1、本 科 毕 业 设 计多路温度检测电路的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要温度是工农业生产和日常生活中常见的和最基本的工艺参数之一，对温度的测量及控制占据着极其重要地位。本文采用数字电子技术，使测温系统测温的精度、可靠性有一定提高，测温系统外围结构也大为简化。在工业生产中，可大幅提高生产效率。对改进生产和生活有很大的作用。设计的主要任务是设计一个可以多点测温的电路，温度传感器检测得到的温度经过多路输入后经过 5 倍放大电路，再 A/D 转换后得到数字信号输出，不仅可以显示温度值，还能够直接读出该温度所在的通道。该设计还包括一个温度比
2、较电路和一个报警电路，可手动设置报警温度，放大信号进入比较电路，跟手动设置的温度进行比较，当测量温度大于设置温度时即报警电路工作，发出警报，指示灯亮。否则，工作正常。本文采用数字电路构成控制器，按照一定的频率实现多路温度信号的循环检测。在仿真软件环境中设计各单元电路，并将各单元电路封装即可得总体电路。再经调试、仿真得到多路温度检测系统。结果表明，该设计方案正确可靠，检测精度等符合设计指标。经扩展可实现更多通道温度检测系统，为应用于一般的多通道数据采集系统的设计提供了可靠的理论支持。关键词：温度检测；电子设计自动化；多路IIAbstractTemperature is one of the mo
3、st common and basic parameters in the industry and agriculture production and daily life, in temperature measurement and control of occupied a very important position .This paper USES the digital electronic technology, make temperature measuring system temperature measuring accuracy and reliability
4、have improved, temperature measurement system simplifies the outer structure .In industrial production, can dramatically improve the production efficiency .To improve the production and living a huge difference .Design of the main task is to design A multi-point measurement temperature circuit, the
5、temperature of the temperature sensor detection through multiple road get input amplifier circuit after five times and then get A/D conversion digital signal output after temperature, not only can display, it can directly read the temperature in the channel. This design also includes a temperature i
6、s circuit and an alarm circuit, can be manually set alarm temperature, boosting signals into the comparative circuit, the temperature with manual Settings comparison, when measuring temperature is greater than setting temperature alarm circuit work, alarms, indicator emit light .Otherwise, working n
7、ormally.Adopting digital circuit constitute controller, according to certain frequency realize multiple temperature signal cycle detection .In the simulation software environment design each unit circuit, and will be available to each unit circuit encapsulation overall circuit . Then after commissio
8、ning, simulation get multiple temperature testing system .The simulation results show that the design scheme, accurate and reliable detection accuracy, etc in accordance with the design index .Can be realized by this expansion temperature detection system, more channels for applied to general multi-
9、channel data acquisition system design provides the reliable theory support .Keywords: Temperature testing; Electronic design automation; multi-channel III目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景 .11.2 国内外研究现状 .21.3 研究的目的与意义 .4第 2 章 方案的设计比较 .52.1 温度检测传感器的介绍 .52.1.1 电阻温度传感器 .52.1.2 热电偶温度传感器 .62.1.3 PN 结型及集成电路式温度传感器
10、 .62.1.4 辐射式温度传感器 .72.1.5 石英谐振型温度传感器 .72.1.6 光纤温度传感器 .82.2 设计思想和任务 .82.3 方案比较 .82.3.1 方案一 .82.3.2 方案二 .102.3.3 方案三 .102.4 方案选择 .11第 3 章 单元电路的设计 .123.1 多路温度输入电路 .123.2 信号放大电路 .133.3 A/D 转换电路 .153.4 报警电路的设计 .153.5 温度比较电路 .173.6 数码管译码电路 .173.7 总电路图 .18IV总结与心得 .20参考文献 .21致谢 .221第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景温度是半导体
11、工业生产制造中常见的和最基本的工艺参数之一, 任何物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关, 因此, 在半导体生产过程中常需对温度进行检测和监控。 采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制, 对于提高生产效率和产品质量、节约能源和人力资源利用等具有重要作用。国外城市集中供热开始较早，具有发展快、规模大的特点，其中集中供热系统中的测试仪器与控制设备的研究居多，技术水平也较成熟。欧洲早在二十世纪二三十年代就已经出现了供热温度检测系统，七八十年代就已经全面实行集中供热温度检测网。美国在八十年代末九十年代初期温控测量仪表的应用就己经达到将近 300 万台。二十世纪七八十年代大量能源的消耗导
12、致环境污染非常严重，进而引发的能源危机，使能源的节约与环境的保护成为世界瞩目的大事，这就促进越来越多的发达国家对供热温度检测技术的研究与深入发展。北欧城市集中供热相对发达，率先使用计算机进行热网的自动检测与运行管理，且得到了广泛的发展。北欧集中供热系统中，一般是在热用户入口处安装常规的测控设备与仪器，以实现供热温度自动检测与控制。运行后的实践表明，因多通道温度检测系统的设计与实现为实现了自动监控技术，集中供热网大体消除了供热不均的现象，不仅保证了供热质量的改善，也提高了运行管理的水平。我国集中供热是在八十年代中期发展起来的，但是技术水平与供热规模相比国外发达国家的差距还较大，而采用计算机检测与
13、管理技术也相对较晚。在我国，1986 年就开始施行节能建筑的设计标准。到 2000 年建设部通过调查北方地区的结果表明:同期建筑中真正的节能建筑只占到总量的 6.4%。以我国的供暖现状来看，采暖能耗是发达国家同等气候条件下的 3倍以上，然而供暖效果却远远达不到标准。事实上，造成能源大量浪费的原因，除了用户的节能意识不够与收费制度不能刺激节能外，还由于传统供热系统设计技术与运行管理的落后，不能从根本上解决高能耗的行为。如果直接应用国外的温度检测技术，并不能适应我国现有的供热系统，除水质问题与管理问题，还有很多技术性问题不能解决。如设备的工作环境与系统规模的大小等都存在很大差异，不做改变拿来就用，
14、很难取得良好的效果。当前国内许多城市根据建筑采暖问题，对节能技术和产品进行了研究与开发，引进、消化并研制了一些温检设备和仪器。北京、沈阳、哈尔滨等城市的供热部门也用不同规模、不同的供热温检方案进行了试验，并取得了一些成效。远程温度监测系统分为两种模式:有线远程监测模式和无线远程监测模式 (1)有线远程监测模式:下位机通过有线的方式采集温度数据，通过串行接口(如:RS 一 232 或 RS 一 485 接口)将数据上传到上位机，进而对数据进行管理。(2)无线远程监测模式:采用无线通信技术，又可分为采用专用无线收发设备建立的无线局域网与采用现有的无线通信网络设备(如:GSM、GPRS、CDMA 移
15、动网等)两种方式。温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温度采2集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制，保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。1.2 国内外研究现状目前国内、外的远程数据
16、采集系统通常采用的是“单片机+RS232/RS485 模块”或“单片机+GPRS 模块”来实现。此类方案的优点是硬件成本较低，但是由于硬件功能有限，只能实现很少的应用功能。然而随着高性能的嵌入式微处理器逐步出现及成本不断降低，ARM 系列的高性能嵌入式微处理器代替单片机的模式应运而生。由于 ARM 系列嵌入式微处理的功能非常强大，接近通用的微处理性能指标，因此具有更广泛的应用前景。近些年来，国内的许多公司也做了大量有效的工作，为建立适合的供热温度检测系统，进行了有利的探索，并做出了一些示范工程，取得了较好的成效。(l)北京华夏日盛科技有限公司研发的居民小区集中供暖无线温度监测系统，由中心数据集
17、中器和室内温度采集器两部分组成。中心数据集中器通过 RS232 或 RS485 与计算机连接，用于设置温度采集器的工作方式，并将采集到的温度值上报给计算机显示，温度采集器放置在居民用户家里。本系统的工作温度范围是: O-85。缺点:数据传输不稳定，系统成本较高。(2)沈阳市兴达科技开发有限公司研发的 GPRS 温度采集系统，是 GPRS 无线数据通信系列产品之一。GPRS 一温度采集系统是在 GPRS 一 DTU 基础上内嵌温度采集器实现的，本产品能获取现场温度，并通过 GPRS 网络传送到服务器中，以此来获取现场温度数据。缺点:系统成本高。(3)哈尔滨市市民呼叫服务有限公司研发的温度检测器，
18、具备市民呼叫服务、温度检测、安全防护相关的功能。按用户的室内温度供暖，不仅能保证老百姓的室内温度，同时也能节约大量的能源。成本低廉，网络稳定，不影响用户。缺点:安装与维护不方便，不适合供热企业的大量铺网，检测精度不高等。(4)烟台奥脉络控制工程有限公司北京办事处研发的数据采集系统，整个系统可分为管理层、控制室、工业现场，也可只分操作站和工业现场两层，管理层可供工厂人员浏览现场工况画面，也可进行使用权限、系统配置等的高级设置，操作站供仪表班和技术人员进行实时监控。缺点:系统安装不方便，功能复杂，操作性较低，浪费人力物力，且系统的成本较高等。以现有的情况看，当今存在的供热温检系统存在以下几方面不足
19、:(l)用现有的电话测温系统，供热部门设置主机，每户安装终端设备，安装方便，好组网，但是系统运行费用高，终端用户为被叫方，设备工作不稳定会影响用户，设备价格昂贵;(2)用 GPRS 室温远程系统，安装方便，好组网，但是实时性差，使用住户家多通道温度检测系统的设计与实现的电，产生月使用费，产品价格昂贵;(3)无线组网测温系统，实时性差，数据传输不稳定，容易受信号影响，维护难，产品价格昂贵。对环境温度的检测与处理属于数据采集与处理的研究范畴。温度测量一直是非电量测量领域中一个典型课题，在温度测量系统中，将温度变换成电量的变换电路起着至关重要的作用，而温度传感器又是该电路的关键元器件。温度检测是现代
20、检测技术的重要组成部分，随着工农业的发展，温度检测系统起着越来越重要的作用并已应用于很多领域，如:安全生产、保证产品质量和节约能源等方面，而且它们对温度检测的要求也越来越高。目前国内对温度的测量大都限于近距离单点测温，而多点温度检测也越来越受到相关领域工程技术人员的重3视。多点温度检测系统的设计关键在于温度传感器的选择、主控单元的设计和数据的后续处理过程等。传统多点温度检测系统主要由多个模拟温度传感器、信号放大器、多路选择开关、A/D 转换器和主机组成，如图 1.1 所示。首先由温度传感器将收集到原始信号送入信号放大器放大，然后放大的信号被送入多路选择开关，多路选择开关在主机的控制下轮流切换各
21、被测温度信号，使它们与测量电路依次接通，并被送入 A/D 转换电路，信号先通过采样保持电路，已由模拟量变成了间断模拟量，这是为模数转换作了准备，信号通过 A/D 转换器后，已由模拟量变成了离散的数字量，这个数据采集系统中整个数据采集部分的各个单元，都是受主机控制的。图 1.1 传统多点温度检测系统构成传统的温度检测系统的应用范围很广泛，如付文羽等利用铂电阻作为温度传感器实现了烤烟炉多点测温与数据采集系统设计。梁新荣等设计了基于薄膜铂温度传感器的多点温度检测系统并在酒精生产过程中对蒸馏塔进行多点温度检测。经过实践应用分析我们发现该系统有如下弊端:(1)这些领域温度检测的共同特点是:测量点多、环境
22、复杂、布线分散、现场离监测中心远等;(2)在电路设计上存在电源干扰、滤波不可靠，线路过于复杂、无屏蔽措施，而且元器件价格高、组成的系统体积大等因素;(3)在元件选择上由于选用模拟器件造成工作模式烦琐，也会造成系统有较大的偏差，不可靠;(4)温度检测系统中大都采用像热敏电阻这样的模拟温度传感器，一般经前端放大、信号调理、A/D 变换和数据修正等，过程较为复杂，而且模拟温度传感器的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度也差;(5)对于多点温度检测的场合，检测环境复杂、测量点多，各检测点到测试装置之间引线距离的不同，各敏感元件参数的不一致造成的误差大，更难以消除，使检测系统的稳定性和可靠
23、性下降。而随着现代科学技术的发展，各种高科技芯片及元器件的出现，采用数字电子技术的多路温度检测技术，这种由数字温度传感器构成的检测电路，其中一个很大的变化就是传感器由以前的模拟输出转变为直接的数字输出，省去了传统温度测量电路中的调理、变送、补偿、转换、修正等环节。这样整个测量电路不会引入附加误差，测温系统的精度与分辨力完全由数字化的传感器所决定。在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强，具有电路简单、测量的精度高、价格低、能工作在宽温度范围和方便管理等显著优点。41.3 研究的目的与意义随着现代控制技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于
24、诸多领域。传统的温度监测系统可靠性和实时性相对较差，温度测量的精度和准确度较低，而且大多采用有线方式对整个系统进行控制，这不利于应用的扩展。温度监测系统是工农业应用中一个典型且极其广泛的系统，对不同控制对象的温度进行监测具有很强的应用性。目前，智能温室是在普通温室大棚的基础上，应用计算机技术、传感器技术和现代控制技术等发展起来的。一个完整的智能温室控制系统由温度控制、湿度控制、光照控制、浇灌控制、数据采集与处理等五个子系统组成，它们分别完成对作物生长条件的控制。智能温室控制是个复杂的系统，温度控制在整个控制系统中具有非常重要的地位，温室温度过高或过低均对作物的生长有重要影响。而数据采集与处理系
25、统对系统的相关数据处理后通过控制器来对其它控制环节作相应的动作，以达到作物生长的最佳环境。为了减少温度的变化给控制系统带来不良结果，避免局部温度过高，不仅需要用更精确的温度传感器对温度进行更有效的测量，也要对温室进行多点测量，做到精确测量和稳定控制。温度作为工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。例如：在冶金工业、化工生产、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制；在农业生产、粮食
26、储备、计算机机房等都需要对温度进行测量和控制。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用数字电子电路进行温度检测，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等特点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。5第 2 章 方案的设计比较2.1 温度检测传感器的介绍温度的检测方法有多种,常用的有电阻式、热电偶式、PN 结型、辐射型及石英谐振型等，它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值,热电势等)的变化的原理，随着测量技术的不断发展,出现了适用于高温、强磁场干扰等
27、恶劣环境的光纤温度传感器。下面分别予以介绍：2.1.1 电阻温度传感器这种传感器以电阻作为温度敏感元件，根据敏感材料不同又可分成热电阻式和热敏电阻式，热电阻式一般用金属材料制成,如铂、铜、镍等。热敏电阻是以半导体材料制成的陶瓷器件,如锰、镍、钴等金属的氧化物与其它化合物按不同配比烧结而成。a.热电阻传感器，热电阻的温度系数一般为正值，以铂电阻为例,其阻值 Rt与温度 t 间的关系为 Rt=R0(1+At+Bt2),0t650;R t=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),-200t0,其中 A=3.968410-8/,B=-5.847010-7/ 2,C=-4.220010-12/ 4,
28、R0为 0时的值,由此可见,在一定温度范围内,阻值与温度近似呈线性关系。由于铂电阻测温范围宽,精度高,制作误差小,结构简单且已有统一的国际标准,铂电阻温度传感器已广泛应用于许多场合的温度测量与控制。b.热敏电阻传感器，用作温度敏感元件的热敏电阻具有负温度系数,其值约为-3%-5%,在常温范围内(0200)其阻值 Rt与温度 T 的关系(图 2.1) Rt=R0 eB(1/T-1/T0),其中 R0为 T0对应的阻值,B 为与热敏电阻材料有关的常数。热敏电阻具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辩率高等优点,在各个领域广泛用作测温控温及温度补偿的敏感元件，热敏电阻温度传感器的缺点是线性度低、稳定性差。图 2.1 典型热敏电阻特征
