毕业设计（论文）-温度测量电路的设计.doc

附件5：南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 李辉 学号 11014P22 院部 电子信息学院 专业 电子信息工程技术 题目 温度测量电路的设计 指导教师 张智玮 评阅教师 完成时间： 2013 年 5 月 15日 毕业设计(论文)中文摘要温度测量电路的设计摘要：温度对农业，商业以及人们的日常生活都有很大影响，而温度测量也成为人们生产生活中必不可少的一项工作，传统的测温仪测量不仅费时，准确度也较低。本课题设计了一种以SWC数字式温度传感器为核心构成的温度测量电路。它由MC14553、NE555时基电路和CD4511等组成，SWC温度传感器的特点是计量准确，基本不受传输距离限制的传感器，它可以直接将被测信号转换为已标定的数字信号输出，以增强温度测量的便捷性。本温度测量仪器可广泛应用于仓库温湿度控制、酿酒业、医疗工作等场合中。关键词：温度测量 SWC传感器 MC14553毕业设计(论文)外文摘要Title : Design of the temperature measurement circuit Abstract: Temperatures on the agriculture, business and peoples daily life has a big effect, and temperature measurements have become indispensable in the life of a work, time consuming traditional thermometer measurement accuracy is lower. This subject design a SWC digital temperature sensors-core as the temperature measuring circuit. It consists of MC14553, NE555 time base circuit and CD4511 etc, SWC is characterized by accurate measurement of temperature sensors, not subject to the transmission distance of the sensor, it can be measured directly to digital signal output signal to a calibrated to enhance ease of temperature measurement. This temperature can be widely used in storage temperature and humidity control, in the wine-making industry, medical practices and other occasions.keywords:temperature measurement circuit SWC MC14553目录1引言.22电路原理分析.23单稳态定时电路.3 3.1电路组.3 3.2 NE555介绍.44温度采集电路.6 4.1电路组成.6 4.2 SWC温度传感器.75计数电路.8 5.1电路组成.8 5.2 MC14553介绍.106译码显示电路.11 6.1 电路组成.11 6.2 CD4511介绍.11结论.14致谢.14参考文献.141 引言在现代社会中，温度测量电路广泛应用于各行各业中，近几年来在检测和控制系统中得到广泛应用，普遍应用于仓库温湿度监控，酿酒业温度控制等领域，而传统控制技术也已经满足不了现代工业生产所需，各行各业对于温度控制和测量的需求也越来越高。本文介绍的是由数字式SWC设计的温度测量电路。SWC温度传感器是一种设计新颖，计量准确，基本不受传输距离限制的传感器。目前国内外温度传感器一般是把温度信号转换为模拟电压或电流信号输出，而该传感器则直接将被测信号转换为已标定的数字信号输出，以增强温度测量的便捷性。2 电路原理分析如图2-1所示是由BCD-7段锁存/译码/驱动器CD4511、NE555时基电路、三位动态扫描计数器MC14533以及数字式温度传感器SWC等组器件成的温度测量电路，该电路可广泛用于家庭或办公室等环境的测温。它的特点是可以通过温度传感器SWC将温度数据进行显示。2-1温度测量电路该电路包括温度采集电路、计数电路、单稳态定时电路与译码显示电路四部分。测温范围为0到50，精度为0.1，数字显示。根据SWC数字式温度传感器的测温原理，将温度转换为数字量，以其输出的串行脉冲个数表示其所测温度数。标定每个脉冲表示0.1的温度增量，则0到50应对应输出0到500个脉冲，它的转换速度应小于50ms，电源电压为12V。定时电路产生的定时宽度为50ms的闸门脉冲电压，一路经微分电路对计数器进行清零，另一路直接加至数字式温度传感器SWC的K端，温度采集驱动后，即输出串行脉冲，经放大电路放大后，技术电路对其进行计数，再经译码器译码输出驱动共阴极LED数码管，进行动态显示。电路开始工作后，振荡器产生的闸门脉冲电压一路使计数器发生复位清零，另一路加至数字式温度传感器SWC的K端，输出的串行脉冲经VT1进行放大后加至MC14533的计数端，输出的脉冲个数即为温度量。计数后输出的BCD码连接到译码器CD4511的输入端，对其进行译码操作，并直接驱动数码管将结果显示出来。3 单稳态定时电路3.1 电路组成如图3-1所示是由NE555组成的单稳态定时电路图3-1 单稳态定时电路由NE555时基电路与R6、R7、C3等组成。产生的闸门脉冲信号一路加至SWC的控制K上，另一路加至3位BCD码计数器的10，12脚。3.2 NE555介绍3.2.1 NE555描述555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同。3.2.2 NE555管脚（1）NE555管脚排列如图3-2所示。图3-2 NE555管脚排列管脚功能介绍:1脚（接地）：地线，通常被连接到电路共同接地；2脚（触发点）：这个接脚是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC；3脚（输出）：当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到0伏左右的低电压。于高电位时的最大电流大约200mA；4脚（重置）:一个低逻辑电位送至这个接脚时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用；5脚（控制）：这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的工作方式下，这输入能用来改变或调整输出频率；6脚（重置锁定）：重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压一下移至2/3 VCC以上时启动这个动作；7脚（放电）：这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗；8脚（V+）：时555计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5V（最小值）至+16V（最大值）。（2）如图3-3所示为NE555时基电路内部电路图。图3-3 时基电路内部电路图NE555时基电路主要由分压器、比较器、基本RS触发器和放电开关组成，其工作原理如下1）分压器 由三个5kW的电阻串联组成分压器，其上端接电源VCC（8端），下端接地（1端），为两个比较器A1、A2提供基准电平。使比较器A1的“+”端接基准电平2VCC3（5端），比较器A2的“-”端接VCC3。如果在控制端（5端）外加控制电压。可以改变两个比较器的基准电平。不用外加控制电压时，可用0.01mF的电容使5端交流接地，以旁路高频干扰。2）比较器A1、A2是两个比较器。其“+”端是同相输人端，“-”端是反相输入端。由于比较器的灵敏度很高，当同相输入端电平略大于反相端时，其输出端为高电平；反之，当同相输入端电平略小于反相输人端电平时，其输出端为低电平。因此，当高电平触发端（6端）的触发电平大于2VCC3时，比较器A1的输出为低电平；反之输出为高电平。当低电平触发端（2端）的触发电平略小于VCC3时，比较器A2的输出为低电平；反之，输出为高电平。3）基本RS触发器 比较器A1和A2的输出端就是基本RS触发器的输入端RD和SD。因此，基本RS触发器的状态（3端的状态）受6端和2端的输入电平控制。图中的4端是低电平复位端。在4端施加低电平时，可以强制复位，使Q=0。平时，将4端接电源VCC的正极。4）放电开关图中晶体管VT构成放电开关，使用时将其集电极接正电源，基极接基本RS触发器的Q端。当Q=0时，VT截止；当Q=1时，VT饱合导通。可见晶体管VT作为放电开关，其通断状态由触发器的状态决定。 NE555各功能端的真值表如3.4所示：3.4 NE555功能端真值表引脚26437电平1/3VDD1.4V*高电平悬空状态电平1/3VDD2/3VDD1.4V低电平低电平电平2/3VDD1.4V保持电平保持电平*0.3V低电平低电平4 温度采集电路4.1 电路组成温度采集电路由SWC与三极管VT1组成。SWC是一种三端器件，包括控制线K、信号线S和公共线G，当SWC的K级加入闸门脉冲信号后，就能输出串行脉冲。如图4-1所示：图4-1 温度采集电路SWC数字式温度传感器，又称集成数字脉冲式感温探头，它是一种三端器件，控制线K，信号线S，公共线G，具有加电启动和宽脉冲触发，经复位时间TD之后，信号线将输出一串脉冲，每个脉冲为0.1增量，脉冲个数就是被测温度的数字量，重复对SWC进行加电启动，可实现对被测温度的连续采样。在本电路中，采用宽脉冲触发，当SWC的K端加入50ms的闸门脉冲电压（NE555的输出）后，即启动，输出的串行脉冲经过VT1放大后，加到MC14553的11脚进行计数。4.2 SWC温度传感器 4.2.1 SWC介绍SWC数字式温度传感器是由广州军区后勤部所研制，在国内突破了集成电路温度传感器，解决了温湿度监控的难点。其感温元件以模数转换等集成电路封装为一体，使其在被测现场直接反映温度变化的模拟量转换为经过标定的数字量，而后以计数脉冲形式向外传递。当在SWC控制线上加电经复位时间后，信号线上便输出一串窄脉冲，窄脉冲的个数即表示被测温度的数字量，SWC在生产过程中已经过标定，每个脉冲表示0.1的温度增量，对应于感温范围最低限时，脉冲输出为零，重复进行对SWC的加电启动过程，可实现对被测温度的连续采样。4.2.2 SWC温度传感器的技术参数SWC计数参数如表4-2所示表4-2 SWC计数参数类型参数感温范围-1040或050分辨力0.1转换速度小于50MS工作电压12V（2V）输出方式串行脉冲（15KHZ左右）输出脉冲幅度1000负载时不小于4.5V4.2.3 SWC主要特点：由感温元件和集成电路封装在一起，使电路本身对环境温度变化所带来的转换误差实现了跟踪补偿，保证了转换精度。由于内部含有稳压电路，器件对外加电压的适应范围甚宽，据实测，当外加电压在1018V范围内变化时，对转换精度无明显影响。由于SWC输出数字信号已经严格标定，因而其一致性极好，可以实现全国范围内的通电互换和使用上的统一范围。数字量的直接输出使SWC与数字式仪器，仪表特别是微机测控系统接口电路的设计大为简化，改变了传统的设计方法。脉冲式传输方法，具有较强的抗干扰能力，可以实现远距离传输。4.2.4 SWC温度传感器的实测检验由中国气象局气象科学研究院，对SWC温度传感器进行实测检验，并以二级标准温度表相比较，其结果如下表4-2所示。表4-2 SWC温度传感器实测误差标准-10-505101520251#（SWC）-0.10.0-0.1-0.10.10.00.0-0.22#（SWC）-0.10.0-0.10.10.10.10.10.0标准303540455055601#（SWC）-0.1-0.2-0.2-0.2-0.2-0.3-0.32#（SWC）-0.1-0.1-0.1-0.1-0.1-0.2-0.2 误差范围：t0.34.2.5 SWC温度传感器应用除温度测量外，还可组成干湿球、感温组件对温度进行测量。因而可广泛应用于工业、农业、科技、国防等各个领域中涉及到温湿度遥测遥控的设备和自动化系统，尤其适合计算机控制的测温器件。5 计数电路5.1 电路组成 计数电路如图5-1所示：图5-1 计数电路MC14553是三位BCD加法计数器，MC14553集成电路由三个同步级联的下降沿触发的BCD计数器、三个锁存器以及分配锁存器的多路传输器组成。此外，还有时钟输入端的整形电路，分配多路传输器的时序扫描电路和振荡器电路，以及用于显示控制的数据选择输出DS1、DS2、DS3组成。由于MC14533在高电平清零时，位选择输出端都DS1DS3为1，将使显示器消隐。如果清零信号的高电平持续时间很长，会看到消隐现象。为避免出现这种现象，控制电路中通过Cr和Rr组成的微分电路把清零信号加到计数器清零端。这样，计数器只是靠清零信号的上升沿清零，即使清零的高电平持续很短，靠人眼的视觉惰性，就不会察觉有消隐现象。当其计数端为高电平状态时，MC14553的12脚标准脉冲不能加入，NE555的输出经C1、R5后，产生一个正脉冲加至计数器的复位端R，使其复位清零。同时，MC14553解锁，开始对数字式传感器SWC输出的标准串行脉冲进行计数，等11脚再输入高电平时，计数器又闩锁，同时10脚也为高电平，计数器的数据锁存，其内部3个负沿触发的BCD计数器以同步工作方式联在一起，每位BCD计数器输出端都有一个4位锁存器，可将任意时刻的计数值加以储存，并与多路转换配合，完成3组计数器值的分时输出。数字选择器输出提供输出同步信号，完成动态显示方式。由于循环扫描周期多在1ms左右，远小于人的视觉暂留时间，所以可以得到稳定的数字显示。电路图中，计数器的11脚为计数端，当它为高电平时，MC14553的12脚标准脉冲不能加入，所以NE555的输出经过C3，R5组成的微分电路后，产生一个正尖脉冲电压，通过清零端13脚先对计数器进行清零，同时，MC14553闩锁解除，开始对数字式传感器SWC输出的标准串行脉冲进行计数，等11脚再输入高电平时，计数器又闩锁，同时10脚也为高电平，计数器的数据锁存。这样在50ms的脉宽时间内，显示器可以把已知周期的标准脉冲计数显示出来。5.2 MC14553介绍5.2.1 基本描述MC14553是三位BCD码计数器，在每个计数器上输出四位锁存信号，信号是时分复用的，一次输出一个BCD数字信号。数字的选择信号控制显示输出兼容信号。一个片上振荡器提供了低频率的时钟扫描驱动器输出选择。这个装置使用的仪器装置，时钟显示器，数字面板，作为一个构造块一般的逻辑应用。5.2.2 MC14553引脚介绍MC14553的引脚图如图5-2所示： 图5-2 MC14553引脚图引脚功能介绍：12脚（CLOCK）：计数时钟输入端，下降沿有效；10脚（LE）：计数输出锁存端，高电平有效即该脚输入高电平时不管计数端计数与否输出保持不变；11脚（DLS）：计数屏蔽端，高电平有效；13脚（MR）：主清零端，高电平有效，输入高电平清零计数器同时输出灭零（即不显示）；3、4脚（CIA、CIB）：动态扫描周期外接电容端；14脚（O.F.）：计数超过999时溢出端，可用于MC14553级联6位LED等更多的显示；9、7、6、5脚（Q0-Q3）：动态扫描BCD码输出端，Q3位最高位，Q0位最低位；2、1、15脚（DS1-DS3）：动态扫描码输出端，DS3接数码管（LED/LCD）的百位，DS1接个位。5.2.3MC14553真值表MC14553真值表如表5-3所示表5-3 MC14553真值表输入输出RETCLKDISLE000000001X110XXX001XXXX00x00x10不变计数不变计数不变不变锁存锁存Q0=Q1=Q2=Q3=06 译码显示电路6.1 电路组成由译码器CD4511以及数码管组成。将计数器输出的BCD码译成能够驱动数码管显示的驱动信号。如图6-1所示为译码显示电路：图6-1 译码显示电路6.2 CD4511介绍 6.2.1概述CD4511是一片CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，是电路中常用的显示译码器件，其引脚排列如图 6-2 所示。图6-2 CD4511引脚图引脚功能：BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字； LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均