智能仪器课程设计---温度测量与控制电路

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智能仪器课程设计

温度测试与控制电路

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摘要：

温度是一个与人们生活和生产密切相关的重要物理量。温度的测量和控制技术应用十分广泛。在工农业生产和科学研究中，经常需要对某一系统的温度进行测量，并能自动的控制、调节该系统的温度。本设计采用的温度传感器是LM35温度传感器， LM35温度传感器是利用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，当导体A和B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。测试电路是通过电压比较放大电路来实现温度都的检测，控制电路是通过两个电压比较电路来实现对两个继电器的控制。报警电路有555时基电路和光敏电阻以及扬声器组成。

工作原理主要是利用温度传感器把系统的温度通过A\D转换电路将电信号转换成数字信号，并通过与之连接的译码电路中显示出来。同时电压信号通过电压比较器与输入电压比较决定输出是高电平或是低电平，进而控制下一个电路单元的工作状态。报警电路中，当电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度Vmax，此时发光二极管通电发光照在光敏电阻RL上，RL受光激发，电阻值迅速下降，分压点电位升高，电路立即产生振荡，发出声响报警。调温控制电路中，通过电压比较器的输入输出关系，决定温度的调节。当温度低于下限温度时，电路经过一系列变化接通加热器电源对其进行加热。当温度升到上限温度时，加热器电源，停止加热。

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1 概述…………………………………………………………………………………4

1.1引言……………………………………………………………………………4

1.2设计任务………………………………………………………………………4

1.3设计要求………………………………………………………………………4

2 系统总体方案………………………………………………………………………5

2.1对温度进行测量、控制并显示………………………………………………5

2.2恒温控制………………………………………………………………………5

2.3温度显示部分…………………………………………………………………5

2.4温度显示部分…………………………………………………………………5

2.5方框图总体……………………………………………………………………6

3 各部分功能模块设计（功能描述）………………………………………………7

3.1温度传感器……………………………………………………………………7

3.2A\D转换电路 …………………………………………………………………8

3.3 报警电路 ……………………………………………………………………10

3.4 调温控制电路……………………………………………………………… 11

3.5 电压比较器…………………………………………………………………12

4课程设计体会……………………………………………………………………14

参考文献……………………………………………………………………………15

附1：系统原理总图…………………………………………………………………16

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1.1 引言

温度是一个基本物理量，也是一个与人们的生活环境、生产活动密切相关的重要物理量。温度的测量和控制技术应用十分广泛。在工农业生产和科学研究中，经常需要对某一系统的温度进行测量，并能自动地控制、调节该系统的温度。通过该设计我们可以直观看到温度视数变化，根据实际系统的需要调节系统温度，同时我们也可以通过报警电路发出警报后再进行调节。

1.2 设计任务

进一步熟悉模拟和数字设计方法和规范，并进一步巩固所学模拟电子及相关知识，达到综合应用电子技术的目的，培养设计开发以及动手实践等能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，独立思考分析，完整理总结设计报告。了解温度传感器件的功能，学会在实际电路中应用。进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。了解检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式也不同。运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试。学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析问题和解决问题的能力。

1.3 设计要求

⑴ 被测温度和控制温度均可数字显示； ⑵ 测量温度为0 12000C，精度为 0．50C； ⑶ 控制温度连续可调，精度 1OC；

⑷ 温度超过额定值时，产生声、光报警信号。

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2系统总体方案 2系统总体方案及硬件设计

2.1系统设计方案论证 方案一

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D 转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D 转换电路，其中还涉及到电阻与温度的对应值的计算，感温电路比较麻烦。而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。

方案二

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，电路简单，精度高，软硬件都以实现，而且使用单片机的接口便于系统的再扩展，满足设计要求。从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，费用较低，可靠性高，软件设计也比较简单，故采用了方案二。

2.2系统总体设计方案

本系统设计主要包括单片机最小系统、温度报警模块、温度显示模块、按键控制模块。通过这几个模块的协调工作就可以完成相应的温度显示控制和显示功能，系统设计总体方框图如图2-2所示。

如图2-2总体设计总体方框图

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2.3硬件设计总体方案

2.3.1单片机最小模块

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51单片机引脚结构图如图2-3所示。

AT89C51的主要特性如下：

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环，数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 ·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器 ·5个中断源 ·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路

图2-3 AT89C51单片机引脚 图2-3 AT89C51单片机引脚

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2.3.2 温度传感器模块

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器，其结构图如图3所示，与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

DS18B20的特点：

（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（2）在使用中不需要任何外围元件。

（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0~ +5.5 V。

（4）测温范围：-55 ~+125 ℃。固有测温分辨率为0.5 ℃。 （5）通过编程可实现9~12位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。

（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 2.3.3温度报警模块

本次设计中温度报警模块由PNP型三极管Q1、Q2和蜂鸣器BUZ1组成。 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。其结构原理为：压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。其组成电路原理图如2-3所示。

2.1 对温度进行测量、控制并显示

首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。可采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波

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后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。

2.2 恒温控制

将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压VREF，用实际测量值vI与VREF进行比较，比较结果（输出状态）自动地控制、调节系统温度。

2.3 报警部分

设定被控温度对应的最大允许值Vmax，当系统实际温度达到此对应值Vmax时，发生报警信号。

2.4 温度显示部分

采用转换开关控制，可分别显示系统温度、控制温度对应值VREF，报警温度对应值Vmax。

2.5 方框图总体

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说明：

⑴ 传感器可以采用LM 35温度传感器，电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器双端输入信号，将信号放大后由低通滤波器将高频信号滤去。如上图所示。

⑵ 被测温度信号电压加于比较器（Ⅰ）与控制温度电压VREF进行比较，比较结果通过调温控制电路控制执行机构的相应动作，使被控系统升温或降温。 ⑶ 当控制电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度对应值Vmax，用声、光报警电路发出警报，值班人员将采取相应的紧急措施。 ⑷ 开关S1可分别闭合系统温度、控制温度电压VREF和报警温度电压Vmax，通过A/D转换器将模拟量转换成数字量，显示器显示出相应的温度数值。

3 各部分功能模块设计

3.1温度传感器

LM35是电压输出型集成温度传感器， LM35集成温度传感器是利用一个热电阻检测相应的温度，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，如下图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温

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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。

温度传感器热电偶的结构形式 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。

传感器电路原理图

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LM35温度传感器,输出电压0~0.99V,温度每上升1℃,电压上升10ms,可测温度0~99℃.即V=0.01T，运算放大器LM358放大5倍电压,即V=0.05T.经0809通道0转化为数字量,因为转换公式:V/5=X/255,即0.05T/5=X/255,则T≈100X/256. 为了精确到0.1℃,使t=10*T=1000X/256=125X/32,所以转换公式是t=125X/32,X为数字量.

其采集温度及放大温度电路图如下：

3.2 A\D转换电路

AD转换电路采用ADC0809。ADC0809是一种逐次比较型ADC。它是采用CMOS工艺制成的8位8通道A/D转换器，采用28只引脚的双列直插封装，其原理图和引脚图如图所示。

ADC0809有三个主要组成部分：256个电阻组成的电阻阶梯及树状开关、逐次比较寄存器SAR和比较器。电阻阶梯和树状开关是ADC0809的一个特点。另一个不特点是，它含有一个8通道单端信号模拟开关和一个地址译码器。地址译码器选择8个模拟信号之一送入ADC进行A/D转换，因此适用于数据采集系统。（b）为引脚图。

各引脚功能如下：

（1）IN0～IN7是八路模拟输入信号； （2）ADDA、ADDB、ADDC为地址选择端；

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（3）2～2为变换后的数据输出端； （4）START（6脚）是启动输入端。

（5）ALE（22脚）是通道地址锁存输入端。当ALE上升沿到来时，地址锁存器可对ADDA、ADDB、ADDC锁定。下一个ALE上升沿允许通道地址更新。实际使用中，要求ADC开始转换之前地址就应锁存，所以通常将ALE和TART连在一起，使用同一个脉冲信号，上升沿锁存地址，下降沿则启动转换。

（6）OE（9脚）为输出允许端，它控制ADC内部三态输出缓冲器。

-1-8

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启动时钟

tef－)

CCref(a) 功能框图

(b)引脚图

3.3 报警电路

报警电路由555时基电路和光敏电阻等组成。电路中555时基集成电路接成典型无稳态工作方式，光敏电阻RL与可变电阻器RP构成光控触发回路。当RL无光

照射时，呈高电阻状态，RL与RP的分压点即555型时基集成电路的4脚电位较低，若小于0．4V，555时基集成电路被强制复位，电路不振荡，BL无声，VL不发光。若发光二极管通电后发出的光照在RL上时，RL受光激发，电阻值迅速下降，分压点电位升高，当大于0.4V时（少数时基电路为大于1V)，强制复位被解除，电路立即产生振荡，BL就发声报警，同时VL发光。此时，人们可以根据实际情况对系统进行降温。

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3.4 调温控制电路

如图所示为温度范围控制电路。该电路由降压整流滤波电源电路和温度控制电路两部分组成。其中温度控制电路由555和R1、R2～R4、W1、W2等组成，且R1为一负温度系数的热敏电阻(3kΩ)，W1为温度下限预置调节，W2温度上限预置调节，且通过调节W1、W2使555②脚、⑥脚分别置于1/3Vcc、2/3Vcc附近 。

当温度低于下限温度时，R1的阻值变大，从而使555②脚电位低于1/3Vcc，相应555置位，③脚输出高电平，使发光二极管LED2点亮，继电器J1吸合，触点J1-3接通加热器电源对其进行加热。当温度升到上限温度时，R1的阻值变小，使555⑥脚电位大于2/3Vcc，且②脚的电位必然大于1/3Vcc，相应555复位，③脚输出低电平，发光二极管LED1点亮，继电器J1释放，触点J1-3断开，加热器电源，停止加热。这样调节好W1、W2后，可以随设定温度(20～100℃)的变化而置位或复位，及时将J1吸合或断开，控制加热器的通、断，从而实现温度调节。

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3.5电压比较器

电压比较器是用来比较两个输 入电压的大小，据此决定其输出是高电平还是低电平。以图1所示的同相电压比较器电路为例，参考电压VREF加于运放的反相端，VREF可以是正值或负值。而输入信号vI加于运放的同相端。

图9 图10

反之当Vi从反向端输入时，Vref改接到同相端，则称为反相端输入单限门电压比较器 。

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图11

测量信号经放大跟随后与两个比较器运放反相和同相输入端比较，低于下限时，上方运放输出直流脉冲电平使JA吸合，加热器工作，上升到下限值时，由于磁保持作用，JA触点继续闭合，加热器工作，继续升温，到上限值时，下方运放输出直流脉冲电平使JB吸合，带动JA转为常开，停止加热，温度开始下降，降到下限值后，JB磁保持使JA仍为常开，加热器不工作，直到低于下限值后，重复加热过程，具备温度记忆功能。

W2为3296多圈精密可调电阻.数字表头采用ICL7101 LED表头， 3 1/2 位，可采用AE5543。带动加热元件工作的继电器为磁保持继电器，JA，JB为同一继电器的两组线圈，该继电器的特点是采用脉冲驱动，具有记忆功能，动作速度快，耗热小。Vo/v

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4课程设计体会

以前对自己学的专业了解的仅仅是一个概念，或者是说是一个框架，没有任何实在的内容。通过这次课程设计了解到了网络、信息和常用设备基本工作情况。也对自己在数字和模拟电子方面的能力有了更客观的评价，在这次设计过程中，从最基本的查元件，找资料做起，了解了完整的电子设计的一般步骤，也和同学们共同探讨研究，学到了很多课堂上学不到的东西，也遇到了各种各样从没想过的问题，并认真的解决了它们，这些知识为我今后的学习奠定了基础，激发了我继续学习的和探索真知的热情。

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参考文献：

[1]《现代电子学及应用》，童诗白、徐振英编，高等教育出版社，1994年 [2]《电子系统设计》，何小艇等编，浙江大学出版社，2000年

[3]《集成电子技术基础教程》，郑家龙、王小海、章安元编，高教出版社，

2002年5月

[4]《电子技术课程设计指导》 彭介华编，高等教育出版社，1997年10月 [5]《新编555集成电路应用800例》 陈永甫编著 电子工业出版社 2000

年

[6]《电子技术课程设计指导书》，艾永乐，付子义编，焦作工学院电气工程系，1999年

[7]《电子技术基础》（模拟部分），康华光编，高等教育出版社，2000年 [8]《电子技术基础》（数字部分），康华光编，高等教育出版社，2000年 [9]《实用电子电路手册》，高等教育出版社，1992年

[10]《新型集成器件实用电路》，杨帮文，电子工业出版社，2002年

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附1：系统原理图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/612i.html