智能矿用温度测量仪.doc

河南工程学院毕业设计（论文）说明书智能矿用温度测量仪系别： 电气系班级：06对口应电班姓名： 学号 ： 0504203049摘要矿用温度传感器是为检测煤矿井下环境温度而研制的，它可以连续将井下温度信号转换成标准频率信号传送给上位机，并具有实时显示温度值、超限声光报警、频率信号输出等功能。适宜于井下需设置温度传感器的场所固定使用。本文对温度传感器的工作特点作了介绍，并对其工作原理进行了详细分析。这种设备不仅具有测温的功能，同时具有报警，自动保护的功能，在工业生产过程和科研工作中都具有非常重要的作用。该温度传感器设备克服了以往温度传感器测量范围窄的缺点， 它的测温范围宽， 同时有声光报警指示功能，可自动地控制温度， 给人们对特别环境下的温度控制提供了方便，它的功能相当稳定， 且费用低， 有利于普遍应用， 相信它一定将会给工业、生产、 科研等带来崭新的方面。 关键词：温度传感器，电压放大器，转换器AbstractThe mining temperatures sensor is developed for monitoring temperature in the mine .It can successively detect and change the temperature in to the standard frequency signals, which are then sent to the upper equipments. Besides, it has the functions of showing the value of the temperature in realtime, giving an alarm by sound and light and exporting frequency signals. It is suitable to use regularly in some places which need temperature sensors.This article has made the introduction of the work characteristic of the numeralthermometric device, and has carried on the detailed analysis to its principle of work. This kind of equipment not only has measured the warm function, simultaneously has the reports to the police and automatic protection function, all has unusual vital role in the industrial production process and the scientific research work. The numeral temperaturemeasuring device overcomes the shortcoming which the former digital temperaturemeasuring devices measure warm scope is narrow, its measured warm scope is wide， meanwhile it has the sound and light reports to the police, it controls warm automatically, and it carries on the convenient to control the warm in special environment for peoples, its performance was quite stable, its cost is not high, it is advantageous to be widely applied， believed it will certainly to bring brandnew aspect for the industry, the production, the scientific research and so on.Key words: Temperature sensor， voltage amplifier， switch261 绪论1.1课题背景随着煤炭工业的发展，安全问题日益成为迫切需要解决的首要问题。由于煤矿井下生产过程复杂，环境条件恶劣，自然灾害多，所以经常会存在安全事故隐患。在井下安全事故中，煤矿瓦斯突出、透水与火灾是矿井的三大自然灾害，其中因瓦斯引起的事故尤为突出，据煤炭行业有关专家分析，瓦斯突出与矿井温度有着密切的关系，近年来有人探讨参考矿井中煤层温度的变化来预测瓦斯的突出，而且，环境温度还对煤矿工人的健康有直接影响，所以对矿井中重要场所的温度进行监控在瓦斯灾害性事故预测、保障劳动环境等方面具有重要意义。矿用温度传感器是监控系统的主要配套设备之一，矿井安全、生产监控系统，使我省的煤矿安全生产管理水平达到一个高度。1.2本课题研究的内容本文所要探讨的温度传感器，它的主要部件采用中大型规模集成电路芯片，可用于远距离温度测量，功耗小（5W），测温范围比较大（50+150），测量精度高（温差0.2），非线性好（0.2%）。一般的温度传感器应具有以下基本功能： 1. 能把温度量转换为成比例的模拟电信号（电流或电压等）；2. 把模拟电信号转换成数字信号；3. 通过数字电路（计算，译码和显示）直接指示温度值。根据上述基本功能的要求，可画出温度传感器电路的简框图温度变换处理A/D转换计数数码显示图11 温度传感器电路的简框图温度传感器是温度变换电路的关键器件，常用的温度传感器有热电偶，铂电阻，半导体热敏电阻等。近年来集成温度传感器已被广泛采用，它的主要优点是测温精度高，重复性好，线性优良，使用方便且适于远距离传送。本温度传感器中的电路中采用的温度传感器就是集成温度传感器（AD590），电压放大电路应有高的共模抑制比。低噪声和高输入电阻。这才能对传感器输入的微弱信号进行有效的放大，温度控制报警电路采用声光报警及继电器自动控制，本设备利用V/F转换器实现A/D转换，该方法的优点是转换精度高，电路简单，成本较低和抗干扰能力强，尤其适用于在转换速度要求不高而又需要远距离信号传输的场合下应用，计算，译码。显示电路采用MC14553，CD4511和数码块；它是在固定时间内对A/D转换后的数字量进行计算，它便于人们进行读数，显示较为清晰。根据以上对组成功能块和初步分析，可以画出本温度传感器电路的方框图。如图，图中增加了一个自动控制报警电路，一个控制电路，由它产生一个门控信号（时基，脉冲），只有在其脉冲宽度内才允许计数器计数，这样才能实现上述的在固定时间内对数字信号进行计数的要求，为了实现精确的温度测量。这个门控信号的脉冲宽度要十分精确和稳定。 2 方案确定2.1设计的整体思路在设计一个智能化测量系统时，首先要进行系统的总体方案设计中一般应满足以下几点2122： (1) 遵循从整体到局部的设计原则。(2) 经济性要求。 (3) 可靠性要求。 (4) 操作和维护要求。就硬件而言，系统所选用的设计电路和应用器件，不仅要考虑满足功能要求，还应考虑产品的应用环境，留有一定的设计余量，以满足可靠性要求。2.2总体方案分析对于本课题所要研制的传感器系统而言，其基本出发点就是利用现有工艺条件，采用微型计算机处理技术，提高传感器精度等级和工作稳定性，拓展其功能，并赋予其智能化特征，使传感器不仅能够实时准确地测量环境温度，同时尽可能减少不必要的人工操作，提高工作效率。因此，整个传感器系统总体设计方案的确定，要围绕优化系统设计这个原则，尽量减少硬件电路的复杂程度，发挥计算机处理功能强大的优势，提高系统工作的可靠性。鉴于此，同时根据系统要求，确定该系统总体设计方案如图21所示：温度传感器电压放大V/F转换计数及寄存译码及驱动数码显示门控电路直流稳压电源报警电路图21 矿用温度传感器系统框图本设计采用的数字电路和模拟电路来实现所需功能。温度信号通过温度敏感元件将温度信号转化为电信号，再经过电压放大和电压频率转换（V/F变换），对频率信号进行计数译码等处理，实现显示报警等功能。矿用温度传感器将测得的温度值由总线输入到微控制器中，微控制器将采集到的温度值处理，获得高精度的测量结果，送入LED数码管显示，同时计算出对应的频率信号，输出给监控系统的工作分站，上传给监控主机。如果检测温度超过传感器的温度报警设定值，则发出声光报警提示。3 系统硬件设计3.1直流稳压电源3.1.1直流电源，本电路中用的直流电源为单相小功率电源，它将频率为50HZ，有效值为200V的单相交流电压转换为幅值稳定，输出电流为几百毫安以下的直流电压，单相交流电经过电源变压器，整流电路，滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压，其方框图以及各电路输出电压波形如图所示，下面就各部分的作用加以介绍。电源变压器整流电路滤波电路稳压电路U 0-+.图31 直流电压变换图直流电源的输入为220V的电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。变压器副边电压通过整流电路由交流电压转换为直流电压。即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压。图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形有所变化。 为了使输出电压平滑，理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后影响其滤波效果，对于稳定性要求不高的电子电路，整流滤波后的直流电压可以作为供电电源，交流电压通过整流，滤波后，虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也随之变化，稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动或负载电阻变化影响，从而获得足够高的稳定性。3.1.2 W117稳压块结合以上对直流稳压电源的基本分析，对照下面本温度传感器电路中所用到的稳压电源部分，如图，下面对它作一下讨论。图32 稳压电源模块本电路中，220V交流电经变压电路降压为24V的交流电压，然后经四个二级管的全桥整流，再经过C1（1000uF/150V）电容的滤波，得到脉动电压，再经过W117集成稳压块，经过可调电位器R2的调整，得到符合要求的直流电压，图32中C2用于抵消入射线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，取0.1uF为了减少R2上的纹波电压，在其上并联了一个10uF的电容C3，但是，在输出短路时，C3将向稳压器调整端放电，并使调整端发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D1，提供一个放电回路。电容C4用消除输出电压中的高频噪声，取1uF也可用几微法至几十微法的电容，以便出较大的脉冲电流，但若C4容量较大，一旦输入端断开，C4将从稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏，因此，在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二级管D2，起保护作用，在此电路中，有一个重要器件W117三端稳压器，下面对其主要参数做一下介绍：它有三个引出端，分别为输入端，输出端，电压调整端（简称调整端）。调整端是基准电压电路的公共端，T1和T2组成的复合管为调整管；基准电压电路为能隙基准电压电路；比较放大电路是共集共射放大电路，保护电路包括过流保护，调整管安全区保护和过热保护三部分。R1和R2为外接的取样电阻，调整端接在它们的连接点上。当输出电压U0因某种原因（如电网电压波动式或负载电阻变化）而增大时，比较放大电路的反相输入端电位（即采样电压）随之升高，使得放大电路输出端电位下降，U0势必随之减小；当输出电压U0因某种原因而减小时，各部分的变化与上述过程相反；因而输出电压稳定。可见，与一般串联型稳压电路一样，由于W117电路中引入了电压负反馈，使得输出电压稳定，因为调整端的电流很小，约为50uA.所以输出电压为其中UREF的典型值为1.25V。主要参数：W117的最大输出电流为1.5A，工作温度范围55150。 对于特定的稳压器，基准电压UREF是1.2V1.3V中的某一个值，在一般分析计算时可取典型值1.25V。 W117的输出端和输入端电压之差为3V40V，过低时不能保证调整管工作在放大区，从而使稳压电路不能稳压，过高时调整管可能因为管压降过大而击穿。 外界取样电阻必不可少，根据最小输出电流I0min可求出R1的最大值，一般取240。 调整端电流很小，且变化也很小，在电网电压波动和负载电阻变化时，输出电压非常稳定。3.2温度传感器及电路 随着科学技术的发展，特别是自动化的发展，对测量的精度和速度，尤其对被测量动态过程和远距离的测量提出了更高的要求，因而绝大多数是将非电量转换成电量再测量，温度传感器有多种类型，可根绝温度范围和测量精度等要求进行选择。本电路中采用了型号为AD590的集成温度传感器，而是电流型集成温度传感器，AD590是一个二端器件，成本低，它是以电流为输出来指示温度，使用时不需要考虑任何传输线上电压信号损失和噪声干扰，具有很高的测量精度，广泛应用于远距离测温，远距离控温和多点测温等控制系统中，下面分析AD590的性能特点及基本接法。AD590的性能特点如下： 测量范围：55150 工作电压范围：4V30V 线性电流输出：1PA1K 极好的线性：在整个测温范围内非线性误差小于0.3 激光微调定标使精度达到0.53.3 电压放大器图33 电压放大器原理图传感器输出电压UT一般较弱，需要经过放大后才能进入A/D转换，但由于UT数值较小，还常常包含有各种共模干扰信号，所以需要采用共模抑制比和增益均很高的低噪声测量放大器。如上图A1.A2为同相输入放大，它们组成第一级放大电路。运放A3组成第二级差分运算电路，三个运放电路都引入了深度负反馈。根据运放A1A2输入端分别“虚短”得：上式中UT为传感器输出电压，UR为参考电压，它是由稳压管经电位器RW分压取得的，电路中的三个运放，故用集成器运放LM324因此第二级运算电路的差模输入电压为：根据差分运算电路输出电压的计算公式可得： 因此说放大电路的电压放大倍数为：改变RW可调节放大倍数Au的大小。下面对放大电路的参数及测温范围扩展电路做一下分析。3.3.1测温范围扩展电路这部分电路的功能是可使前面所说明的测温装置能显示被测温度的正负值并能扩展测温范围（100）为实现上述功能，电路中加入了一个双D触发器CD4013，并利用计数器MC14553的溢出信号，作为CD4013的触发信号，现简述基本工作原理：图35 CD4013工作原理图MC14553是三位十进制计数器（BCD码输出）每当计满100个脉冲时它的溢出端OF（引脚14）就输出一个完整的脉冲，而后重新开始从零计数。基于这一特点，同时又根据在设计V/F变换器时是把0100转换，放大后的输出电压换成对应的脉冲频率1000HZ2000HZ这一原则。我们就可以由MC14553的计数值（最高计数值为1000）和其溢出端OF的输出情况，来确定被测温度是处于0100或大于100的哪一范围。其原理图见图35(a)对应的波形关系见图(b)，图中的两个触发器，它们均接成T型触发器（D端和端相连接）由时钟脉冲上升沿触发。其溢出脉冲情况有下列三种可能：（1）在计数周期1秒内，只有一个溢出脉冲产生，则二触发器的输出状态为Q2Q1=“01”，于是三极管导通，个位数码小数点被点亮，说明计数脉冲个数在10002000范围，则显示的温度值为0100范围。（2）在计数周期内，如果有两个溢出脉冲产生，则二触发器的输出状态为Q2Q1=“10” 说明计数脉冲个数大于2000（即频率2000HZ）则被测温度值大于100这时原有的三位数码管显示值是大于100的温度值部分。正确的温度值应把这个显示值再加上100才行这时Q2输出的高电平使T2导通，于是对应的百位数码管被点亮但该数码管上只利用了其中的bc段，所以只指示为1。从而完成了显示温度值为100的范围。（3）如果在计数周期1S内，没有溢出脉冲产生，说明计数脉冲个数1000对应的频率小于1000HZ即被测温度值0，此时原来三位数码管显示的数值并不是实际温度值。实际温度值应为显示值减去100，比如显示值为75.5，正确温度值为75.5100=24.5由于此时无溢出脉冲，触发器状态Q2Q1=“00”所以小数点和百位数码管均不亮，做出了指示温度为0的状态。3.4温度控制及报警电路本设备的电路不仅能完成温度测量，而且还能实现温度的控制同时还能报警，最简单的温控制报警电路可以利用施密特触发器带回电压比较器由它去控制继电路的吸合，从而进行通电加热升温或断电降温，加热升温的指示标志是绿色发光二极管亮，断电降温标志是蜂鸣器报警，蜂鸣器作为最高加热温度的标志，施密特触发器的反向输入端与测量放大器的输入端相连同相输入端接参考电压（电压值可由电位器调整）该参考电压大小和预置的温控值相应，温控报警电路如图所示：图36 温控报警电路图中由运算放大器和外接电阻组成施密特电压比较器，其滞后电压U由下式决定：UOH代表输入高电平，UOL代表输出低电平，UR为控温报警参考电压，其大小与预制控制温度值相对应调节UR可改变预制控制值如果被控制温低于预制值即（）电压比较器输出高电平，使三极管导通继电器吸合，对控温对象通电加热LED发光直到温度升高到，电压比较器翻转输出低电平三极管T1截止，T2导通，蜂鸣器报警，继电器J释放，使控温对象断电待温度降至转换电压时，电压比较器又输出高电平从新使三极管T1导通T2截止，对被控制对象加热，蜂鸣器为最高温度标志报警点，它使人们及时知道被控物体的工作情况，给予及时的提示，防止因为有时视觉疲劳的读数或观察错误而造成不必要的损失。LED发光二极管为加热状态指示灯。 T1所接二极管D作为三极管保护用，当晶体管由导通变为截止状态时，控制继电器的电感线圈将会产生很高的反电势，极性为上负下正，如不采取措施，将有可能使晶体管集电结反向击穿而损坏。当接入二极管D后，此时二极管导通，使反电动势被限制在0.7V左右，从而可使三极管能安全工作。3.5 V/F变换电路V/F变换和F/V变换采用集成块LM331，LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器用。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。同时它动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V变换电路，并且容易保证转换精度。LM331可用作精密的频率电压（F/V）转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331为双列直插式8脚芯片。 LM331内部有（1）输入比较电路（2）定时比较电路（3）RS触发电路（4）复零晶体管（5）输出驱动管（6）基准电路（7）精密电流源电路（8）电流开关（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4V40V，输出也高达40V。IR（PIN1）为电流源输出端，在f0（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源IR输出对电容CL充电。引脚2为增益调整，改变RS的值可调节电路转换增益的大小。f0为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Rt和Ct决定。引脚4为电源地。引脚5为定时比较器正相输入端。引脚6为输入比较器反相输入端。引脚7为输入比较器正相输入端。8引脚为电源正端。 图37 由LM331组成的电压频率变换电路图37是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、RS触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。 当输入端Vi输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使RS触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源VCC也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于VCC的2/3时，定时比较器输出一高电平，使RS触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电，电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使RS触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。V/F转换电路的作用的把检测到的模拟电压，经放大后变成对应频率的脉冲信号，脉冲信号的频率f与输出电压的大小成正比，即： 式中Ui为V/F变换电路的模拟输出电压只存在固定时间T内（有定时器控制时间T）对V/F转换器输出的脉冲进行计数，则有计数值与脉冲频率间的关系为： 式中D为计数值，为V/F转换得到的脉冲信号频率，可见计数值D与输入电压Ui的幅值成正比，从而实现了A/D转换。 最佳温度稳定性:最大值为50106/ 小功耗:5V以下典型值为15mr 动态范围:10KHZ满量程频率下最小值为100dB 满量程频率范围:1HZ100KHZ3.6 计数，译码，显示电路 因V/F转换器完成A/D转换，需要与计数器配合使用，即需要固定的时间内对V/F转换器输出的脉冲进行计数，该计数值表示了V/F转换器所输入的模拟电压的大小18。计数器选用MC14553(CD4553)，它是三位十进制（BCD码输出）计数器，显示译码器选用CD4511，它设有锁存器，七段显示译码器和输出驱动电路；显示译码器选用CD4511，下面着重对CD4511及其它所成的电路做一下分析：CD4511是常用的七段显示译码器，它具有输出大驱动电流的能力，最大可达到25mA，可直接驱动LED数码管，或荧光数码管，它有四个输入端A，B，C，D和七个输出端ag，它还具有输入BCD码锁存，灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端LE，灯测试端LT，熄灭控制端来控制。 当锁存允许端LE=“0”时锁存器直通，译码器输出端ag随入AD端而变化，当LE=“1”时，锁存器锁定，输出端保持不变，熄灭控制端BI非=0时，译码器输出全“0”。因此，正常工作时应使为高电频，另外灯测试端译码器输出全“1”，数码管各段均亮，即显示“8”，用来检测数码管是否正常，当输入端译码大于1001时，七段显示管输出全“0”，各段均不亮，CD4511常用于驱动其阴极LED数码管，工作时一定要加限流电阻。本设备中由CD4511组成的基本数字显示电路如下图所示：图38 由CD4511组成的基本数字显示电路图中BS205为共阴极LED数码管，电阻R用于限制CD4511的输出电流大小，它决定LED的工作电流大小，从而调节LED的发光亮度，R值由下式决定：式中U0H为CD4511输出高频电压（VDD）UD为LED的正向工作电压（1.5V2.5V），对于多位数码显示，通常采用动态扫描显示方法，只需一片译码器，本设备所采用译码显示电路如下图所示：图39 数码显示电路框图该电路由三位十进制（BCD码输出）计数器MC14553，译码器CD4511和三位LED数码管组成，计数器MC14553的三位（百，十，个位）输出BCD码按时序通过Q0Q3送至译码器CD4511，同时输出相应的显示位选择位号DS3（低电平有效），使对应的三级管导通，则LED数码管共阴极接地，于是相应位的计数器内容被对应的数码管显示出来，只要扫描频率不很低，三位数码管就能显示出稳定的数据。3.7定时锁存和清零信号产生电路3.7.1定时(IS)信号前面已经指出，需采用V/F转换器，进行A/D转换，要应该对V/F转换输出的频率脉冲在固定时间内进行计数，这一时间固定为1秒，在此期间计数的结果就是换转器输出脉冲的频率，为了配合计数器MC14553就需要产生频率为0.5HZ(周期为2秒)的对称方波，该方波输出为低平期间(1秒)控制计数器(MC14553)计数，这使该方波作用到MC14553的计数允许控制端(NH端，引脚11)即可，因为INH端为低电平时才允许计数，而高电平时禁止计数。这种频率为0.5HZ的方波信号作为计数时间的基准，叫做秒时基信号，为了得到时间精确的秒时基信号，采用“振荡加分频”的方法，即先产生一个高频波。而后对它进行分频，只要分频系数合适，就可以得到所需要的“秒信号”比如高频振荡产生方波的频率为32768HZ=215HZ，经过216次分频，就得到了我们所要求的频率为0.5HZ的秒信号，本设备采用的就是这种电路，电路原理图，如图，“秒信号”产生电路：图310 “秒信号”产生电路图中用了集成电路器件(CD4060和CD4013)关键是CD4060它是一个14位二进制计数器(分频器)振荡器集成电路，它由两部分电路构成，一部分电路是14级分频器另一部分电路是振荡器。分频器部分是由T触发器组成的14位二进制串行计数器，其分频数为(1616384)(即214214)由Q14Q14振荡器是两个反相器通过外接电表石英晶体构成振荡频率为32768HZ的非对称式多谐振荡器，经其本身14级分频，在其输出端(引脚3)得到频率为2HZ的对称方波，然后再经过后面所接的双D触发器CD4013的四分频即可从引脚13得到0.5HZ的对称方波脉冲宽度为1S，它就是所要求“秒时基信号”。3.7.2锁存和清零信号对V/F转换器输出的脉冲进行定时计数，数码管显示的数字不应变化，而且只在有在1秒时间结束停止计数时才显示计数结束，这就是要在技术和译码单元之间设置锁存单元。计数器MC14553内部包含有锁存单元(寄存器)计数结果能否进入寄存器由锁存允许端LE控制，前面已提及。当LE=“