温度检测及控制电路课程设计

模拟电路课程设计

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一、设计课题：温度监测及控制电路的设计二、主要内容

1、设计由双臂电桥和差动输入集成运放组成的桥式放大电路。 2、掌握滞回比较器的性能和调试方法。

3、 学会系统仿真、测量和调试。 。 三、设计要求

1、撰写设计说明书一份(3000字左右) 2、仿真

四、课程设计说明书的主要内容及撰写顺序

1、课题名称 2、设计任务书 3、中英文摘要和关键词 4、目录5、绪论 6、正文（分章、节、小节三级标题撰写）

1）方案选择与论证 ；

2）方案的原理框图，总体电路图及原理说明；

3）单元电路设计与原理说明，元器件选择和电路参数计算说明； 4）电路仿真。对仿真中出现的问题进行分析，并说明解决的措施；测

试、记录、整理与结果分析。

7、收获体会、存在问题和进一步的改进意见等。 8、参考文献 9、谢词

10、附录A ：总电路图和PCB 图

附录B ：元器件清单

附录C ：集成模块的管脚排列与管脚功能

五、参考文献

摘要

随着数字化时代的到来，用传统的水银或酒精温度计来测量温度, 不仅测量时间

长、读数不方便、而且功能单一, 已经不能满足人们的要求。于是提出，测温电路利用铂热电阻桥式温度传感器监测外界温度的变化, 通过三运放差分放大电路将温度传感器的阻值变化转换的电压信号的变化放大, 然后利用A/D转换实现模拟信号到数字信号的转换，, 根据模拟电路部分电路原理计算得出最后输出电压与温度值的关系, 并通过数码管显示当前值，使其与温度数值上相等，从而实现温度的测量；并利用单限比较器来实现对温度的控制，通过设定温度上下限可使整个系统工作于一个限定的温度范围内；再者还加载了报警装置，当被测温度超出设定温度范围时，声光报警装置工作，使它的功能更加完善，使用方便起来。本设计是采用了温度的测量、温度的显示、温度的控制和报警装置三部分来具体实现上述目的的。

关键字：热电阻， 三运放差分电路，，A/D转换器，LED 显示电路 Abstract

With the advent of the digital age, with the mercury or alcohol thermometer to measure temperature, not only to measure a long time, reading is not convenient, and a single function, can not meet people demands. Therefore proposed that the temperature measurement circuit uses platinum thermistor bridge temperature sensor to monitor the outside temperature changes, and three op amp differential amplifier circuit resistance change of the temperature sensor to convert the voltage signal changes enlarge, then use the A / D converter for analog signal to digital signal conversion, the relationship of the final output voltage and temperature values, calculated according to the part of the circuit schematic of the analog circuit and digital display current value equal to the temperature value, enabling the measurement of the temperature; and use single limit to the temperature control by setting the temperature of the upper and lower limits to bring the whole system in a limited temperature range; Furthermore, the alarm device is loaded, when the measured temperature exceeds the set temperature range, sound and light alarm device, so that its function is more complete and easy to use up. The design is the measurement of temperature, temperature display, temperature control and alarm device three parts to concrete realization of these purposes.

目 录

一、前言- 二、绪论

三、 温度测量与控制设计设计思想及方案论证 3.1设计思想

3.2设计原理框图 3.3设计方案论证 3.4 模块划分

四、 单元电路设计与原理说明、电路参数和仿真结果说明 4.1单元电路设计

4.2 温度测量的实现过程及参数计算 4.3 调试重点和仿真结果 五、温度控制及报警电路。 5.1温度的测量和实现原理图 5.2控制电压的设定 5.3报警部分的实现

六、各参数设定、元件说明及仿真结果。 6.1参数设定： 6.2 元件说明

6.3 仿真结果（见附录） 七、设计体会与总结 八、参考文献- 九、谢词 十、附录

附录A 电路图 附录B 元件清单 附录C 管脚功能

前 言

《模拟电子技术》是一门发展迅速、实践性和应用性很强的电子技术专业基础课程。为了适应现代电子技术飞跃发展的需要，更好的培养21世纪应用型电子技术人才，需要在加强学生基础理论学习的同时，还要加强实验技能的训练。提高动手能力和课堂理论知识是相辅相成的。将理论知识、课题内容的作业、讨论与技能训练相结合，融为一体，课程设计以此为目的使能力培养贯穿于整个教学过程 。

本次课程设计（温度监测与控制原理）综合了模拟电路中的许多理论知识，它使我们学过的相关理论知识得到更好的巩固，并使理论知识与实际问题相联系。提高自己的动手实践能力、安装与检测电路的能力。

本系统具有通用性强，简单实用，性价比高等优点，只需对系统中的传感器进行简单的调整，就可以方便地用于其它用途的测量系统，如心电测量，压力测量等。

本系统在设计中对于Pt100的阻值与温度的关系存在非线性这一点没有严格考虑，这一点将制约系统的测量精度，是下一步进行改进的主要研究问题。

其中主要涉及到的基础知识的应用，放大电路的分析方法和应用，集成运放放大电路与基本运算电路的性能与作用，基本偏置电路的设计及其应用等。涉及到了应用PCB 板的一些基础知识。对于综合运用所学过的知识有一定的帮助和巩固。

限于个人能力有限、时间创促和初次设计该课题，设计中难免存在错误、错漏和不妥之处，恳请老师给予指正，在此致谢！

三、 温度测量与控制设计设计思想及方案论证

3.1设计思想

由于本设计是测温及控制电路，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，进行放大滤波，设计需要用到测温电路，放大电路。 本设计所介绍的数字温度计与传统的温度计相比，简单而可行，具有方便，测温范围广，测温准确。温度传感器采用铂热电阻，放大电路采用误差小，精度高的三运放差分电路。 3.2设计原理框图

工作原理

原理框图

3.3设计方案论证

温度测量电路由正温度系数电阻特性的铂热电阻Rt100为一臂组成测温电桥，经测量放大器和滤波电路后输出；其值与控制温度相比较，超出设定温度范围则报警电路工作产生声光报警。

3.4 模块划分

由电路工作原理，本系统可划分为二个模块：

① 温度测量电路 ② 温度控制和报警电路

四、单元电路设计与原理说明、电路参数和仿真结果说明

4.1单元电路设计

温度的测量和实现原理图

图2.0 测温电路

工作原理：温度测量电路如图2.0所示，它由传感器电桥、三运放差分放大器和二阶低通滤波器组成。采用阻值Rt=100的铂金属热电阻为传感器，它由较高的测量精度，并且在较大的温度范围内有很好的线性。通过测温电桥把电阻随温度的变化转换为电压的变化，再通过一个三运放差分放大电路将小信号电压值放大，最后经过一个二阶有源低通滤波器，得到电压值。首先调节滑动变阻器Rp1使温度等于0℃时输出电桥平衡，即输出为零；然后调节滑动变阻器Rp2改变电压放大倍数，使温度等于100℃时，输出电压为1V ，满足输出电压和温度成线性关系，这样数值关系有U0=T/100。由该电压值可以直接推知当前温度值，从而达到温度测量的目的。

4.2 温度测量的实现过程及参数计算

1） 铂电阻温度传感器

铂电阻温度传感器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度

传感器, 分为PT100和PT1000属于正电阻系数, 特点：极佳的

¸

80%

R210kΩ

线性，宽广的测温范围（-200～600℃），高精度，

实现方式：桥式测电阻。如右图所示： 其电阻和温度变化的关系式： R=Ro(1+αT) 其中α=0.00392, Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T 为摄氏温度； α=0.00386，Ro 为1000Ω(在0℃的电阻值),T 为摄氏温度。 用传感器电桥实现温度测量，

工作原理：利用电桥将随温度变化的阻值转换为电压，电桥输出电压为：

Ux=U(R1.Rp1—R2Rt)/(R1+Rt)(R2+Rp1)

若取R1=R2=R0,调节电位器，使其等于00C 时的Rt 值Rt0，则，00C 时电桥输出Ux=0V，当温度变化使热电阻的阻值增大△Rt 时，电桥输出：

Ux=—R0△Rt/（R0+Rt0+△Rt ）(R0+Rp1)·U ， （式1）

式中分母中含有△Rt 项，故除测温电阻的非线性误差外，又增加了转换电路的非线性误差。故选择参数时应注意要满足△Rt 《R0+Rt0这一条件。

参数选择：由Rt20=107.91Ω，Rt93=136.4Ω，Rt165=163.93Ω，

选R1=R2=10kΩ

∵R1》△Rt, Rp1=Rt0, △Rt=R0·ɑT

∴输出电压Ux ≈—R0△Rt/（R0+Rt0）（R0+Rp1）·U=—8.82×10-4△Rt=—3.45

×10-4T

仿真结果：A=80％，即Rp=100时，输出电压为零。

2）差动放大器及方案选择

根据输出电压信号的特点，前置级应该满足下述要求：（1）高输入阻抗。输出信号

是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。

一般情况下，信号源的内阻为100k Ω，则放大器的输入阻抗应大于1M Ω。（2）高共模抑制比CMRR 。前置级须采用CMRR 高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。（3）低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。

如图2.3所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求。放大器的第一级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。第二级采用差动电路用以提高共模抑制比。

图2.3 三运放差分放大电路

如图2.3为三运放构成的差分电路，这是一种现代工程中常用的差分放大结构。运放A3和A4构成放大部分，A5为差分放大部分。从电路结构可知，该电路具有输入阻抗、共模抑制比高，温漂影响小和二级放大信号失真小等优点。

当R3=R4，R5=R6时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即：

Avd=(（Rp+2R1）/Rp)(R6/R4) （式2）

由此可知，上述电路具有输入阻抗高，共模抑制比高等优点，故选用此三运放差分电路来放大小输入电压信号Ux 。

参数选择：R1=R2=5.1k ，Rp=30k ，R3=R4=1k ，R5=R6=20k

则输出电压U0=(（Rp+2R1）/Rp)(R6/R4)Ux，通过改变Rp 可以改变电压放大倍数。调节Rp ，使温度100℃时，输出电压U0值为1V 。最终保证输出和温度数值上的一个线性关系，通过电压值可以知道温度值，而达到测量温度的目的。

3）滤波电路

图2.4 滤波电路

该电路为二阶有源低通滤波电路，本系统中主要用于去掉50Hz 信号和其他随机噪声的干扰，在对测量信号进行A/D转换和显示之前对放大信号进行滤波，得到一较为稳定的输出信号。从滤波效果好和电路尽可能简单的角度考虑，如图2.4所示，该滤波电路采用高精度运放OP07。

① 通带电压放大倍数：LPF 的通带电压放大倍数就是f=0时输出电压与输入电压之比，而

对于直流信号而言，电路中的电容相当于开路，因此它的通带电压放大倍数就是同相比例电路的电压放大倍数，此电路相当于一电压跟随器，即Av=1。 ② 传递函数：Av （s ）=Av/(1+（3—Av ）sCR+(sCR)2)

③ 频率特性：令s=jw，w 0=2*pi*f0=1/RC，可得A=Av/[（1—（f/f0）2+j（3—Av ）f/f0）]

当f= f0时，A=Av/j（3—Av ） 品质因数Q=A｜f= f0 /Av=1/(3—Av)

由二阶压控LPF 的幅频特性可知，当Q=0.7是滤波效果最好，此时Av=1.57。正是从这一点考虑，加上本系统滤波的需要设计了图2.4所示的二阶压控LPF ，此二阶压控LPF 的上截止频率为f 0=7.96。

4.3 调试重点和仿真结果

三运放差分电路两输入端均接地时，Ui=0，输出Uo 若有一个电压，需要对集成运放进行调零，使其输出为零；将Rt 换成其100℃时的阻值138.5 Ω，电桥输出电压为34.5mV ，调节滑动变阻器使其输出为1V 。图2.0所示，

仿真结果：Rt=138.5 Ω时，则示波器XM1输出1.009V ，XM2输出34.3mV ，XM4输出1.006V ，

基本满足关系。

五、温度控制及报警电路。

5.1温度的测量和实现原理图

工作原理：左边分压电路通过电阻分压，1、2端输出电压分别作为控制电压作为U2A 和U1A 的输入，其中，U1A 正端输入为上限值，U2A 负端输入为下限值，并通过滑动变阻器可实现连续可调。两片555定时器作为报警电路：第一片为单稳态触发器，第二片为多谐振荡器。将温度测量部分输出的电压信号接到电路输入Ui 端，当测量电压大于U1A 发光二极管LED2亮，或小于U2A 时，二极管LED1亮，74LS32输出为0，通过两个发光二极管的亮的位置可以判断此时温度过高还是过低。此时第一片5552输入端有一负脉冲，单稳态触发器进入暂稳态，输出3管脚为1，第二片555开始工作，输出一定频率的方波，驱动扬声器工作，从而产生声光报警。 5.2控制电压的设定

对温度测量的一个目的就是要对温度实现控制，此电路对温度的控制是靠一个单限比较器来定制一个预定温度的界限，将一个集成运放接成电压比较器的形式，输入一端接设定电压，一端接温度测量部分的输出电压，当测量电压超过设定值时，电压比较器输出为0。 图2.6给出了一个单限比较器。输入信号Ui 接上面 温度传感器的输出Vo, ，它加到U1A 反相输入端，在 同相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur1（根据的 最高温度设置）, 同理Ui 接U2A 的同相输入端，反相 输入端接参考电压Ur2（最低温度设置）。当输入电压 UiUr2时，即温度低于最高设置值低于最 低设置值时，输出为高电平UOH ，

方案选择：考虑到电路实现要简单易行，故选用 分压电路设置控制电压Ur ，且通过滑动变阻器的调节 可以实现控制电压连续可调。通过集成运放LM324与

输入电压比较。

控制上限电压Ur1=R5/(R1+R5)·Vcc

控制下限电压 Ur2= R3/(R2+R3)·Vcc （式3）

参数选择：由于测温范围20～165℃，所对应电压仅为几伏左右，所以分压电路选择12V 电源，R1=R2=3.3KΩ,R3=R5=1KΩ已经完全可以满足要求；集成运算放大器用LM324即可，LM324简单方便且不用调零。 5.3报警部分的实现

当温度超出设定值时，实际就需要报警来提醒，故用声光报警电路来完成此功能。本系统利用555来实现声音报警：两片555构成单稳态和多谐振荡器，当需要时产生一定频率的方波信号驱动扬声器发声。而仅需用发光二极管和非门接在图2.6的输出端即可实现光报警。

电路原理图如2.7所示：

图2.7 声光报警电路

工作原理：把图2.6的Vo1接到74LS00的4管脚，Vo2接到74LS00的5管脚，

当温度的输出电压即Vi 过高，高于设置的Ur1时，发光二极管LED2发光，当温度的输出电压即Vi 过低，低于设置的Ur2时，发光二极管LED1发光；当出现光报警时，第一片555的输入端2管脚为低电平，单稳态触发器进入暂稳态工作状态，输出高电平，驱动第二片555构成的多谐振荡器，最终扬声器响，从而实现了声光报警。其中，单稳态触发器延迟时间Tw=1.1RC。

六、各参数设定、元件说明及仿真结果。

6.1参数设定：

1) 为使555构成的多谐振荡器能一段时间稳定输出报警，故Tw 应稍大点，取R8= 5M Ω,C3=10uF,此时Tw=1.1（R7+R8）C3≈60s ；

2) 为使555构成的多谐振荡器输出一个较合适的频率，且使扬声器能正常工作，取 C4=C6=5KΩ,C1=0.01uF，则扬声器发出的声音频率为f=1.44/（R4+2R6）C1=9.6kHz； 3) 555的5管脚不用时通过一电容接地，一般取C2=C4=0.01uF； 4) 为使能驱动扬声器工作，C5应稍大点，取C5=160uF。

6.2 元件说明

（一）LM324：是常用的双极型放大器四运放，其管脚如图002所示，它在一个14脚芯片里封装了四个放大器，没有引出调零端。它的特点是：单电源工作，输入和输出都可以接近到地点位。其具体性能指标如下。

● 输入失调电压：典型为3mV ，最大7mV ● 输入失调电压温漂：最大7uV/℃ ● 输入偏置电流：典型45nA ，最大150nA ● 输入阻抗：典型2M Ω，最小0.3M Ω ● 共模输入电压：0 — Vcc —1.5V ● 共模抑制比：80dB ● 转换速率：0.3V/us ● 稳定时间：0.5us

● 电源电压范围：3—32V ，可双电源供电 ● 电源电流：四个运放典型值1.4mA ，最大

值3mA

LM324实际由三个系列产品组成，即LM324、LM224和LM124。在民用电子产品中获得大量的应用。

（二）555定时器：

表 2.6.1 555定时器功能表

本设计中555定时器主要用来设计报警电路。主要有由555构成的单稳态触发器和多谐振荡器。

1：555构成的单稳态触发器

图0031为由555定时器构成的单稳态触发器，其工作原理如下：接通电源瞬间，uc=0V, 输出u0=1,放电三极管T 截止。Ucc 通过R 给C 充电。当uc 上升到2Ucc/3时，比较器C1输出变为低电平，此时基本RS 触发器置0，输出u0=0。同时，放电三极管T 导通，电容C 放电，电路处于稳定，稳态时u1=1。

当输出负脉冲时，触发器发生翻转，是u0=1，电路进入暂稳态。由于u0=1,三极管T 截止，电源Ucc 可通过R 给C 充电，当电容C 充电至uc=2UCC/3时，电路又发生翻转，输出u0=0，T 导通，电容C 放电，电路自动恢复至稳态。可见，暂稳态时间由RC 电路参数决定。若护绿T 的饱和压降，则电容C 上电压从0上升到2Ucc/3的时间，即输出脉冲宽度tw 为；

Tw=RCln3=1.1RC 这种单稳态电路工作波形如图0032所示。

当输出信号由高电平变为低电平时，555内部的放电三极管T 导通，电容C 通过T 放电，由于T 饱和导通时电阻很小，因此电容电压迅速减小为0V ，电路恢复到稳定状态，为下次触发做好准备。在图7.29电路中，它要求触发器脉冲宽度小于tw 。并且输入u1的周期大于tw. 如果输入脉冲宽度大于tw, 可在输入端接一个RC 微分电路，使输入负脉冲经RC 微分变窄后再接到单稳态触发器上。

通常R 取值在几百欧姆到几兆欧姆，电容取值在几百皮法到几百微法。因此，电路产生的脉冲宽度从几微秒到数分钟，精度可达0.1%。 2：555构成多谐振荡器

555定时器，构成多谐振荡器如图0041所示，图0042为其工作波形。

当接通电源Ucc 后，电容C 上的初始电压为0V ，比较器C1，C2输出为1和0，使u0=1,放电管T 截止，电源通过R1,R2向C 充电。Uc 上升至2Ucc/3时，RS 触发器被复位，使u0=0,T导通，电容C 通过R2到地放电，uc 开始下降，当uc 降到Ucc/3时，输出u0又翻回到1状态，放电管T 截止，电容C 又开始充电。如此周而复始，就可在3脚输入波形信号。

由图0042可见，uc 将在Ucc/3与Ucc/3之间变化，因而可求得电容C 上的充电时间T1和放电时间T2

T1=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)C T2=R2Cln2=0.7R2C 所以输出矩形波的周期为

T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C 振荡频率 f=1/T=1.44/(R1+2R2)C

占空比 q=R1+R2/ (R1+2R2)>50% 如果

R1>>R2，则q=1，uc 近似为锯齿波。

6.3 仿真结果（见附录）

在本设计中，多谐振荡器输出端接扬声器，用来声音报警。

将输出端接PROBE 灯泡当被测温度过高时，X2和X3同时亮，当被测温度过低时，X2和X1同时亮；当产生声光报警时，X1持续亮，而由于555输出端为频率为f 的方波，故X2一闪一闪的。

设计后总的电路图, 图中分别有温度的测量、控制和报警部分。设计内容的实现，是通过铂热电阻桥式传感器将温度转为电压信号，经过放大器放大后输出，输出信号接两个LM324单限比较器，一个LM324单限比较器的输出端通过与控制电路的分别发光二极管相连，经过或门与报警电路的输入端连接，由此设计任务完成。

七、设计体会及总结

此次课程设计，我设计的是温度测量与控制电路，这个课题涉及到模电与数电的相关知识。这个课题经过查阅大量资料，分析题目以及老师的帮助与指导，最终确立一套可行的方案，并通过Mulisim 仿真，总结课程设计论文，完成本次设计，从中我获益良多。具体如下: 1. 通过本次实践，我最大的障碍在控制电路的设计上，通过查阅大量图书，并在老师的启发下才有了初步进展，本次课设让我经历了一次发现问题，解决问题的具体过程，这是我今后学习研究的良好开始，为以后的设计做好铺垫，打好基础。

2. 我深刻得理解了理论与实践的差异，实践远比理论要难得多，只有经过大量的试验才能得要预期的结果。

3. 单单利用课堂上学到的知识来完成课程设计是远远不够的，因为设计是一个系统化的，多元化的，所以我们必须查找大量资料来完成设计。当然，在查阅资料过程中，我们必须得用心学习，提取精华，掌握原理，并结合设计要求来确定可行方案进而完成设计。

总之，本次课程设计，我体会到，遇到困难不可怕，总能找到突破口，最终解决问题；不管什么时候自己的知识总是有局限性的，我要一直抱有不断求知的态度去学习，戒骄戒躁，必将受益匪浅！

八、参考文献

1、马建国主编. 电子系统设计. 北京：高等教育出版社，2004 2、康华光主编. 模拟电子技术.. 北京：高等教育出版社，2007

3、实用电路分析. 刘春晖主编. 北京电子报.1995

4、电子系统设计与实践. 周群，杨刚主编. 电子工业出版社.2004 5、模拟集成电路应用. 王秀杰，张畴先. 西北工业大学出版社.1994 6、模拟电子技术. 程开明主编. 重庆大学出版社.1992

7、电路分析与电子技术. 湖南工学院电工电子实验室编2005

8、PROTEL 99SE原理图与PCB 及仿真. 清源计算机工作室. 机械工业出版社.2005 9、电工电子技能训练. 熊幸明主编. 电子工业出版社.2005 10、电路分析. 曹才开主编. 清华大学出版社.2005 11、大学生电子设计网、http://www.uednet.com

12、中国电子元器件咨询网、http://www.chinacomponents.com.cn 13、电子课程设计网、http://www.edatime.com

14、模拟电子技术精品课程设计网、

九、谢 词

本次课程设计在设计过程中得到李海鲲老师的悉心指导。并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。对肖梅老师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢诸位老师等对我的帮助，她们细心指导我的学习与设计，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。 我还感谢机电学院为我们提供了良好的设计条件，让我顺利完成此次课程设计。最后，我衷心的感谢长安大学对我们的教育和支持。

十、附录： 附录A ：

附录B ：元件清单

附录C ：

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。