温度测量与电路控制设计

-1-温度测量与控制电路设计报告目录一．设计任务与要求……………………………2二．设计的作用、目的…………………………2三．设计的具体实现……………………………21.系统概述…………………………………………22.单元电路设计，仿真与分析……………………53.PCB板电路制作…………………………………15四．心得体会与建议……………………………16五．附录…………………………………………18六．参考文献……………………………………19-2-温度测量与控制电路设计报告一．设计任务与要求⑴被测温度和控制温度均可数字显示；⑵测量温度为0~1200C，精度为±0．50C；⑶控制温度连续可调，精度±1OC；⑷温度超过额定值时，产生声、光报警信号。二．设计的作用、目的进一步熟悉模拟和数字设计的方法和规范，并进一步巩固所学模拟电子及相关知识，达到综合应用电子技术的目的，培养设计开发以及动手实践等能力，学会阅读相关科技文献，查找器件手册与相关参数，独立思考分析，完整理总结设计报告。了解温度传感器件的功能，学会在实际电路中应用。进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。了解检测温度的传感器种类不同，采用的测量电路和要求不同，执行器、开关等的控制方式也不同。运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试。学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析问题和解决问题的能力。三．设计的具体实现1.系统概述1.1对温度进行测量、控制并显示首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。-3-可采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波后A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。1.2恒温控制将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压VREF，用实际测量值Iv与VREF进行比较，比较结果（输出状态）自动地控制、调节系统温度。1.3报警部分设定被控温度对应的最大允许值maxV，当系统实际温度达到此对应值maxV时，发生报警信号。1.4温度显示部分采用转换开关控制，可分别显示系统温度、控制温度对应值REFV，报警温度对应值maxV。传感器可以采用铂电阻、精密电阻和电位器组成测量电桥，电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器双端输入信号，将信号放大后由低通滤波器将高频信号滤去，如图所示。-+A1R1WR2R1003R4R5R7R9R6R2WR8RouV9V9-4-1.5方框图总体说明：⑴传感器可以采用LM35温度传感器，电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器双端输入信号，将信号放大后由低通滤波器将高频信号滤去。如上图所示。⑵被测温度信号电压加于比较器（Ⅰ）与控制温度电压VREF进行比较，比较结果通过调温控制电路控制执行机构的相应动作，使被控系统升温或降温。⑶当控制电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度对应值maxV，用声、光报警电路发出警报，值班人员将采取相应的紧急措施。maxVVREFLEDR被测量控制系统温度传感器放大器低通滤波器译码驱动显示电路A/D转换器执行机构调温控制电路比较器（Ⅰ）扬声器或蜂鸣器报警控制电路比较器（Ⅱ）S-5-⑷开关S1可分别闭合系统温度、控制温度电压VREF和报警温度电压maxV，通过A/D转换器将模拟量转换成数字量，显示器显示出相应的温度数值。2.单元电路设计，仿真与分析2.1温度传感器LM35是电压输出型集成温度传感器，LM35集成温度传感器是利用一个热电偶检测相应的温度，热电偶是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如下图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应工作的。温度传感器热电偶的结构形式为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：①组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；-6-②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；③补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。传感器电路原理图LM35温度传感器,输出电压0~0.99V,温度每上升1℃,电压上升10mv,可测温度0~99℃.即V=0.01T，运算放大器LM358放大5倍电压,即V=0.05T.经0809通道0转化为数字量,因为转换公式:V/5=X/255,即0.05T/5=X/255,则T≈100X/256.为了精确到0.1℃,使t=10*T=1000X/256=125X/32,所以转换公式是t=125X/32,X为数字量.其采集温度及放大温度电路图如下：2.2A\D转换电路-7-AD转换电路采用ADC0809。ADC0809是一种逐次比较型ADC。它是采用CMOS工艺制成的8位8通道A/D转换器，采用28只引脚的双列直插封装，其原理图和引脚图如图所示。ADC0809有三个主要组成部分：256个电阻组成的电阻阶梯及树状开关、逐次比较寄存器SAR和比较器。电阻阶梯和树状开关是ADC0809的一个特点。另一个不特点是，它含有一个8通道单端信号模拟开关和一个地址译码器。地址译码器选择8个模拟信号之一送入ADC进行A/D转换，因此适用于数据采集系统。（b）为引脚图。各引脚功能如下：（1）IN0～IN7是八路模拟输入信号；（2）ADDA、ADDB、ADDC为地址选择端；（3）2-1～2-8为变换后的数据输出端；（4）START（6脚）是启动输入端。（5）ALE（22脚）是通道地址锁存输入端。当ALE上升沿到来时，地址锁存器可对ADDA、ADDB、ADDC锁定。下一个ALE上升沿允许通道地址更新。实际使用中，要求ADC开始转换之前地址就应锁存，所以通常将ALE和TART连在一起，使用同一个脉冲信号，上升沿锁存地址，下降沿则启动转换。（6）OE（9脚）为输出允许端，它控制ADC内部三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据，OE=1时，输出转换得到的数据；0E=0时，输出数据线呈高阻状态。(7)EOC为转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，结束时为高电平。-8-由于A/D检测到的模拟电压值(2)计算可到的TR值，然后利用如下公式求出温度值：(3)其中，其工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。256R电阻阶梯控制时序SAR树状开关比较器8位A/D启动时钟8路模拟开关地与址译锁码存8模拟开关3位地址地址锁存允许ADC0809锁三存态缓输冲出器8位输出转换结束(中断)输出允许Vtef(－)Vref(＋)VCCGNDADC080915281617181920212223242526271411312111032465798IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOC2－5OECLOCKVCCREF(＋)GND2－7IN2IN1IN0ADDAADDBADDCALE2－12－22－32－42－8REF(－)2－6(b)(a)功能框图引脚图-9-转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。2.3报警电路报警电路由555时基电路和光敏电阻等组成。555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图2(A)所示，按输入输出的排列可看成如图2(B)所示。其中6脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2脚称触发端(T-10-R)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Vo)，它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。图2555集成电路封装图我们也可以把555电路等效成一个带放电开关的R-S触发器，如图3(A)所示，这个特殊的触发器有两个输入端：阈值端(TH)可看成是置零端R，要求高电平，触发端(TR)可看成是置位端S，要求低电平，有一个输出端Vo，Vo可等效成触发器的Q端，放电端(DIS)可看成是由内部放电开关控制的一个接点，由触发器的Q端控制：Q=1时DIS端接地，Q=0时DIS端悬空。另外还有复位端MR，控制电压端Vc，电源端VDD和地端GND。这个特殊的触发器有两个特点：(1)两个输入端的触发电平要求一高一低，置零端R即阈值端(TH)要求高电平，而置位端s即触发端(TR)则要求低电乎;(2)两个输入端的触发电平使输出发生翻转的阈值电压值也不同，当Vc端不接控制电压时，对TH(R)端来讲，2/3VDD是高电平1,2/3VDD是低电平0：而对TR(S)端来讲，1/3VDD是高电平1，1/3VDD是低电平0。如果在控制端(Vc)上控制电压Vc时，这时上触发电平就变成Vc值，下触发电平就变成1/2Vc值，可见改变控制端的控制电压值就可以改变上下触发电平值。它的功能表见图3(B)所示。-11-图3555电路等效R—S触发器555集成电路有双极型和CMOS型两种。CMOS型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率较小，输出驱动电流只有几毫安。双极型的优点是输出功率大，驱动电流达200毫安，其他指标则不如CMOS型的。电路中555时基集成电路接成典型无稳态工作方式，光敏电阻RL与可变电阻器RP构成光控触发回路。当RL无光照射时，呈高电阻状态，RL与RP的分压点即555型时基集成电路的4脚电位较低，若小于0．4V，555时基集成电路被强制复位，电路不振荡，BL无声，VL不发光。若发光二极管通电后发出的光照在RL上时，RL受光激发，电阻值迅速下降，分压点电位升高，当大于0.4V时（少数时基电路为大于1V)，强制复位被解除，电路立即产生振荡，BL就发声报警，同时VL发光。此时，人们可以根据实际情况对系统进行降温。2.4调温控制电路-12-如图所示为温度范围控制电路。该电路由降压整流滤波电源电路和温度控制电路两部分组成。其中温度控制电路由555和R1、R2～R4、W1、W2等组成，且R1为一负温度系数的热敏电阻(3kΩ)，W1为温度下限预置调节，W2温度上限预置调节，且通过调节W1、W2使555②脚、⑥脚分别置于1/3Vcc、2/3Vcc附近。当温度低于下限温度时，R1的阻值变大，从而使555②脚电位低于1/3Vcc，相应555置位，③脚输出高电平，使发光二极管LED2点亮，继电器J1吸合，触点J1-3接通加热器电源对其进行加热。当温度升到上限温度时，R1的阻值变小，使555⑥脚电位大于2/3Vcc，且②脚的电位必然大于1/3Vcc，相应555复位，③脚输出低电平，发光二极管LED1点亮，继电器J1