pin28(STS)——工作狀態(tài)指示信號(hào)端，當(dāng) STS=1 時(shí)，表示轉(zhuǎn)換器正處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)
STS=0
時(shí)，聲明A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，通過此信號(hào)可以判別A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)，作為 單片機(jī)的中斷或查詢信號(hào)之用。
AD574真值表
2.281024 1M COMS EEPROM（65536X16） A0~A15：地址輸入端 D0~D15：數(shù)據(jù)輸出端
圖6-2
281024真值表
281024管腳圖
3.74LS160D
圖6-3
74LS160D真值表
4.ADG508F
74LS160D管腳圖
圖6-4
ADFG508F真值表
ADG508F管腳圖
5.74LS48
圖6-5
74LS48真值表
74LS48管腳圖
6.74LS175D
圖6-6
74LS175D功能表
74LS175D管腳圖
7.74LS85N
圖6-7
74LS85N管腳圖
74LS85
真值表
8．K型熱電偶
K型熱點(diǎn)偶的電壓與溫度關(guān)系為：U=0.226T-0.707 K型熱電偶所需的溫度補(bǔ)償電壓為：41.269μV/K
圖6-8 熱電偶的特性曲線 9.LT1025
圖6-9 LT1025參數(shù)圖
圖6-9 LT 1025 管腳圖
10.ADG202
圖6-10 ADG202的管腳圖和真值表
七、收獲體會(huì)
這次課程設(shè)計(jì)是我第一次接觸到的將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際的實(shí)踐活動(dòng)。通過對(duì)模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等課程的學(xué)習(xí)，對(duì)自己親自設(shè)計(jì)一個(gè)綜合性的系統(tǒng)充滿了期待與渴望。我在這次課設(shè)中選擇了溫度測(cè)量與控制這一題目，感到這個(gè)題目綜合性強(qiáng)，應(yīng)用廣，對(duì)設(shè)計(jì)者的要求也較高，因此，碰到的難度也較大，但本著求知與實(shí)踐應(yīng)用的精神，我最終將這個(gè)題目的大概框架整理出來，其中有許多不盡人意之處及不理想的地方還很多，這也是我今后學(xué)習(xí)的方向和動(dòng)力。本次設(shè)計(jì)中，我主要負(fù)責(zé)溫度設(shè)定和超限比較環(huán)節(jié)，顯示電路是這次設(shè)計(jì)中花力氣最大的環(huán)節(jié)，它首先需要將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再將其變?yōu)?421BCD碼，這一過程實(shí)現(xiàn)有很多方法，如利用單片機(jī)等，然后就可以用數(shù)碼管顯示了。控制電路是這次設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，它的實(shí)現(xiàn)方法也有很多種，設(shè)計(jì)中也擬定了兩種方法，他們之間的優(yōu)劣也有表述，關(guān)鍵是我從中了解了相關(guān)控制的多種方法，為今后設(shè)計(jì)控制電路做足準(zhǔn)備。超限比較電路和循環(huán)檢測(cè)功能是我這次設(shè)計(jì)中的一個(gè)亮點(diǎn)，利用數(shù)值比較器和鎖存器來判定溫度超限，由于要求中是在溫度在20~165攝氏度之間，因此比20小或大于165的都將引發(fā)報(bào)警，這是需要注意的。最后，通過這次課程設(shè)計(jì)讓我獲益良多。另外，本次設(shè)計(jì)中，很多環(huán)節(jié)都可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這更激起了我學(xué)習(xí)單片機(jī)的強(qiáng)烈愿望。從中我認(rèn)識(shí)到了各課程學(xué)習(xí)的重要與應(yīng)用之處，為今后學(xué)習(xí)指明方向，也大大的提高的系統(tǒng)學(xué)習(xí)電子技術(shù)的興趣。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中我嘗試使用了Multisim 11.0軟件，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)軟件的強(qiáng)大，做了很多測(cè)試，強(qiáng)化了對(duì)已學(xué)知識(shí)的理解，較為熟練的學(xué)會(huì)了該軟件的應(yīng)用，為我今后設(shè)計(jì)及學(xué)習(xí)和電路設(shè)計(jì)提供了有效的工具。
八、鳴謝
感謝學(xué)院為我們安排這一次課程設(shè)計(jì)，使我們得到一個(gè)學(xué)習(xí)和鍛煉的機(jī)會(huì)。
感謝老師的辛勤指導(dǎo)，使我們抓住解決問題的關(guān)鍵，從而順利完成課程設(shè)計(jì)。
感謝同組同學(xué)的團(tuán)結(jié)合作，以及其他同學(xué)給與的幫助，使我們的課程設(shè)計(jì)得以圓滿完成。
【附錄】
附錄1 溫度顯示與溫度范圍控制模塊電路圖
附錄2 總體電路圖
【教師評(píng)語】
【附件】
附件一：圖2-2-1數(shù)字顯示與溫度范圍控制模塊，（可右鍵另存為，然后放大觀看）
附件二：總電路圖，（可右鍵另存為，然后放大觀看）
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