《电子技术》课程设计报告

题 目 学院（部） 专 业 班 级

学 号 月日至月 日 共周

温度测量与控制电路广泛应用于生产生活中的各个方面，特别是在工业生产中，温度自动控制已经成为一个相当成熟的技术。本次课程设计给我们创造了良好的学习机会：一是查阅资料将自己所学的数字电子技术，模拟电子技术，以及传感器的相关知识综合运用，二是系统了解温度监测特别是工业上的温度控制的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。

在确定课设题目，经仔细分析问题后，实现温度的测量与控制方法很多，大致可以分为两大类型，一种是以单片机为主的软硬件结合方式，另一种是用简单芯片构成实现电路。由于单片机知识的匮乏，我们决定用后者实现。共同确定了总的电路结构，将设计分为三部分，陈涛负责温度传感部分，孙文涛负责温度显示和温度范围控制部分，张晓阳负责温度控制执行电路和声光报警部分。温度传感部分由热电偶构成的温度传感器，数字显示和设定控制部分由模数转换器AD574A、281024 CMOS EEPROM、锁存器74LS175等组成，声光报警和温控加热降温执行电路主要用时基芯片555构成的多谐振荡器和单稳态电路组成。在确定了单元电路的设计后，我们在总结出总体方案框图的基础上，应用Multisim11.0仿真软件画出了各单元模块电路图，最后汇总电路图。

由于缺少实践经验，并且知识有限，所以本次设计中难免存在缺点和错误，敬请老师批评指正。

【课题名称】温度测量与控制电路

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，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。温度传感采用热电偶和温度补偿原理。AD转换部分使用集成芯片AD574A；二进制到8421BCD码的转换用EEPROM 281024实现；显示译码部分用74LS48和数码管实现；温度控制范围设定采用数字设定方式，用74LS160十进制加计数器和锁存器74LS175实现；温度的判断比较数值比较器74LS85的级联实现；通过使用74LS160和ADG508F实现了多路温度循环监测功能。声光报警加入了单稳态。温度控制执行部分采用555构成的单稳态电路，提高了加热系统与降温系统的稳定性和实用性。

【关键词】：温度传感器 A/D转换 控制温度 声光报警 二进制转BCD 译码显示

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；

4. 温度超过设定值时，产生声光报警

一、系统概述和总体方案论证与选择

如图1-1所示，温度传感器部分将温度线性地转变为电压信号，经过滤波放大，一路输入A/D转换电路，经过译码进行数字显示，另一路与滑变分压经过电压比较器进行比较输出高低电平指示信号，温度控制执行模块和声光报警部分。

图1-1 总体设计方案A框图

如图1-2所示，温度传感和A/D转换，译码显示，温控执行和报警均与方案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，另外由滑变设定温度不易调节精确，实际中，若采用电池供电，电源电压的变化会影响其温控范围的准确性。方案B主要采用数字芯片逻辑控制实现，其工作的稳定性准确性和功能扩展性较强。

图1-2 总体设计方案B框图

如图2-1-1所示，温度传感把模块把温度大小转化为电压信号，传入数字显示与温度范围控制模块。使用时将热电偶的热端（工作端）放入被测量的环境中，注意连接导线选用阻值受温度影响小的材料，且有良好的绝缘材料包裹。长时间使用后可对电路进行校准，在标准温度下，测量输出电压值，并通过调整滑动变阻器进行校准。其输出电压Uo(V)和温度T(℃)的关系式为Uo=0.02384*T。

如图1-2所示，温度传感和A/D转换，译码显示，温控执行和报警均与方案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，另外由滑变设定温度不易调节精确，实际中，若采用电池供电，电源电压的变化会影响其温控范围的准确性。方案B主要采用数字芯片逻辑控制实现，其工作的稳定性准确性和功能扩展性较强。

图1-2 总体设计方案B框图

二、单元电路设计 （一）温度传感模块

如图2-1-1所示，温度传感把模块把温度大小转化为电压信号，传入数字显示与温度范围控制模块。使用时将热电偶的热端（工作端）放入被测量的环境中，注意连接导线选用阻值受温度影响小的材料，且有良好的绝缘材料包裹。长时间使用后可对电路进行校准，在标准温度下，测量输出电压值，并通过调整滑动变阻器进行校准。其输出电压Uo(V)和温度T(℃)的关系式为Uo=0.02384*T。

（二）数字显示与温度范围控制模块 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转换和码制转换部分

（2）温度范围设定与温度超限行为判断部分 每部分分别有两种方案： （1） A/D转换部分 方案A.

首先要把温度传感器的电压信号转换成频率不同的矩形波信号。如图2-2-1所示，电压/频率转换电路由一只运算放大器和一只555以及少量电阻和电容组成，运算放大器部分作成差分积分电路，同相输入端是由555的3脚输出端反馈加来的，由于555的触发电平是1/3VCC，因此当输入电压信号Ui在1/2VCC内变化时，该电路的输入电压Ui和输出的矩形波的频率f0具有良好的线性关系（由于该方案最终未被采纳，只给出V/F对应关系表作为参照，见表1，该电路的具体原理和Ui~f0线性关系的详细计算和在此不再赘述）。

图2-2-1 555和差分积分放大电路构成的V/F转换器

V/F转换关系对应表 表1

V/F转换器输出的频率不同的矩形波信号要转化成可数字显示的BCD码，如图2-2-2所示，频率---8421BCD码的转换由4片同步十进制加法器74LS160实现，第（1）片74LS160的RCO进位输出接第（2）片的CLK时钟信号输入端，当第（1）片74LS160计数器进位时，第（2）片74LS160加1，第（2）片再向第（3）片74LS160进位，以此类推，4组QDQCQBQA分别为百位、十位、个位、小数位，分别经过4片锁存器74LS175，接到4片七段数字显示译码器74LS48，再连接数码管即可实现温度的十进制数显示。

把4片锁存器74LS175的CLK时钟端接在一起，引出节点①。4片74LS160的清零端接在一起，引出节点②。V/F转换器的频率信号经过图2-2-4中的与门“U2A”进入③。节点①和②的波形关系需满足如图2-2-3所示关系，即满足“先锁存，后清零”，这样，在“计数开始”（②的上升沿）到“锁存器状态翻转”（①的上升沿）的这段时间t内，通过的波形周期数就等于数码管上显示的数字。时间t的大小可以通过调节图2-2-4中的R、C参数来调整，t =0.7R2C1≈0.49s，使其在这段时间内恰巧通过一定的周期数，就可以使计数器计数到该温度并显示出来。比如，当温度为10.0℃时，V/F转换电路产生一定频率的矩形波，在指定的时间t内，使其恰巧通过100个完整波形，四片计数器的输出状态为00 0000，即可译码显示为“10.0”代表10.0℃

图2-2-3 方案A中 节点①和②的波形关系

该波形由图2-2-4所示电路产生。电容C3起到消除竞争与冒险的作用，没有C3，可能使锁存器锁入数据00 0000，数码管上会显示0.0 (℃)。并引起错误报警，和温控执行电路的不合理启动。

图2-2-4 方案A 清零信号，计数信号，锁存信号产生电路

综上所述，该电路工作过程复杂，虽然理论上可行，也通过了在Multisim中的模拟检测，但是在实际中，图2-2-4中的RC参数也都会受到温度影响，造成测量温度不准确，如果电容C3短路，更可能造成误报警和错误加热操作的不良后果。另外，该电路的功耗太大，不利于实际应用。所以，最终放弃了该方案。 方案B

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，B方案工作稳定性强，不易出错，所以采用B方案。具体电路和实施方案见后文“2.AD转换与解码”。AD574A的详细资料见“元器件明细”。

（2）控制温度设定与温度超限行为判断部分有两种方案：

A.如图2-2-5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Ui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，当实际温度在控制温度附近时，有可能由于其他干扰比如滑动变阻器上的电压若有电池提供，其输出电压会随着使用时间的增加而变化，无人值守时，设定的温度会随着电池电压的减小而变化，达不到理想的温控效果，温度控温精度并不高。

图2-2-5 控制温度设定与温度超限行为判断方案A思路框图

B.采用数字设定方式。如图2-2-6所示：通过计数器精确设定温控范围，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。

综上所述，B方案 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B方案。

图2-2-6 控制温度设定与温度超限行为判断方案B思路框图

B方案的具体实施方案和具体电路图见后文“4、控制温度设定”“5、温度超限判断”部分

最终确定的总体思路框图如图2-2-7：

图2-2-7 最终确定总方案框图

如图2-2-8所示电路，为提高精度，采用AD574A的12位转换模式，其与温度传感器部分的连接方法是：AGND端接，传感器部分的模拟地端，Ui接传感器的输出电压。REF IN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11，换算为十进制数是4095，经过码制转换后，在数码显示管上即显示数字409.5。代表409.5℃。

由于传感器部分的输出电压Ui满足，Ui=kT （T代表温度，单位：℃）即满足k V/℃

UREF IN的可以通过图2-2-8中所示滑动变阻器R1调节。

输出低电平时，AD574A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AD574A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。

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4096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4096个二进制码温度值到8421BCD码的转换。该4096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AD574A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74LS48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2：

表2 存储器281024地址和数据对应写入单元数据

281024的详细工作参数见“元器件明细”。

百位、十位、个位、小数位共4组16位8421BCD码依次输入4片74LS48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2-2-9所示，

U4、U5、U7为7段数码管，U6为8段数码管，4个数码管共阴极均接地。U6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2-2-9译码显示电路图

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按钮式开关，其弹起时接+5V高电平，按下时接地处于低电平，当进行设置时，“启动温度设置”处于高电平（有专门开关控制，图中未画出，见总电路图），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。其数据输出端共有两个去向，

去向1：接译码显示电路即可实时显示设定数值的变化，与门7408的作用是控制计数器的数据输出，“启动温度设置”处于高电平时，计数器数据可以输出到译码器；“启动温度设置”处于低电平时，阻断了计数器数据向译码显示电路输出。

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时钟端分别接在一起引向两个按钮式开关，一个是“锁定温度上限”按钮，另一个是“锁定温度下限”按钮。开关常态接地，按下时接+5V高电平，锁存器锁入数据。锁存器的输出端接数值比较器，比较实际温度和设定值的`大小关系。

如图2-2-11所示，共有8片数值比较器74LS85（其功能表见附录），（1）~（4）片级联用于比较监测温度和设定的温度上限的大小，（5）~（8）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：

当测量温度低于设定的温度下限时，（5）片的OALTB（A

当测量温度高于设定的温度上限时，（4）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。

两个与门U10A和U17A的作用是控制后续的温控执行和报警电路的开启或关闭。

或门U9A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

控制温度设定装置电路图

6、多路温度循环检测功能

如图2-2-12所示：由555和阻容元件构成的多谐振荡器，其产生的矩形波周期可可通过改变滑动变阻器A调节（5s~10s），其输出接74LS160的CLK时钟端，图中74LS160处于计数状态，其低三位QCQBQA依次产生000,001,010,011,100,101,110,111八个状态，一路输入模拟开关ADG508F的地址端A2A1A0，这样，模拟开关将会依次导通S1~S8，从D端输出到模数转换器。其通道切换频率由时钟信号频率决定。实现了8路温度的循环监测。另一路输入译码显示电路，显示当前所监视的线路。

7、方案的优点与缺点以及改进

（1） 图2-2-10中的各与门都是起控制信号通断的作用，不如将其替换为模拟开关（如图22-2-13）实现信号的切断和导通，并且省去了与译码显示部分连接的或门（单元图中未画出，详见总电路图），使电路结构进一步简化，变得更可靠，使性能更加稳定，功耗更低。

（2） 由555和阻容元件组成的多谐振荡器可以采用集成芯片实现，由于555的功耗相对较大，采用集成芯片更有利于节省电能，延长使用时间。 多路温度检测功能电路图

该模块的最终整合电路图见附录1

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。发光二级管闪烁，并发出蜂鸣报警。报警时蜂鸣的频率和发光二极管闪烁的频率均为2Hz,作用的占空比为58.3%。

如图2-4-1所示，温控执行电路由当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，加热电路进入暂稳态，3脚输出高电平，继电器吸合，启动加热降温设备进行加热和降温操作。1~10分钟后（可根据实际情况通过滑动变阻器R3，R4调整），若温度仍低于或高于设定温度，电路不能复位，3脚仍输出高电平，加热或降温操作继续进行。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。

限于篇幅和纸张大小，见附录2

本次温度测量与控制电路的设计主要内容如上所述，在此次设计中运用到的知识大多数为课本所学。设计中难免有缺点和漏洞，真诚希望老师指导，以求改进。

本次设计中有如下几个难点：

一是12位的A/D转换电路，在这一部分的设计中我们查阅了大量资料，最后决定用AD574A模数转换器，这样以来不仅实现对于模拟信号的数字转换，同时也提高了精度的要求。

二是如何将12位二进制数转换成8421BCD码的问题，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，具体电路图和转换关系如上所述。

三是温度的设定和朝鲜判断，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器控制，使滑动变阻器的分压参与电路中的信号处理，由于其种种缺点，最终放弃了该方案。使用计数器、寄存器、数值比较器、译码显示装置、实现了将控制温度直接以直观的数字量直接输入，并以8421BCD码的形式输入数值比较器进行温度判定，也实现了输入温度的连续可调，而且极大地提高了准确度、直观性

以上即是对本次设计中的主要问题的讨论与解决方案，敬请老师给予指正，以求得更好的解决方法。 五、参考文献

1.《传感器原理与应用》 程德福 王君 凌振宝 王言章 编著

机械工业出版社 2008年1月第一版

2.《数字电路设计手册》 荀殿栋 徐志军 编著

电子工业出版社 2003年7月第一版

3.《Multisim8仿真与应用实例开发》 从宏寿 程卫群 李绍