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北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）电子工程设计（一）温度控制系统硬件电路的设计与实现院（系、部）：信息工程学院姓名：宋霜露110994班级：自113指导教师签名：2013年7月11日北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）目录1．设计题目要求―――――――――――――――――――――――３2．框图―――――――――――――――――――――――――――４3．单元电路设计―――――――――――――――――――――――４３.１直流稳压电源模块－――――――――――――――――――４３.１.１设计要求――――――――――――――――――――４３.１.２电路方案选择――――――――――――――――――４３.１.３原理图―――――――――――――――――――――５３.１.４安装结构图―――――――――――――――――――５３.１.５元件清单――――――――――――――――――――６３.１.６调试与结果―――――――――――――――――――６３．２变送器模块―――――――――――――――――――――７３.２.１设计要求――――――――――――――――――――７３.２.２测温元件特性――――――――――――――――――７３.２.３设计方案――――――――――――――――――――８３.２.３.１条件分析―――――――――――――――――８３.２.３.２设计方案原理图――――――――――――――８３.２.３.３描述―――――――――――――――――――８３.２.３.４具体计算―――――――――――――――――１０３.２.４元件清单――――――――――――――――――――１１３．２.５调试与结果―――――――――――――――――――１１３.２.６安装结构图―――――――――――――――――――１２３.３Ａ／Ｄ转换模块―――――――――――――――――――１２３.３.１设计要求―――――――――――――――――――１２３.３.２A/D转换模块电路选择――――――――――――――１２３.３.３原理图――――――――――――――――――――１３３.３.４安装结构图――――――――――――――――――１３３.３.５调试及结果――――――――――――――――――１４３.３.６元件清单―――――――――――――――――――１４4．总图（电源、变送器、A/D）――――――――――――――――１４5．仪器设备及工具――――――――――――――――――――――１５6．总结、收获、体会―――――――――――――――――――――１５7．程序清单―――――――――――――――――――――――――１６北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）1、设计题目要求电子工程设计课程选择“小型温度控制系统”作为具体设计题目。需要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、数据处理、人机交互、数据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所有设计环节。功能、指标和采用元器件的设计要求：⑴温度控制范围：0℃~100℃⑵测温元件：半导体温度传感器AD592⑶温度控制执行元件：半导体制冷片⑷核心控制部件：C8051F系列单片机各模块设计要求：直流稳压电源模块交流输入：~9V~14V×2直流输出：+5V/1A±12V/0.5A安装：独立电路板结构变送器模块：测量温度：0℃~100℃输出电压：0V~+5V测量误差：满刻度1%（0.05V或1℃）负载阻抗：30KΩ限制条件：-0.3V输出电压+5.3V安装：独立电路板结构A/D模块：输入信号范围：0V~+5V分辨率：8bit精度：1LSB转换时间：1ms安装：独立电路板结构北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）2、框图图表1小型温度控制系统组成框图3、单元电路设计3.1直流稳压电源模块3.1.1设计要求:交流输入：~9V~14V×2直流输出：+5V/1A±12V/0.5A安装：独立电路板结构3.1.2电路方案选择：线性稳压电路⑴特点·利用晶体管进行电压调整—动态响应特性好—纹波、噪声小·电压调整晶体管工作在放大区—功耗大、发热量大—效率低适用于低压差、小功率的场合⑵集成线性稳压电路（三端稳压器）·采用带隙（能隙）基准电压电路—温度稳定性好、噪声小·多种保护措施—过流、短路、过热保护变送器传感器驱动器测温控温单片机受控模/数对象转换器数/模转换器前向通道后向通道主控制单元人机交互控制执行单元单元0℃~100℃0℃~100℃北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）·无需其他外围元件—使用方便、无需调整图表2用集成线性稳压电路设计的电源电路方案框图3.1.３原理图图表3全部采用集成线性稳压器设计的直流稳压电源电路图3.1.４安装结构图整流滤波电路整流滤波电路780578127912~9V~14V~14V+5V+12V-12VGNDGND北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）图表4直流稳压电源安装结构示意图3.1.５元件清单集成稳压电路芯片：LM7805，LM7812，LM7912各1片整流桥：DB1072片电解电容：2200u/25V电解电容2只3300u/16V电解电容1只100u/16V电解电容3只散热片：3个保险管：1A250V3只配6只管座接插件：DIP8IC插座5只26线双排插针2只线路板：1块其它：螺钉、导线、焊锡若干3.1.６调试与结果调试方法：1．电源板焊接完毕，对照原理图认真检查一遍然后开始测试。2．测试时，电源板负责交流电源输入的右插座与调试台标有~9V、~14V的插座连接，左插座悬空。3．连接完毕后，打开调试台电源远离电源板1~2分钟，观察电路板有无异味或异常响动，如果一切正常可以开始进一步的测试。4．用数字多用表按电源板左插座直流电源引出定义，检测+5V、+12V、-12V输出。5．若+5V、+12V、-12V输出不正常，需要重新检查有无错焊、漏焊、虚焊，并重复2、3、4的步骤。6．输出正常的电源板，替换模板上的电源板后，若模板正常运行，电源板的设直流稳压电源电路~9VA~9VA~9VB~9VB~14VB~14VB~14VA~14VAAGNDAGNDGNDGND+12V-12V+12V-12V+5V+5V北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）计工作结束。否则，检查电路板的左右插座有无虚焊、脱焊等问题。调试结果：经调试后未发现错误。3.2变送器模块3.2.1设计要求测量温度：0℃~100℃输出电压：0V~+5V测量误差：满刻度1%（0.05V或1℃）负载阻抗：30KΩ限制条件：-0.3V输出电压+5.3V安装：独立电路板结构3.2.2测温元件特性传感器的选择需要综合考虑设计要求、工作环境、成本等多方面因素，需要对所设计的系统有深入的了解，需要丰富的设计经验。在强化训练阶段推荐使用半导体温度测量元件AD592，该测温元件为电流输出，精度高、稳定性好，信号调理电路（变送器）易于设计。AD592主要特性：•供电：+4V~+30V•温度系数：1uA/℃•0℃输出：273.2uA•工作温度：-25℃~+105℃•非线性误差：0.1℃~0.5℃•重复误差：±0.1℃•时飘：±0.1℃/月图表5AD592特性分析图北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）3.2.3设计方案3.2.3.1条件分析：对于AD592输出的微安级的电流信号，变送器设计的主要任务是电流到电压的转换和电压信号的放大。另外相对于0℃~100℃的测温范围，AD592的电流输出范围为273μA∼373μA，也就是在温度测量的0点，传感器输出的电量信号不为0。为了后续信号处理的方便，变送器还要进行电压信号的平移处理，使得对于温度测量的0点，变送器的输出电压也为0。为了简化设计电路，变送器采用运算放大器作为核心运算元件。本设计中采用的运算放大器均为OP07。OP07是一款高精度、低漂移、稳定性好、成本低的运算放大器。3.2.3.2设计电路原理图图表6变送器的设计电路图3.2.3.3描述：图表7将温度传感器AD592输出的电流信号转成电压信号部分123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:11-Jul-2013SheetofFile:H:\MyDocuments\Biansongqi.ddbDrawnBy:1234567891011121314151617181920212223242526J126PIN1234567891011121314151617181920212223242526J226PINR210KR510KR74.7KR81KR61KR31KR947KR15KR45KR1010KD2DIODED1DIODE3261874U1OP-073261874U2OP-073261874U3OP-07+12V-12V+12V+12V+12V-12V-12V-12V+5V-12V+12V北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）如图7，将AD592输出的电流信号用一个10K的电阻及一个滑动变阻器转换为电压信号Vi1，输入放大器的同相端，经电压跟随器稳压之后输出电压Vo1。图表8电阻分压平移电路部分如图8，提供+12V的电源及两个电阻（其中一个5K的滑变）分压来获得T=0℃时的平移电压Vi2=−2.73V，经电压跟随器稳压之后获得稳定的平移电压Vo2=−2.73V.图表9同相加法放大电路（将电压平移之后再放大）如图9，将之前AD592输出的电压Vo1和电阻分压获得的Vo2经同相输入第二级放北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）大电路，先进行加法运算，再将电压放大5倍，使最后的输出电压Vo为0~5V。图右端的两个二极管可以起到稳定电压增益的作用，上方的二极管负极接+5V电源，使输出电压不高于+5V；下方的二极管正极接地，使输出电压不低于0V。3.2.3.4具体计算：（1）当T=0℃时，AD592的输出电流为273μA，流经电阻R2和滑变R1之后，调节R1可获得电压Vi1=2.73V经放大倍数为1的运算放大器（即电压跟随器）OP07之后得到Vo1=2.73V分压电路与温度T无关，调节滑变R4，并测量Vi2电压值，直至Vi2=−2.73V经电压跟随器稳压之后得到Vo2=−2.73V进入第二级放大电路，已知Vo1=2.73VVo2=−2.73V由叠加定理计算得此时Vn=0由“虚短”得Vp=0Vo=(1+RfR7⁄)×Vp其中Rf=R9+R10得Vo=0V（2）当T=100℃时，AD592的输出电流为373μA，经转换后得到此时的Vi1=3.73V同时得到Vo1=3.73V而分压电路得到的Vo2此时仍是−2.73V。进入第二级放大电路，由叠加定理可计算得此时Vn=(Vo1+Vo2)/2即此时Vn=0.5V且由“虚短”得Vp=0.5VVo=(1+RfR7⁄)×Vp其中北京石油化工学院BEIJINGINSTITUTEOFPETROCHEMICALTECHNOLOGY电子工程设计（一）Rf=R9+R10此时若要得到输出电压Vo为5V，则应使RfR7⁄=9即应调节R10，使Rf=9×R7便可得到此时的输出电压Vo=5V所以为了满足要求，反馈电路采用了一个47K的