搜索
一、设计任务与技术要求1.测量温度范围为00C～990C，2.手动设定任意所需温度基准，数字显示，增减可调，精度10C。3.温度超过设定值时，产生报警信号，报警方式：声光报警。二、总体方案设计在本系统的总体设计中选择如图-1所示方案：图-1总体设计方案原理方框图声、光报警译码显示显示数字产生D/A转换（放大）温度检测电压比较控制总体设计中的主要思想：温度传感选用高精度摄氏温度传感器LM35进行数据采集，DA转换部分使用集成芯片DAC0832；二进制到8421BCD码的转换用74LS192实现；显示译码部分用4513和七段数码管实现；温度控制范围设定采用数字设定方式，用十进制可逆计数器74LS192；温度的判断比较通过数值比较器LM339实现。声光报警利用555定时器构成多谐振荡器组成。1.温度检测：温度传感器/温敏器件，将温度(物理量)转换成对应的电压（电量）。2.数字量产生：为了实现报警温度的数字控制，由数字产生电路产生预置报警温度所需的数字量（2位8421BCD码）。3.译码、显示：选输入是8421码，译码输出的七段现实码的译码器，及LED数码管显示，将产生的数字量直接译码并以数码形式显示。4.D/A转换、放大：将数字量转换为模拟量（电压量）。5.比较模块：将设定数字量所对应的电压量与检测温度对应的电压量比较经过电压比较器，输出高低电平指示信号，由此控制声光报警模块，当检测温度达到或超过设定报警温度时即产生声光报警。6.报警模块：不同检测温度经过电压比较器与所设温度对应的数字量，输出高低电平指示信号。当输入信号为低电平时，报警电路不工作。当有高电平信号输入时，多谐震荡电路开始工作。发光二级管点亮，并发出蜂鸣报警，即发生报警。三、单元电路设计及分析1.温度检测模块硬件组成：LM35温度传感器温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等。a.方案的论证与选择方案一：采用二极管做温度传感器晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度较高。测温范围为-50—+150℃。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。方案二：用LM35做温度传感器LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。LM35具有以下特点：（1）工作电压：直流4～30V；（2）工作电流：小于133μA（3）输出电压：+6V～-1.0V（4）输出阻抗：1mA负载时0.1Ω；（5）精度：0.5℃精度（在+25℃时）；（6）漏泄电流：小于60μA；（7）比例因数：线性+10.0mV/℃；（8）非线性值：±1/4℃；（9）校准方式：直接用摄氏温度校准；（10）封装：密封TO-46晶体管封装或塑料TO-92晶体管封装；（11）使用温度范围：-55～+125℃额定范围b.本课题选用LM35用作温度检测元件。传感器电路采用核心部件是LM35AH，供电电压为直流15V时，工作电流为120mA，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。电压输出采用差动信号方式，由2、3引脚直接输出，电阻R为18K普通电阻，D1、D2为1N4148。传感器电路原理如图-2。.采样值的准确量化是温控电路正常工作的关键，这里采用以下换算办法来进行量化。设经过信号调理后的电压为Ui，则Ui=(-10V,10V)已知－10V对应的温度为－55℃，10V对应的温度为125℃，易求得比例因数Kt＝0.111V/℃。Ui=-10V+温度为0℃时，ΔT＝55℃（即相对于－55℃的变化量）。图-2传感器电路原理图Ui转换为数字量后，每个数字量对应电压值为4.883mV，（由12位AD，满量程20V可得），用Ks表示。可求得数字量变化与温度变化的对应关系：KsKt＝（0.111V/℃）/（4.883mV/数字量）＝22.73数字量/℃当ｔ＝0℃时，AD输出的数字量D0=0+55℃×22.73数字量/℃＝1250＝04E2H。最后可以得到，U=0.01t2.数字量产生与译码显示模块硬件组成本电路包括两片74LS192可逆计数器，CC4513共阴七段码显示器，组成一个2位数码显示电路及由两片AD7533实现D/A转换，还有LM324集成运算放大器，74LS00与非门。(1)译码显示部分由两个74LS192产生从0-99的十进制数字量，74LS192的逻辑图及引脚图如图-5，75LS192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，挺尸具有清零、置数功能。如图-6接线通过控制CPu和CPd实现了两位十进制可加可减计数功能，经译码后可实现与温度显示值的一一对应。图-5:/PL为置数端,CPu为加计数端,CPd为减计数端,/TCu为非同步进位输出端,/TCd为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端,MR为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。图-574LS192的引脚及逻辑图74LS192VccD0CR/BO/CO/LDD2D3D1Q1Q0CPDCPUQ2Q3GND74LS192Q0Q1Q2Q3/BO/COD0D1D2D3CRCPu/LDCPd74LS192Q0Q1Q2Q3/BO/COD0D1D2D3CRCPu/LDCPd74LS192Q0Q1Q2Q3/BO/COD0D1D2D3CRCPu/LDCPd74LS1921图-6译码显示部分可采用CC4513七段显示译码器，由于74LS192输出有效电平为高电平，此处采用驱动共阴极结构的显示器（LED）。在应用过程中，为了使电路能够正常工作，一般要对显示器采取限流保护措施。电路接线如图-7。图-7(2)D/A转换、放大采用集成芯片DAC0832作为数模转换芯片，DAC0832是单片高速8位逐次比较型D/A转换器，其引脚与工作原理图如图-8。具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过9号端端引用片内固有电阻，也可外接。CC4513CC4513图-8DAC0832引脚功能；DI0~DI7：数据输入线。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS：片选信号输入线，低电平有效。WR1：为输入寄存器的写选通信号。XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2：为DAC寄存器写选通输入线。Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。Iout2:电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.Vcc:电源输入线(+5v~+15v)Vref:基准电压输入线(-10v~+10v)AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。实验线路如图-9所示。-+LM324图-93.比较模块硬件组成：LM339LM339引脚与功能简介LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，图-10为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出端输出高电位。当“-”端电压高于图-10“+”端时，输出端输出低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。本次课程设计采用如下接线原理：图-114.声光报警模块硬件组成本电路包括555定时器、蜂鸣器、发光二极管等其它电子原件。555定时器是中规模集成电路，利用VCC10K10K5.1KLM339它可以方便的构成脉冲产生电路。利用这一点可将其利用在本课题的报警发生电路中。555的引脚图如图-12所示。图-12表一555定时器功能表输入输出UI1UI2RDU0V状态XX00导通2/3VCC1/3VCC10导通2/3VCC1/3VCC11截止2/3VCC1/3VCC1不变不变报警电路原理图如图-13所示，由555定时器组成的多谐振荡电路所构成的报警电路。多谐振荡环节，电源通过两个电阻对电容充电，当电容两端电压冲至2/3Ucc时，输出U0跳低电平，D脚导通，电容通过电阻放电，当放至小于1/3Uo时，输出又跳高电平。如此循环往复形成多谐振荡。此报警电路通过/R端控制555定时器的工作与否，当给/R端高电平时，电路工作，由预先计算好的振荡频率使发光二极管发光，扬声器发声。信号由/R端控制；输出脉冲由OUT端输出。电路正常工作是，要求输入脉冲的脉冲宽度一定要小于Tw，若脉宽大于Tw，要加RC微分电路在输入端。图-13报警电路原理图该部分电路图的工作原理电路由两个555多谐振荡器组成，第一个振荡器的振荡频率为1~2Hz时，第二个振荡器的振荡频率为1000Hz。将第一个振荡器的输出(3脚)接到第二个振荡器的复位端(4脚)。在输出高电平时，第二个振荡器振荡;输出低电平时，第二个振荡器停振。这样，蜂鸣器将发出间隙声响。8765412387654123555(I)555(II)20K30KR110uF2K0.1uFVo10.01uF5uF0.01uF5KVcc四、相关参数的计算1.电压比较单元电压比较器选用LM339,+5V供电，上拉电阻R为5.1k。2.译码及显示单元译码器用CC4513，显示器采用七段显示器，限流电阻R=1k，LED用共阴极接法。3.DAC单元设定Vref为10V，两个DAC0832接电位器作为反馈电阻。输出模拟电压可调，设计中得到0℃·99℃分别对应输出电压：-Uo=(R3/R1)Vi1+(R3/R2)Vi2Uo=0.235x(10x0.235)=2.58V4.报警电路部分电路振荡周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)CLED部分：f=2HZβ=65.8%扬声器部分：f=1190HZβ=58.3%5.温度检测部分：LM35输出电量与温度的关系是U=0.01t0V=U=0.99V经同相放大器放大：Uo=(1+(R2/R1))UR2=20KΩ，R1=