温度测量与控制电路设计.docx
- 文档编号:28683761
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:278.57KB
温度测量与控制电路设计.docx
《温度测量与控制电路设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《温度测量与控制电路设计.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
温度测量与控制电路设计
第1章摘要
温度测量与控制电路是在实际应用中相当广泛的测量电路。
本次设计主要运用基本的测控技术知识及其基本的温度传感器知识,从基本的单元电路出发,实现了温度测量与控制电路的设计。
总体设计中的主要思想:
一、达到设计要求;二、尽量应用所学知识;三、设计力求系统简单可靠,有实际价值。
温度传感选用高精度摄氏温度传感器LM35进行数据采集,通过UA741芯片构成同相比例器实现放大。
AD转换部分使用集成芯片AD5740;二进制到8421BCD码的转换用EEPROM281024实现;显示译码部分用4511和七段数码管实现;温度控制范围设定采用数字设定方式,用十进制加计数器74LS160和锁存器74LS175实现;温度的判断比较通过数值比较器74LS85的级联实现。
声光报警利用555定时器构成多谐振荡器组成。
温度控制执行部分采用继电器控制的加热制冷装置来实现。
此模块的存在,提高了该系统在工业上的实用性。
【关键词】温度测量、A/D转换、温度控制、声光报警、译码显示、555定时器
第2章设计目的与意义
随着电子技术的高速发展,对电子方面人才的要求越来越高,不仅要求其具备相关的专业理论知识,还要求其具有较强的设计、制作等实践动手能力。
此次课程设计无疑是对从事测控专业的人的一次很好的锻炼和考验,是培养测控技术的人才的一次良好的机会,为其提供了一个理论知识与实践相结合的平台。
通过本次课程设计,引导学生结合所学的测控电路理论知识,思考设计方案,以小组合作方式,分工完成各个部分,从而掌握相关的测量显示电路的设计和调试技术,一方面提高了学生的实践动手和协作能力,另一方面培养了学生综合运用所学理论知识进行工程设计的能力。
通过此次课程设计,可以培养学生的工程设计能力,包括动手能力、独立思考设计能力、解决实际设计过程中遇到的问题以及团队协作能力等,为今后的专业学习和工程实践打下坚实的基础。
第3章案论证与确定
3.1系统方案的确定
在本系统的总体设计中,有以下两种思路:
3.1.1方案一
如图1-1-1所示,温度传感器模块将温度线性地转变为电压信号,经过放大电路,一路输入给A/D转换电路,经过译码进行数字显示,另一路与滑变分压电路相连,由此设定控制温度上下限,经过电压比较器,输出高低电平指示信号,由此控制温度控制执行模块和声光报警部分。
此电路最基本的特点就是电路结构简单,实现比较容易。
图1-1-1总体设计方案A框图
3.1.2方案二
如图1-1-2所示,温度传感模块和A/D转换模块,译码显示模块,温控执行和报警模块均与方案A相同,不同处在于控制温度设定方式和温度超限判断方式。
方案A的超限判断模块和控制温度设定主要使用模拟信号,该方案易受外界干扰如使用环境温度等因素,另外由于滑变设定温度不易精确调节,误差较大。
方案B主要采用数字逻辑芯片数字比较器、锁存器等控制实现,其工作的稳定性、准确性和功能扩展性较强。
图1-1-2总体设计方案B框图
比较以上两种方案,方案A电路简单,误差较大;方案B电路复杂,但精度较高,可移植性好。
结合以上两种方案的优缺点,我们选择方案B进行系统设计。
3.2测量显示方案的确定
3.2.1方案一
该方案采用LED显示。
LED数码显示中每一个像素单元就是一个发光二极管,如果是单色,一般是红色发光二级管。
如果是彩色,一般是三个三原色小二极管组成的一个大二级管。
这些二级管组成的矩阵由数码控制实时显示文字或者图像,造价相对低廉,组成的显像面积大。
3.2.2方案二
该方案采用LCD液晶显示。
液晶显示器是一种被动式的显示器,即液晶本身并不发光,而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性,而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。
LCD液晶的像素单元是整合在同一块液晶版当中分隔出来的小方格。
通过数码控制这些极小的方格进行显像。
造价高但是显示非常细腻。
经过研究分析,选择方案一。
3.3温度传感模块
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。
3.3.1方案一
用可编程器件DS18B20做温度传感器
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统,线路简单,十分方便。
DS18B20产品具有以下特点:
1只要求一个端口即可实现通信。
2在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
3实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
4测量温度范围在-55℃到+125℃之间。
5数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
6内部有温度上、下限告警设置。
但是18B20需要单片机软件控制,与本次设计要求不符。
3.3.2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2-1-1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。
图2-1-1热电效应原理图
LM35温度传感器其输出电压与摄氏温标呈线性关系,0℃时输出为0V,每升高1℃,输出电压增加10mV。
转换公式如下:
LM35温度传感器线性度好,电路简单。
考虑到各种传感器的特点、工作温度以及精度,结合本次设计要求的考虑,决定采用方案三,选用高精度摄氏温度传感器LM35。
LM35温度传感器电源供应模式有单电源与正负双电源两种。
其接脚图如下2-1-2(a)、(b)所示。
图2-1-2(a)单电源模式
图2-1-2(b)双电源模式
单电源提供正温度的测量,正负双电源的供电模式可提供负温度的量测。
在静止温度中自低热效应(0.08℃),单电源模式在25°C下静止电流约50μA,工作电压较宽,可在4—20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
其电流温度特性曲线如下图2-1-3所示。
图2-1-3电流温度特性曲线
考虑到本课题的要求,我们选用单电源模式,其电路图如下2-1-4所示。
图2-1-4温度传感模块电路图
温度传感器LM35单端接电源,经过同相比例器放大输出。
根据所选AD转换器的芯片参数,放大倍数选择为3。
其具体参数计算如下:
选择适当的电阻值可以有不同的放大倍数,着有效的增加了此模块移植性。
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;
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。
3.4数字显示与温度范围控制模块
方案的论证与选择
经分析,数字显示与温度范围控制模块的核心主要有两部分:
3.4.1A/D转换部分
采用集成芯片AD574A作为模数转换芯片,AD574A是美国模拟数字公司(Analog)推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器,内置双极性电路构成的混合集成转换显片,具有外接元件少,功耗低,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
AD574A可以把电压信号转换成二进制数,但是二进制数并不能直接在数码管上显示,所以AD574A输出的二进制数到8421BCD码的转换成为该方案的核心问题,经过查阅大量资料,最终决定采用281024CMOSEEPROM实现二进制到8421BCD码的,其电路连接简单,转换效率高,功耗低,出错率低。
综上所述,该方案工作稳定性强,不易出错,所以采用该方案。
具体电路和实施方案以及AD574A的详细资料见后文“2.AD转换与解码”。
3.4.2控制温度设定与温度超限判断部分有两种方案:
方案一:
如图2-2-1所示,通过旋动滑动变阻器获得不同的分压代表相应的的温度值,分压一路通过AD转换显示设定温度,一路经过电压比较器和温度传感模块输出的进行比较,输出高低电平指示信号控制报警和温控执行模块。
该方式虽然简便可行,但其受外界环境干扰较大,特别是当实际温度在控制温度附近时,有可能由于其它干扰达不到理想的温控效果,温度控温精度并不高。
图2-2-1控制温度设定与温度超限判断方案一框图
方案二:
利用计数器和锁存器精确设定温控范围。
如图2-2-2所示:
通过计数器,把设定温度以8421BCD码的形式保存到锁存器中,经过级联的数值比较器与EEPROM输出的代表温度的8421BCD码进行比较。
来判定温度是否超限,由数值比较器输出高低电平作为指示信号控制报警和温控执行电路。
图2-2-2控制温度设定与温度超限判断方案二框图
综上所述,方案二温度设定简单方便,控制更加精确,工作稳定性更好。
所以采用此方案。
由此可以画出此系统的具体框图如下图2-2-3所示。
图2-2-3系统完整框图
第4章系统工作原理分析
4.1AD转换
A/D转换器的功能是在规定时间内把模拟信号在时刻t的幅度值(电压值)转换为一个相应的数字量。
由于A/D转换器输入的模拟信号在时间上是连续的,输出的数字信号是离散的。
所以只能在一系列选定的瞬间进行A/D转换,这样既要求对输入的模拟信号先进行采样,然后再把这些采样值转换为二进制数字进行输出。
因此,一般的A/D转换过程需要经过采样、保持、量化和编码这四个步骤来完成。
采样就是把一个在时间上连续的信号变换为在时间上的离散的信号。
因为每次把采样得到的电压值转换为二进制数字都需要经过一段的时间T,所以在时间T中要保持采样值的不变,及要求利用保持电路对采样值经行储存。
数字信号不仅在时间上是离散的,而且在幅度上也是离散的。
为了将电压信号转换为数字信号,在A/D转换过程中,还必须将采样后获得的输出电压按照某种近似方式规划到与之相应的离散电平上。
这一过程成为数值量化。
量化后的数值经过编码后就可得到相应的数字信号。
如图2-2-4所示电路,为了保证温度的精度(0.5度),本设计采用AD574的12位转换模式。
图2-2-4系统完整框图
AD574其主要功能特性如下:
分辨率为12位。
非线性误差为小于±1/2LBS或±1LBS。
转换速率为25us。
模拟电压输入范围为0~10V和0~20V,0~±5V和0~±10V四种输入。
电源电压为±15V和5V。
数据输出格式为12位二进制代码。
芯片工作模式为全速工作模式和单一工作模式。
图2-2-5AD574A引脚图
换器正处于转换状态,当STS=0时,声明A/D转换结束,通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态,作为单片机的中断或查询信号之用。
其与温度传感器部分的连接方法是:
AGND端与传感器部分的模拟地端相连接,模数转换器的in端连接传感器的输出电压。
REFIN,REFOUT端为参考电压输入(通过调节滑动变阻器0~10V可调,用于校准)。
当输出的二进制码为111111111111,换算为十进制数是5100,经过码制转换后,在数码显示管上即显示数字510.0。
代表510.0℃。
由于传感器部分的输出电压Uo满足,Uo=kT(T代表温度,单位:
℃,K=10V/℃)即满足Uo=10T所以参考电压UREFIN的取值需要满足UREFIN=k*510,UREFIN的可以通过图2-2-4中所示滑动变阻器R1调节。
ADC的CLK端与555和少量阻容元件构成的多谐振荡器相连接,R6=140kΩ,R7=3kΩ,C5=10μF555的3脚为输出端,其高电平持续时间T1=70.(R6+R7)C5≈1s,低电平持续时间T2=0.7(R7C5)≈21ms。
输出低电平时,AD5740处于转换状态,转换时间需要约25μs,T2>>25μs,所以转换器有充分的时间进行转换,保证了转换数据的准确性,满足要求。
输出高电平时,在该电路中AD5740处于12位数据并行读取状态,其转换的二进制数据被传送到EEPROM中。
4.2码制的转换
通过对电可擦写只读存储器(EEPROM)281024进行编码,实现二进制数码到BCD码的变换。
即把1450个温度值的二进制数据位当作源码作为存储器EEPROM的地址码,把需要转换的8421BCD码作为“目的”码写入地址对应的存储器EEPROM内部单元。
使用时,当AD转换器采集到不同电压信号时,把转换后的二进制码迭到EEPROM的地址位,那么与此地址相对应的输出数据就是所求的8421BCD码格式,从而完成了1450个二进制码温度值到8421BCD码的转换。
该1450个温度值的数字解码器是四位数显示,所以选用有16个位线的281024EEPROM,实际中,也可根据制造的成本视情况选择两片8个位线的EEPROM(如:
27C32)进行位线扩展,扩展成16位。
低12位A0~A11接对应的AD5740的二进制输出端,高4位A12~A15均接地。
D0~D3,D4~D7,D8~D11,D12~D15分别输出小数位、个位、十位、百位的8421BCD码。
接到译码显示模块4511BD即可把BCD码转换成七段a~g显示驱动信号,在LED数码管上进行十进制显示。
存储器281024地址和数据对应写入单元数据如表1:
温度
地址编码
BCD编码
000.0
0000000000000000
0000000000000000
000.1
0000000000000001
0000000000000001
000.2
0000000000000010
0000000000000010
......
......
......
165.0
0000010110101010
0001011001010000
表1存储器281024地址和数据对应写入单元数据
由以上两个模块构成AD转换与二进制转8421BCD码电路,如下图2-2-6所示连接,模拟信号经由AD转换后通过281024存储器,将对应的8421BCD码译出,通过总线TEM将其发送至译码显示模块以及温度超限判断模块。
图2-2-6AD转换与二进制转8421BCD码电路图
附本模块所用芯片信息:
2810241MCOMSEEPROM(65536X16)
A0~A15:
地址输入端
D0~D15:
数据输出端
图2-2-7281024管脚图
281024真值表
工作模式
/CE
/OE
/WE
读取数据
0
0
1
写入数据
0
1
0
禁止
1
X
X
4.3译码显示
百位、十位、个位、小数位共4组16位8421BCD码依次输入给4片4511BD即可把BCD码转换成七段a~g显示驱动信号,在LED数码管上进行十进制显示。
接法如图2-2-8所示,通过总线TEM分别给4片4511BD温度的百位、十位、个位、小数位的8421BCD码,译码后就可以直接在LED上显示。
与U16、U31、U32为7段数码管,U49为8段数码管。
U49的h脚通过180Ω电阻接+5V电源,显示小数点。
这样,温度值即可在数码管上十进制显示。
图2-2-8译码显示电路图
附本模块所用芯片信息:
4511BD
图2-2-94511BD管脚图
4511BD真值表
4.4控制温度设定
如图2-2-10所示,温度设置装置由4片十进制加法计数器74LS160构成,且均处于计数状态。
4个CLK时钟端均分别接一个微动开关,其弹起时处于低电平,按下时接+5V高电平,当进行设置时,通过按动开关即可手动使计数器计数,控制百位、十位、个位、小数位的数字。
其数据输出端通过总线SET共有两个去向,
去向1:
接译码显示电路,实时显示设定数值的变化,百位、十位、个位、小数位共4组16位数据直接通过4片4511BD转换成七段a~g显示驱动信号,在LED数码管上进行十进制显示。
接法依然如图2-2-8所示,通过总线SET分别给4片4511BD温度的百位、十位、个位、小数位的数据,译码后就可以直接在LED上显示。
去向2:
接锁存器。
图中共有8片4位锁存器74LS175,每4片为一组分别储存温度上限和温度下限的8421BCD码。
记录上限的4片锁存器的CLK时钟端和记录下限的4片锁存器的CLK时钟端分别接两个微动开关,一个是“锁定温度上限”按钮,另一个是“锁定温度下限”按钮。
开关常态接+5V高电平,按下时接地,锁存器锁入数据。
锁存器的输出端分别通过总线HIGH和总线LOW接数值比较器,比较实际温度和设定值的大小关系。
图2-2-10控制温度设定装置电路图
4.5温度超限判断
如图2-2-13所示,共有8片数值比较器74LS85,上面四片级联用于比较监测温度和设定的温度上限的大小,下面四片用于比较监测温度和设定的温度下限的大小。
其级联方式和数据输入方式如图所示。
设定的控制温度与测量温度的比较用四块74LS85级联后得到。
其中A3-A0,B3-B0是待比较的两组四位二进制数的输入,OAGTB,OAEQB,OALTB分别表示A>B,A=B,A
AGTB,AEQB,ALTB是三个级联的输入端。
需要扩大待比较的二进制数的位数时,可以将低位比较器的输出端OAGTB,OAEQB,OALTB,接到高位比较器的三个级联输入端AGTB,AEQB,ALTB。
最低位的数字比较器的级联端应该将AGTB,ALTB端接地;将AEQB接高电平。
在mutlisim10.01中,不存在管脚悬空表示接高电平的意思,所以接高电平时,必须将高电位接入该引脚。
当测量温度低于设定的温度下限时,U8片的OALTB(A
当测量温度高于设定的温度上限时,U4片的OAGTB(A>B)端输出高电平启动报警电路和降温电路,高温报警指示灯发出红光。
开关S1的作用是控制报警电路的开启或关闭。
或门U33A的作用是将高温超限报警信号和低温超限报警信号进行或运算。
当有其一超限时,就会启动报警电路。
附本模块所用芯片信息:
74LS85N
图2-2-1474LS85N管脚图
74LS85真值表
图13显示数据刷新流程图
总结
本次课程设计,我们组成功完成了数字温度计的设计。
在这两周里,虽然我遇到了不少问题,但是从电路、程序中寻找出错的原因,经过讨论、思考找到解决的方法,使得最终用程序调试电路显示成功。
虽然以前有学过Protel99,但从未接触过DXP,所以还是去图书馆借了相关的书籍,边学边绘制。
这次用DXP而不用99,主要是考虑到对以后学习FPGA等会有更大的帮助。
绘制电路图的过程中,的确遇到了不少问题。
虽然这次设计的电路并不复杂,(主要由单片机最小系统、DS18B20测温电路、液晶显示电路、红外遥控电路、报警电路和供电电路组成),但里面的元件查找和封装很繁琐,导入PCB后有些封装太大,要做相应的替换。
通过这次绘制电路,认识了不少元件的各种封装,更学会了刻板时用到的相关参数的设置,例如焊盘、布线等参数的设置。
因为是第一次刻板,在设置这些参数时还请教了我们513实验室的师兄,在这里非常感谢他们给予的帮助。
导入PCB后,更头痛的是布局。
刚开始尝试用自动布局功能,但是出来的效果不是很理想,有不少跳线,所以还是用手动布局。
对应着电路原理图,初步调整元件的位置,在尽量避免线路的交叉。
在布局过程中,景存和我一起思考讨论布局方案,可是第一次自动布线后,还是有不少跳线。
我们研究自动布线时线路的走向,讨论怎样移动一下元件的位置能让这里的跳线消除,让线路有空间绕过去而不必跳线。
另外结合刻板的实际(例如雕刻机的刀有些钝),线的大小和焊盘孔径的大小的修改也相当考验我。
当安荣把第一块板刻出来时,发现线太细,有些几乎要断了,孔径太小,根本无法钻孔。
就这样,我结合师兄给予的建议和实际出来的效果修改了相关参数,最后终于有所成效。
这次课程设计我受益匪浅,也是进实验室以来的又一次不错的经历。
团队协作做出来的作品,每一部分都不可或缺,既要分工又要合作,这样才能有更佳的效果。
参考文献
1.张国雄等编.测控电路.机械工业出版社,2001.8.
2.赵负图等编.现代传感器集成电路.人民邮电出版社,2000.1.
3.刘征宇等编.线性放大器应用手册.福建科学技术出版社,2005.1.
4.蔡锦福等编.运算放大器原理与应用.科学出版社,2005.7.
5.自编.测控电路设计型实验任务书.
6.谷树忠等编.Protel2004实用教程——原理图与PCB设计.电子工业出版社,2007.2.
7.袁鹏平等编.ProtelDXP电路设计实用教程.化学工业出版社,2007.1
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
设计方案的合理性与创造性
开发板焊接及其调试完成情况
硬件设计或软件编程完成情况*
硬件测试及软件调试结果*
设计说明书质量
设计图纸质量
答辩汇报的条理性和独特见解
答辩中对所提问题的回答情况
完成任务情况
独立工作能力
组织纪律性(出勤率)
综合评分
指导教师签名:
________________日期:
________________
注:
①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容;
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序:
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件(非16K大小的图纸及程序清单)。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 温度 测量 控制电路 设计