多路温度巡回检测电路设计
摘要：本文叙述的是一个八路温度信号进行巡回检测电路设计。本电路包括多路振荡器电路，LED测量点显示电路，巡回检测电路，传感器电路五部分组成。在传感器电路中使用的温度传感器把被检测信号变为电压信号，用模拟比较器把被检测信号进行处理，直接用数字电压表测出与温度值对应的电压值，并显示出该点是“第几路检测点”。本设计电路简单，可在生活生产中广泛使用。
关键字：传感器；温度检测；巡回检测 一、概述
本课题要求用电子电路实现八路通道温度电压有规律的选择、测量。课题涉及了涉及了555定时器、数字计数器的循环计数、LED数字驱动电路以及电子芯片模拟开关的使用。
本课题的测温范围为0℃到100℃，通过对元器件的调整同样可以进行更大范围、更多通道的温度测量选择。本方案测量精度高、切换速度快、管理方便并可在很多领域得到更好的应用。
课题要求电路要测量至少8点的温度，首先将温度转换为直流电压，由数字电压表(DvM)直接读取，该读数正比于测量点的温度。另同时要通过计数、译码、显示电路显示出是“第几路测点”。
测温范围为0℃到100℃；测量的相对误差≤1℃。
本课题的设计结果可应用于需要对多温度进行监控的领域，方便统一控制，在经过集成后可以制作成定时开关电路，接入压力、声音等传感器可以实现更多信息的巡回检测监控。
二、方案论证 方案一 如图1：
测温模块一 555单稳态触发控制电路 计数累加显示器 测温模块二 555单稳态触发控制电路 电压显示 测温模块N 555单稳态触发控制电路 温度显示 图1多路温度巡回检测电路的原理框图（方案一）
方案一原理说明：在开启电路后由开关脉冲激活第一个555单稳态触发器，在有效时间内测温模块通过控制电路与电压表接通，温度通过电压表显示，计数器置零，LED显示当前通道编号即数字“0”。在555有效信号停止时由其触发下一个555单稳态触发器，使模块二与电压表连接，计数器加一后显示当前通道编号并由电压表显示模块二的电压，
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以此类推，直到最后一个通道的触发器关闭时触发通道0，计数器重新置零，开始新一轮的巡回检测。
方案二 如图2：
时钟发生器 (555定时器) 八进制循环发 生电路 LED数字显示 器 温度传感器阵列 八通道模拟开关电路 温度指示(电压表)
图2 多路温度巡回检测电路的原理框图（方案二）
方案二原理说明：电路开启后有555定时器每隔一段时间产生一个一定时间的脉冲，控制八进制循环发生电路产生对应的开通信号到模拟开关电路，LED显示当前有效地通道编号。八个模拟开关在同一时间只有一个开通，使电压表测出对应的温度传感器的电压，进而显示所选通道对应传感器的温度。 方案对比：
方案一的模块化较明显，通过每一个555单稳态触发器控制该通道显示的时间，同时在通道关断时激活下一路的触发控制电路。该方案可以很方便的控制每一个通道的温度显示间隔，并且在添加测温通道时可以以模块的方式进行添加，相对比较方便，但成本相对高，维护也更加繁琐。
方案二简单实用，通过调节555定时器可以方便的控制通道间切换的时间间隔，并通过电压表对温度进行显示。电路较简单成本相对较低。但对于要额外增加测温通道的电路实际改动可能比较复杂。
综合比较，在使用固定通道数的温度巡回检测系统中采用方案二比较经济实惠，同时更方便维护 三、电路设计
1. 时钟发生电路（555多谐振荡器）
本电路拟定电压表测量电压足够快，5秒时间可以使采集人员记录到稳定的电压度数（温度）。对于电路，要求555多谐振荡器每隔5s产生一个下降沿信号，即频率为0.2Hz。 根据555触发器的相关推导公式：T=T2?T2=?R1?R2?Cln2
q?T1/T??R1?R2?/?R1?2R2?令周期T = 5s，占空比q= 60%,设R1= 100KΩ 解得相关参
数：R1= 100KΩ；R2= 200KΩ；c= 14.43μF 电路图如图3
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图3时钟发生电路
2. 八进制循环发生电路
八进制循环发生器是对74LS160 十进制计数芯片的一种修改方案，对其输出信号进行 判断。循环采用同步置数，由0～7 进行循环，当输出 Q=0111（7）时，则对~LOAD 端置低电平，使计数器置0000（0）。同时Q1、Q2、Q3 输出则为输出计数对应的二进制码。 因为电路需要8 路控制信号以控制模拟开关的工作，显然需要将二进制码转换为单一的控 制信号。采用3 线-8 线译码器74LS138 进行译码。对其输出信号取反后以高电平为有效控制开关电路的开通与关断。电路图如图4
图4八进制循环发生电路
3. LED 数字显示
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本部分采用7448 显示译码器驱动电路，LED 显示部分采用共阴极显示模块，通过上拉电阻对电压分压并对显示部分供电。
经查询模块特性，得知LED 显示模块的工作电压为1.66V，工作电流为10mA。 上拉电阻计算R??VCC?Vf?/Ion??5?1.66?/0.11=334Ω
7448 的ABC 输入端分别接160 的计数输出，D 悬空，完成对160 计数的同步显示。 电路图如图5
图5LED数字显示驱动电路
4. 温度采集阵列
温度采集器采用TMP36 温度传感器，其采集区间为-40～+125℃，符合要求 通过查询硬件手册得知该传感器的具体参数如下：
表1 TMP36 温度传感器具体参数
输出电压/温度 25℃时输出电压 线性工作区间 10mV/℃ 750mV -40～+125℃ 对于要求的0～100℃温度采集器TMP36 的输出电平为500mV～1500mV,可以使用电压表对电压值进行观察记录，为了方便用户进行直接观测，并且对温度采集器相关电路进行缓冲，提高较远距离的带载能力，在温度采集器的输出端接入由运算放大器构成的电压加减器，利用集成运算放大器输入阻抗高和输出阻抗低的特点，使测量端与输出端隔离，保证输出的稳定性。
对于运算放大器的选择我选用了LM324 系列运算放大器，其是一种价格便宜的带有真 差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优 点。该四放大器可以工作在低到3.0 伏或者高到32 伏的电源下，静态电流为MC1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的重要性。
根据运算放大器的相关特性构成加减法电路，其运算公式如下：
?R5?R3R5?U0??1?U?Ui2 i??1R6?R4?R3R6? TMP36 初始电压 0.5V 令U0为电压信号输出(0～1000mV),Ui为TMP36 的电压输入(500～1500mV)，为了使
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显示更加直观将输入端减去500mV 作为输出，Ui为比较电压输入(5V)，R4/R3?0.1完成
2500mV 的产生。由于在应用中，没有负电压产生，所以集成运算放大器不需要负电压输入，将其负电压引脚接地。
用相关参数解方程，最终得R5?R3?10KΩ；R4?R6?1KΩ。 电路图如图6：
图6电压加减器电路
加入温度传感器后形成图如图7
图7加入温度传感器的电路图
5. 八通道模拟开关电路
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模拟开关采用CD4066 芯片，具体参数如下：
表2 CD4066 参数特性表 CD4066 电源电压VDD -0.5～18V 输入电压Vi -0.5～VDD+0.5V 储存温度范围Ts -65～+150℃ 开关控制端 IN 按照设计参数，输入的电压范围为+0.5～+1.5V，所以输入电压采用5V 电源即可保证 输入输出的稳定。对于要求的电路使用八输入端并在控制信号下向同一端输出电压即可完成要求。对于最终的电压表显示，因为输出温度设计要求为0～+100℃，而温度传感器经电压跟随器后的输出电压对应为500～1500mV，所以在随后电压表的测量中用500mV(实际电路中可以使用9KΩ与1KΩ电阻进行分压以避免添加额外的电压源)的电压代替地线的零电位，达到0～1000mV 的输出电压，输出比例为10mV/℃。设计的电路如图8
图8八通道电子模拟开关电路及电压显示部分
四、性能的测试
对总电路进行性能测试，因为温度传感器无法正常模拟，使用对等的电压源代替，根 据温度传感器特性，以500mV 为0℃、1500mV 为100℃进行性能测试，性能测试电路图 如图9
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图9性能测试用电路图
用示波器（XSC1）对555定时器发出的时钟波形进行检测得图10的波形：
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图10 555定时器时钟波形
得知每隔0.15s产生一个时钟信号输给八进制计数器，符合设计要求。
2、使用逻辑分析仪检测74HC138经过反相器反相后的译码结果（10KHz脉冲输入），得到如图11的波形图：
图11 74HC138经过反相器反相后的译码结果
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分析波形可知同一时间只有一个输出端为高电平，且随时间依次下移，可以控制模拟 开关的轮流开通、关断，符合设计要求。观察示波器得到如图12 的波形：
图12 电压加减电路输入输出波形
计算876mV-376.423mV=499.577mV，符合500mV 的降压要求。
LED显示 表3 多路温度巡回检测电路测试数据表
所选通道电压源的电理论温度(℃) 电压表测量电压 0 1 2 3 4 5 6 7 1500mv 1300mv 1200mv 1000mv 900mv 800mv 700mv 500mv 100℃ 80℃ 70℃ 50℃ 40℃ 30℃ 20℃ 0℃
压 1000mv 803mv 668mv 500mv 400mv 301mv 200mv 30.37pv 实测温度(℃) 100℃ 80.3℃ 66.8℃ 50.1℃ 40℃ 30.5℃ 20℃ 0.003℃ 0 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0 0.3% 误差(%)
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五、结论、性价比
通过对仿真实验模拟结果的观察，可以得知本设计电路完全符合课程设计要求。其误差小于0.1℃，经过电路排查得知其误差产生原因为集成运算放大器产生的误差，在忽略成本的条件下，完全可以采用差分放大器进行跟随或者放大，通过修改CD4066芯片的规格可以使通过的电压更大，即可以使用差分放大器进行精确放大，达到更高的精确度。
本电路以使用集成数字芯片为主，模块明晰，方便连接与修理，性价比较高。
六、课设体会及合理化建议
通过此次实验，我对汇编语言的理解和使用有了一个更为深入的认识。这次实习有机地结合了理论与实践，既考察了我们对理论知识的掌握情况，还反映出我们实际动手能力，更主要的是它激起我们创新思维，为今后的进一步学习创下良好条件，为以后的就业也打下一个根基，真可谓一举多得。开始的时候由于没有经验，不知如何下手，所以就去图书管找了一些书看，在课程设计过程中，我遇到了一些问题，在老师的帮助下，通过查询资料和结合平时学到的知识，问题得到了解决，无疑，这是对我分析和解决问题的能力的一次有效检验。尽管经历了不少的艰辛，但给我积累了一点设计的经验，最后也有点小小的成就感。后面的路还很长，我还要努力！
希望今后能够多多出现和日常生产生活紧密相关的题目，为我们的工作和学习打下一个好基础。真正将学习和生活联系起来，这样的课设才有意义。
参考文献
[1] 童诗白、华成英主编者 . 模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年 [2] 谭博学主编. 集成电路原理与应用. [M]北京：电子工业出版社，2006年
[3] 谢自美主编. 电子线路设计、实验、测试.[M]武昌：华中科技大学出版社，1992年 [4] 戴伏生主编.基础电子电路设计与实践，[M]北京：国防工业出版社，2004年 [5] 张庆双 主编.全新实用电路集粹 上、下册，[M]北京：机械工业出版社，2006年 [6] 陆坤等编，电子设计技术.[M]成都：电子科技大学出版社，1997年7月.76-98页 [7] 竺南直编，大学生创新设计竞赛优秀论文选编.[M]北京：电子工业出版社，2007年.39-45页
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b161514131211109gVCCfabcdeRP?RESPACK4fgdpe8U111234567812345678DdVCCa9cdp附录I：总电路图
R2R14155TLRBLBO/RBLU12VDD62574F14854INT2S2INT3S3INT4S4VSSABCDEFG14113213456710912ABCU0NOTU3NOTU2645G1G2AG2B74F138U4U5NOT14U10P174F160AP2P3P4PETELDCLRCLKU8A74F10Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7CO1515141312111097U13NOTU6131INTS154VDD71218VCCENNOTGNDTMP3644RRR67VSS1R88VCCAENGNDTMP3644
2DS?GREENCA34D97610ABCD1112131234131INTS1D23D1268U8NOTU11231211D39C10D44066D12NOTD23INT2S2681211INT3S3INT4S4D4B9D31U7NOT104066TitleASizeA4Date:File:2327-Dec-2010Sheet of F:\\PROTEL 99SE汉化版\\EXAMPLES\\PREVIO~D11ra4w.DnD BBy:4NumberRevision1R1RU94RESETVCC7DISCHGOUT3THOLDTRIGCVOLTGNDC1555CC2CCQ1Q2Q3Q414131211R3BVout3RR4U0A3R22LF442R5Vout3RU7A3RR7122LF442R10RR9R1 - 11 -
附录II：元器件清单
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
编号 555 U1 U2 U3 U4 U5 U6，U7 U8，U9 U10，U11 TMP36 VCC C1 C2 R1 R3，R4 R2 R5～R20 R21～R36 名称 555 160计数器 显示译码器 3线-8线译码器 与门 共阴极数码显示器 电子模拟开关 集成四运算放大器 反相器 温度传感器 5V直流电压源 电容 电容 上拉电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 型号 555Timer 74HC160 7448N 74HC138 74HC10N Seven- SEG-COM-K 4066BP LM442 74HC04D TMP36 Vcc 14.3uF 10nF 1*8 SIP428ohm 100k 200k 1k 10k 数量 1 1 1 1 1 1 2 8 8 8 1 1 1 1 1 1 16 16 - 12 -
