简易温度报警器设计

1课程设计专业：班级：姓名：学号：2简易温度报警器设计1．设计思路设计中首先利用基于热电偶效应的温度传感器LM35采集温度后，转变为相应的电压值，再经过运算放大器LM358，将待测电压值放大、输出，以便于检测、显示及控制。显示电路是由A/D转换器及Led显示器构成的数字电路，控制电路是通过五个电压比较器与数字控制电路的组合来实现。报警电路以555振荡电路及扬声器等器件为基础构成组成。2．方案设计图1系统设计框图如图1所示，系统由以下几部分构成：温度测量电路、放大电路、电压比较电路、A/D转换电路、译码显示电路、报警电路及加热降温电路。各部分电路的工作原理如下。2.1对温度进行测量首先通过温度传感器采集温度，将温度值转换为相应的电压值输出。2.2温度控制传感器的输出电压作为放大器输入信号，经同相运算放大电路进行放大后分别输出给多路电压比较器。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vi与VREF进行比较，比较结果（输出状态）输入数字控制电路，调节系统温度。本题对温度的限定较多，需采用四个电压比较器，配合数字控制电路，实现由输出电平的变化来控制数模转换电路、报警电路及加热、降温电路。2.3报警部分温度传感器放大电路A/D转换电路译码显示电路比较器1比较器2数字电路比较器3加热电路降温电路报警电路比较器3通过电阻对电源电压分压的方法设定被控温度对应的电压值Vi，当系统实际温度达到相应值时，发出报警信号。报警电由多555谐振荡器构成，便于调节电路元件的参数，实现不同温度界限下，不同声音的报警。2.4加热、降温驱动控制电路采用开关量控制。通过电压比较器的输出控制开关元件的接通、关断，实现在一定温度范围内自动加热、降温。2.5温度显示电路由数码管显示器，译码显示器件，以及计数器构成。通过计数器对译码显示电路的译码周期进行控制，实现5℃为一档显示。3．单元电路设计3.1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阻检测相应的温度。LM35无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度。•工作电压：直流4～30V；•精度：0.5℃精度（在+25℃时）；•比例因数：线性+10.0mV/℃；•非线性值：±1/4℃；•使用温度范围：-55～+150℃额定范围。引脚介绍：①正电源Vcc；②输出；③输出地/电源地。传感器电路采用核心部件是LM35，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，VD为1N4148。如图1。此电路适用于测温范围为-55～+150℃场合。LM35的线性度良好。图2传感器电路原理图LM35温度传感器输出电压与摄氏温标呈线性关係，转换公式如式(1)，0℃时输出为0V，每升高1°C，输出电压增加10mV。Vout_LM35(T)=10mv/℃*T℃……(1)，即V=0.01T。43.2运算放大电路LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。4脚接地，8脚接Vcc。运算放大器LM358放大5倍电压,即V=0.05T.温度采集放大电路如图2。图3温度采集放大电路3.3A\D转换电路AD转换电路采用ADC0809。ADC0809是一种逐次比较型模数转换器件。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3所示。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。通常将ALE和START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内部三态输出缓冲器（7）EOC——转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。5图4A/D转换器原理图主要特性:1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)4）单个＋5V电源供电5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度7）低功耗，约15mW。经ADC0809转化为数字量,因为转换公式:V/5=X/256,即0.05T/5=X/256,则T≈100X/256.其中，V为输入A/D转换器的电压值。计算出X的值后，向下取整，在转换为数字量及为ADC0809的输出值。0℃时，AD输出的数字量D0=00H其他温度对应的数字量也可通过以上方法算出。5℃时，D1=0CH;10℃时，D2=18H;15℃时，D3=24H；20℃时，D4=30H；25℃时，D5=3CH；30℃时，D6=48H.转换电路的第一部分由电压比较器构成，以限定0℃到30℃的测量显示范围，上面的比较器对应0℃时，是反向输入，当温度高于0℃，输出为低电平，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6下面的比较器对应30℃，是同向输入，当温度低于30℃，输出为低电平。两个比较器的输出结果作为ADC0809的选通信号。当温度在0℃到30℃范围内，ADC0809开始进行转换。同时，依据技术指标，由555定时器组成640KHz振荡器。图5A/D转换电路原理图3.3温度显示电路显示器件分为数码管和液晶显示，本设计中采用的是Led数码管显示器。LED显示器（一）LED显示器结构LED的主要部分是七段发光管，图3-15a是7段LED显示器的段排列结构图。这七段发光管分别称为a/b/c/d/e/f/g,有的产品还附带有一个小数点DP，七段式发光管名称就是由此而来。通过7个发光段的不同组合，可以显示0～9和A～F共16个字母数字，从而实现十六进制数的显示。图6LED显示器原理图7这里采用两个Led显示器。配合7448显示译码器，将A/D输出的二进制数转换为7段数码显示。同时，配合12进制计数器，达到每5度一档显示。（二）7448显示译码器简介：7448七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。7448的功能表如表所示，它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,如下：（1）.灭灯输入BI/RBO：主要用于显示多位数字时多个译码器之间的连接。（2）.试灯输入LT：LT＝1，译码器各段a～g输出的电平是由输入BCD码决定的，并且满足显示字形的要求。（3）.动态灭零输入RBI（4）.动态灭零输出RBO7488功能表图5.3.7用7448实现多位数字译码显示（三）计数器单时钟同步十进制可逆计数器74LS29074290的功能：（1）异步清零。（2）异步置数（置9）。（3）计数。4123567891011121314GNDVcc74LS2909(1)NC9(2)NC0(1)0(2)21Q3Q0Q1Q2CPCPRRRR8图774290管脚图(4)CT74LS290的基本应用构成二进制、五进制、十进制计数器。本题中，将两片74290级联，构成12进制计数器。将R0、S9端接电压比较器的输出，一控制74290的工作。电路图如下：图8显示译码电路3.4电压比较器简单地说，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高。电压比较器的性能指标(1）阈值电压(2）输出电平(3）灵敏度(4）响应时间测量信号经放大后与比较器运放反相或同相输入端比较，利用电平的高低跳变，控制报警电路，加热以及降温电路。本设计中采用LM139LM339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；96）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9为外型及管脚排列图。图9外型及管脚排列图单限比较器电路图10单限比较器电路比较器电路如下图：图11电压比较器电路其中，由电阻分压，来设定电压比较器的比较电压；当温度低于12℃时，电压比较器4的电平跳变为“1”，比较器5的电平为“0”，当温度低于10℃时，比较器5的电平也跳变为“1”，与门输出电平变为“1”,继电器JA吸合，10加热电路接通，开始加热，同时报警器报警。当温度低于12℃时，比较器1的电平变为“0”，与门输出电平也变为“0”，加热电路停止加热，报警器停止报警。同理，可以控制降温电路得到工作，使当温度高于30℃时，电扇继电器打开，开始降温，28℃时停止。经计算10℃所对应电压值为0.5v，12℃时为0.6v，28℃时为1.4v，30℃时为1.5v。3.5报警电路根据任务与要求，要有两种不同的报警声音，因此设计两种报警电路，单频报警电路和间歇报警电路。音频报警电路选用555集成定时器来制作多谐振荡器从而做出音频电路。555定时器是将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件555定时器的内部电路包括以下几部分:一个由三个相等电阻组成的分压器;两个电压比较器:A1、A2;一个SR锁存器;一个反相器和一个晶体管T等。图12555外部引脚图在5脚悬空时，三个电阻构成的分压器给两个比较器提供基准电压:A1的为2VCC/3,A2的为VCC/3。而在5脚接V5时，则给两个比较器提供基准电压:A1的为V5,A2的为V5/2。Ⅰ高温报警电路此电路中4端口接比较器的输出，4端口为一个复位端，当and为高电平（温度低于10℃即放大电路输出电压小于0.5v）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出单频声音报警。此振荡电路的振荡频率f=1/0.7(R5+R4)C4=1KHz电路图如下:12345678555VCCvo/vi1vicGNDvi2voRD11图13高温报警电路原理图Ⅱ、低温报警电路如图所示，两个555电路均为多谐振荡器。适当选择定时元件，使f=1Hz。由于低频振荡器A的输出接高频振荡器B的复位端，故只有u01输出为高电平时，B振荡器才振荡，u01输出为0时，B停止振荡，使扬声器发出lkHz“呜呜”的间歇声响。工作波形。其中，A片的4脚接比较器的输出。当温度低于10℃时，555的A片触发振荡，Uo1输出高低电平，控制B片，使报警器发出间歇的声响。电路如图：图14低温报警电路原理图3.6加热电路加热电路采用继电器控制。继电器为电感性负载，是典型的二值可控元件。设计中选用直流继电器，取其电源6v。3.7降温电路采用电扇继电器。开关元件也选用继电器。原理同加热电路。电路如下：12图15开关电路3.8系统原理图4小结本设计通过温度传感器、集成放大器、电压比较器、A/D转换器、数码管显示器的合理组合，实现了简易温度报警器的设计。缺点是系统设计较为庞大，电路原理复杂，同时设计中使用ADC0809模数转换器实现模数转换，只用到其中一路转换通道，器件选取不太经济。优点是原理简单易懂，基本实现高低温自动报