温度测控及其数显电路设计.docx

班级：电气3111班 姓名：曹阳 学号：20 课题：温度测控及其数显电路设计
一、设计目的
电子技术课程设计是模拟电子技术、数字电子技术课程结束后进行的教学环节。其目的是：
1、培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。
2、学习较复杂的电子系统设计的一般方法，提高基于模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。
3、进行基本技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。
4、培养学生的创新能力。
二、设计要求
1、电源电压：±5V；
2、主要单元电路和元器件参数计算、选择；
3、画出总体电路图；
4、设计、焊接电路，实现预期功能；
5、调试电路；
6、提交格式上符合要求，内容完整的设计报告。
三、总体设计
本课题的任务是由温度检测电路、信号放大电路、V/F变换电路、频率测量电路和计数译码显示电路组成。电路通电后LED显示实时温度测量，超过设定值，电路进行报警。

PCB电路如下图

四、单元电路设计
4.1温度检测电路
温度检测电路主要由并联式稳压器、电桥和差分放大器组成，在电路调试过程中通过调节R5来模拟PT100的温度变化。
4.1.1 PT100铂热电阻
PT100铂热电阻是一种以铂金(Pt)做成的电阻式温度检测器，其具有稳定性好、测量精度高、输出T-R线性度都好等优点，PT100属于正电阻系数热电阻，电阻和温度变化的关系式如（表1）所示：
R(t)＝R0(1＋At＋Bt2)
R(t)是温度为t时铂热电阻的电阻值Ω；(t)为温度℃
R0是温度为0℃时铂热电阻的电阻值Ω；
A、B为分度常数：A＝0.0038623139728；B＝-0.00000065314932626。
（表1）
4.1.2 TL431
TL431是TL、ST公司研制开发的并联型三端稳压基准。由于其封装简单（型如三极管）、参数优越（高精度、低温漂）、性价比高，近年来在国外已经得到了广泛应用。 TL431外形及典型应用电路如（图1），在典型应用电路中,R1、R2和TL431组成了高精度并联稳压电源，如要改变输出电压VKA，可通过调整R1和R2的阻值，输出电压VKA便可在Vref（标称2.5V）至36伏之间任意设定。

（图1）

4.2信号放大电路
由R14，LM358，R15，R28，R24，C4组成同相比例运算放大器，主要有2个作用，其一是用于将上一级的信号进行同相放大，其二是调整因元件参数偏差引起的测量误差，调节R28电位器可改变其放大倍数。
LM358双运放集成电路，采用8脚双列直插塑料封装，其内部包含两组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，两组运算放大器相互独立，引脚及内部方框图如（图2）所示，LM358具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种电路中。

（图2）

4.3 V/F变换电路
V/F变换电路主要由LM331和其少量外围器件组成的电压频率转换电路。主要作用是将电压转换为频率值。
LM331 是美国NS 公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件应用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V 电源电压下都有极高的精度。LM331 的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz 时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12 位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F 或F/V 等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331的引脚图，基本V/F变换应用图如（图3）

（图3）

4.4计数译码显示电路
当V/F完成了A/D的转换，接下来就需要计数器的配合了，即在规定时间内对V/F转换器的输出脉冲进行计数，计数值表示了V/F转换器所输入的模拟电压大小。计数器选用CD4553,它是三位十进制（BCD码输出）计数器，译码器选用CD4511，它设有锁存器、七段显示译码器和输出驱动电路，显示选用SM420363数码管。
4.4.1 CD4553
CD4553是3位十进制计数器，它只有1组BCD码输出端，要完成3位输出，所有它采用动态扫描输出方式，通过选通脉冲信号，依次控制3位LED数码管输出。 CD4553引脚功能：CLOCK：计数脉冲输入端，下调沿有效；CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子；MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效；LE：锁定允许。当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入；DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数；DS1、DS2、DS3：位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制；Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。
CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0～Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位选通信号。

（图4）
4.4.2 CD4511
CD4511是常用的七段显示译码驱动器，它的内部除了七段译码电路外，还这有锁存电路和输出驱动器部分，具有输出电流大，最大可达25mA,可直接驱动LED数码管。CD4511由4个输入端A/B/C/D和7个输出端a~g，它还具有输入BCD码锁存、灯测试和熄灭控制功能，它们分别由锁存端LE、灯测试LT、熄灭控制端BI来控制。引脚及真值表如（图5）所示。

（图5）

4.5门控电路
采用V/F转换器进行A/D转换，就应该对V/F转换器输出的频率在固定时间内进行计数，这里我们设置的固定时间是0.25秒。也就是说在0.25秒内CD4553计数器收到的脉冲个数，为了配合CD4553计数，固定时间计时由CD4060组成的计时电路来完成，CD4060它是一个14位的二进制计数器/分配器/振荡器，电路振荡部分采用32.768kHz的晶振作为信号发生，然后再经过14级分频后，得到一个2Hz占空比相等的脉冲信号。频率为2Hz周期为0.5秒，即高电平0.25秒低电平0.25秒。CD4553的DIS为计数允许控制端，高电平禁止计数，低电平允许计数；LE为锁存控制端，高电平时寄存器内容保持不变，低电平时计数值送入寄存器；MR为计数器复位端，高电平复位，复位仅对计数值进行复位，对寄存器值没有影响。根据这个控制逻辑我们将门控信号直接送入LE，然后经过倒相后送入DIS端，在LE端接入RC电路对计数器定时清零。当门控信号为高电平时，计数器允许计数，当门控电路变化为低电平时，计数器禁止计数，同时LE为低电平，计数值锁存到寄存器中；当门控信号再次由低电平转换为高电平时，门控信号上接入的RC电路对计数器进行清零。OVF为计数益处端，当计数器值超过最大计数值时，计数器益处进位，D1闪烁。
CD4060 由一振荡器和14 位二进制计数器位组成，组成接通图如（图6）所示。振荡器的结构可以是RC 或晶振电路。CR 为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。在输入脉冲φ1和φ0的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制

（图6）

4.6超温报警电路
超温报警电路由基准电压和电压比较器组成，主要由LM358及其外围器件组成，比较器输出高电平，启动声光报警电路。

五、调试
1、调节R4，使U1_3=4.096V；
2、断开J1、J2，调节R5=100Ω；
3、连接J1，调节R25使U2_1=0V;
4、断开J1，调节R5=138.5Ω；
5、连接J1，调节R28使U2_7=1V；
6、连接J4的WORK端，调节R41、R29使U6_3的输出信号频率f=4kHz；
7、断开J1，连接J2调试完成。

六、电路测试及测试结果
在电路调试完成后，接通±5V电源，用电烙铁对PT100烘烤加热，数码管能够显示实时温度值，当超过设定的190℃时电路进行报警，LED发光蜂鸣器响。

七、设计总结
在本次为期两周的课程设计中，我不仅了解了电子设计过程中常用的电路，以及一些器件的调试方法。理论联系实际不仅加强了自己对数电模电等学科知识的理解，更加强了自己的动手操作能力。
此次我课程设计的课题是“温度测控及其数显电路设计”，刚拿到这个课题时感觉很迷茫课题很难不知道该干什么，在指导老师的要求下，我们按照规划的时间先分析课题、查阅资料、了解设计线路，最后老师确定设计电路发放元器件自己焊接。由于之前进行过电子实习我们对焊接还是比较熟悉，工艺基本达到要求也没有因为温度过高损坏器件或焊点虚焊接触不良导致无法使用。
然而最难的是进行调试，调试过程的每一步骤都要严格按要求执行，因为铂热电阻每1℃电压变化10mV，所以如果调试过程中误差较大就无法满足要求。虽然反复调试了多次才得以符合要求，但也磨练了我的耐心和一丝不苟的态度。
通过此次电子课程设计，我体会到了理论联系实践的重要性。没有好的模电数电理论就难以分析设计电路不知如何调试，没有足够的实践动手操作经验就不能使自己的产品达到要求，这两者缺一不可。这次课程设计极大的激发我对电子电路的兴趣并且充实了自己，使自己更加进步。

八、参考文献
1、康华光，邹寿彬，秦臻.电子技术基础数字部分（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006.1
2、童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）. 北京： 高等教育出版社，2006.5
3、邱关源.电路（第五版）. 北京： 高等教育出版社，2006.5
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