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常州工学院原棉水分测定仪的工作原理及硬件电路设计.doc
电气电子毕业设计49常州工学院原棉水分测定仪的工作原理及硬件电路设计
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常州工学院毕业设计论文 I 摘 要 本文 介绍了原棉水分测定仪的工作原理及硬件电路设计。 根据电阻 式 棉花水分测定仪原理， 利用 AT89C51.CC03 新型单片机设计了一种棉花水分测定仪。 此芯片片内采用闪烁存储（ Flash memory）制造技术，无须外加 EEPROM，并有内置 ADC模数转换器；功耗低、可加密、低价格、支持两种可选的省电模式休眠模式和掉电模式。 该仪器用半导体温度传感器实现了半自动测试 、 温度自动补偿，具有自动换档功能，语音报警功能，显示采用点阵式液晶片，能显示所测棉花回潮率及相关的提示汉字； 棉花压紧机构的运动位置由霍尔传 感器自动判断，测量结果的温度补偿由单片机的计算功能实现。 具有测试快捷 、 数据稳定准确 、 使用方便等特点。 关键词： 棉花回潮率 ； 单片机 ； 水分测定仪 ； 自动温度补偿 ； 液晶显示 nts常州工学院毕业设计论文 II ABSTRACT Introducing the raw cotton humidity measures the work principle and the hardware telephone designs of the instrument. According to the resistance method cotton humidity test principle, made use of a machine of AT89C51CC03 to design a kind of cotton humidity measurement instrument The adoption scintillation storage( the Flash memory) manufacturing technique inside this chip slab, need not the in addition EEPROM, also inside place the ADC mold few transducer ; The consume low, can encrypt, the low price space, support two kinds of provinces of eligibility electricity mode-dormancy mode and drop to give or get an electric shock the mode . That instrument spread the feeling machine to carry out the semiautomatic test, the temperature auto with the temperature of semiconductor offset, have the au to shift gear the function, the speech reports to the police the function, display adoption dot a type LCD slab, can display the cot ton measure to return to the tide rate and related Chinese characters of prompts ; The cotton compress tightly the sport location of the instrument to be spread the automatic judgment of the feeling machine by the pressure pickup , measuring the temperature compensation of result to be carry out by the computing function of a machine. Have the test fast, the data stabilization is accurate, usage convenience etc. characteristics. Keywords: cotton moisture content; microcomputer; the humidity measurement instrument; auto temperature compensation; The LCD manifestation nts常州工学院毕业设计论文 III 目 录 摘 要 .I 目 录 . III 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题来源 .1 1.2 课题研究的目的和意义 .2 1.3 国内外现状 .2 1.4 论文的主要 内容 .4 第二章 课题简介及设计要求 . 5 2.1 课题简介 .5 2.2 设计要求 .6 2.2.1 总体要求 .6 2.2.2 性能指标 .7 2.3 本章小结 .7 第三章 仪器硬件设计 . 8 3.1 总体方案设计 .8 3.1.1 方案设计 .8 3.1.2 单片机外围电路设计方案 .9 3.1.3 测温电路设计方案比较 . 10 3.2 各模块设计 . 11 3.2.1 电 源设计 . 11 3.2.2 测水电路设计 . 18 3.2.3 测温电路设计 . 19 3.2.4 显示电路设计 . 21 3.2.5 语音电路设计 . 22 3.2.6 单片机外围电路设计 . 26 3.2.7 其它电路及设计 . 27 3.2.8 硬件总图 . 31 3.3 本章小结 . 33 第四章 硬件电路仿真 . 34 4.1 仿真平台简介 . 34 4.2 仿真结果分析 . 36 4.3 本章小结 . 42 第五章 结论与展望 . 43 5.1 结论 . 43 5.2 展望 . 43 第六章 设计心得 . 44 参考文献 . 45 致 谢 . 47 附 录 . 48 nts常州工学院毕业设计论文 1 第一章 绪 论 1.1 课题来源 棉 花在收购或买卖时需要根据国家的相关标准测试一些数据，回潮率是其中的一项重要的指标，是影响棉花的品级和棉花加工质量的一个关键参数，也是棉花加工质量监控系统中的一项重要控制参量，对于收购棉花的公司和使用棉花的企业来说都具有重要意义。 GB1103-1999 棉花细绒棉国家标准将检验分成两部分 ， 即品质检验和公量检验 。 品质检验内容包括品级 、 长度 、 马克隆值 、 异性纤维 、 断裂比强度 、 短纤维率 、 棉结的检验 ； 公量检验内容包括含杂率 、 回潮率、籽棉公定衣分率和成包皮棉公量的检验 。 原棉实际回潮率是决定公量计算的关键因素之一 ， 而棉 花的品质一般在其生长 、 加工过程中就已决定 ， 因此在实际工作中 ， 人们往往比较注重回潮率对公量多少的影响 ， 却很少去注意回潮率与品质检验的关系 。 但事实上 ， 棉花的回潮率对其品质检验同样有着不可忽视的影响 。 回潮率过高 ， 则棉纤维弹性减小 ， 光泽降低 ， 而强力增大 ； 回潮率过低 ， 则棉纤维弹性增大 ， 光泽上升 ， 而强力下降 ， 从而对棉花的正确定级产生误导 。 在籽棉水分控制上， GBl103 l999 棉花细绒棉 规定棉花公定回潮率为 8.5，棉花回潮率最高限度为l0.5。正常采摘的棉花水分含量一般在 l3左右。 近几年来少量棉农质量意 识淡薄，采摘露水花，不晒交售。露水花的籽和纤维都会含有大量的水分，一般在 l3% l4%左右。更有一些不法棉贩从棉农手里套购籽棉 (占收购数量 80%)进行掺水，性质十分恶劣。掺水籽棉水分在 l4%以上，最高的可达 20% 30%。而收购加工企业敞开收购，收购水分标准为 l4%，超一扣一仍照收不误，因此造成了部分地区 90%以上为超水分籽棉的严重后果。 超水分籽棉对棉花质量的危害在于棉花收购、加 工、储存各个环节，对皮棉质量造成相当大的影响。从籽棉收购环节看， 收购的超水分籽棉成堆挤压后，由于微生物的作用，籽棉堆开始发热，温度 越高，微生物运动速度越快，有时棉堆内部温度可达70 80。棉纤维表皮层是由蜡质、脂肪、果胶、多缩戊糖等物质组成。这些物质在高温下开始溶解，溶解后的籽棉会出现高热，伴有黏液和发酵后的异常气味。这种棉纤维遇空气迅速氧化变黄，轧后皮棉最高不超过五级。当超水籽棉温度 达到一定程度后，纤维开始炭化，甚至可引起自燃火灾。从加工环节看， 籽棉如果超过 l2%的水分，机械就不能正常运转， 特别是轧花机。当籽棉形成棉卷后，由于籽棉水分过高，高速运转时容易板结而造成停车，不可能形成蓬松棉卷状态，nts常州工学院毕业设计论文 2 轧后皮棉出现异常形状、 无光泽 、 色呆甚 至暗灰。目前，部分轧花厂具备籽棉烘干条件，但烘干温度 过高，同样对纤维有损伤，并会使衣分不正常，增加了短纤、棉结 等杂质。一般来讲 ， 相同等级的正常水分的籽棉和超水分籽棉加工后皮棉质量有一个级的差别。从储存环节 看， 由于超水分皮棉经过加压后包内密度很大，纤维变异快，贮存一段时间后会形成板结、棉纤维泛黄等质量变异，严重影响皮棉质量和使用价值 。 棉花水分测定的标准方法是烘干失重法。这种方法测量准确，重复性好，但需要天平、烘箱等实验设备，只宜用于实验室使用，不能满足棉花收购现场的使用要求。近年来，随着电子技术和计算机技术 的迅猛发展，以电测法为代表的棉花水分快速检测技术迅速发展，新型棉花水分快速测定仪器不断问世，但由于受棉花品种、品质的影响仍不够完善，使得我国棉花收购长期存在依靠收棉人员凭感官判定棉花水分含量的问题，无法从根本上保证国家的棉花收购质量。 本课题 根据 当 前市场上的棉花水分测试仪存在不足之处，运用单片机技术进行设计的 。 1.2 课题研究的目的和意义 随着技术的不断革新，新型电子产品不断的问世，市场上现有的棉花水分测定仪显得有些陈旧，不能满足棉检的要求。本课题研究的 原棉水分测定仪是根据GB6102.2-85 电测器法 的有 关规定 ,在保持 传统 电测器的压力 、 取样数量 、 极板面积和上、下 层电压参数 不变的条件下 ,采用新型单片机 控制 （有内置 EEPROM及模数转换器） ,选用 CMOS集成电路 ,用液晶 显示代替指针式仪表 ,用半导体温度传感器代替热敏电阻 ,用快速推拉式机构 （霍尔传感器自动判断压力到位） 代替传统螺旋式压力器等 ,实现了快速测试 、 温度自动补偿 、 数码显示 、 语音提示换档和显示测试结果等功能 。 棉花水分是指棉纤维中含有的水分子。棉花含水量的多少影响棉花的真实重量和棉纤维的物理、化学性能，对棉花生产、收购、初加工、运输储存及纺织使用等方面，都 有密切的关系，因此 ,原棉水分测定是棉花检验的一个重要环节 ,但原棉水分受环境影响大 ,测试结果随机性强 ,因此 ,选择性能稳定 、 环境适应性强 、 测量准确 、 使用方便的测量仪器 ,对严格收购标准 ,确保棉检部门的权威性和公正性具有重要意义 。 1.3 国内外 现状 1991 年 ， 人们 对电阻式水分仪的测试方法 开始 进行考证，目的是 为了 提高nts常州工学院毕业设计论文 3 这种测试仪的测试准确度。通过这项研究，又派生出了一种新型的电阻式水分测试仪，这种新型的水分测试仪的测量精度至少达到了烘箱式测水法的测量精度。它 的测值准确，并且在分级室的条件下，它使用可靠。 Anthony 和 Byler 先生于 1994 年对目前所用于扎花厂水分测试的测试系统进行了测试研究，人们寻求一种价格较为便宜的替代品（测试仪） -复阻抗式水分测试仪，这种型式的测试元件可用于水分自动控制系统。 1995 年一种电池供电便携式水分测试仪研究出厂并且经过了测试值校正和检验 。这种仪器功耗比较低，主要用于自动化测试室或扎花厂，但是它 没有配置显示装置，只能将测得的数据传输到另一台计算机上去贮存和显示。 2002 年 7 月，诞生了基于电阻测量原理的新型棉花水分在线自动测量仪。 2004 年，研制出了 MWS 型原棉水分测定仪。 目前，电阻式 水分测试仪已经用于扎花厂、棉花收购、棉检部门多年。 国内最常见的测试方法有两种 :烘箱法和直流电阻法。利用烘箱法测定棉花回潮率的基本方法是通过电热丝加热 ,将烘箱内空气温度升高至一定 值 ,使箱内的水分蒸发于热空气中 。 烘箱内热空气中水分含量不断增加 ,并通过排气装置将湿热空气排出箱外 ,为棉花内所含水分不断蒸发散失创造条件 。 由于棉花内水分不断蒸发散失 ,重量不断减少 ,当重量烘干不变时 ,即为棉花的干重 。 根据国际标准规定 ,烘箱应使用通风烘箱 ,供给预干燥空气 (水分含量小于 0.01g/cm3),烘箱内的气流速率为 4min 内至少为 箱内体积的 1 倍 。 国内的烘箱主要为 Y802 型和Y802A 型两种 ,Y802 型恒温烘箱是对流式通风箱 ,通风良好 ,缺点是箱内温度差异较大 ,在称重时有气流影响 ,但基本上满足通风的要求 。 Y802A 型恒温烘箱是半封闭式烘箱 ,烘箱内用一个风扇推动空气在箱内流动 ,箱内外通风不良 ,不能换气 ,试样中蒸发的水分大部分留在烘箱内 ,不能散发 ,所以箱内湿气的相对温度偏高 ,测得回潮率偏低。 烘箱法测量棉纤维回潮率的实验步骤主要有以下几步 : 1、 校正链条天平 ,调节接触湿度计的接触点在规定范围 。 开启烘箱电源总开关 ,供烘箱内加热 。 2、 取一 个干净的称量瓶及一定棉花 (约 2g),将棉花装入称量瓶中 ,在天平托盘上称量 ,并记下数据 。 称取时动作必须敏捷 ,以防止试样在空气中吸湿或放湿 。 3、 将装有棉花的称量瓶瓶盖打开 ,迅速放入烘箱中烘烤 ,烘箱温度大约为105 2 。 4、 半小时后 ,盖上称量瓶瓶盖并将其取出 ,立即放入干燥器中 。 5、 待冷却后 ,将其放在天平托盘上称量 ,并记下数据 。 6、 将称量瓶连同棉花再次放入烘箱烘烤半小时后取出并冷却 ,再次在天平托盘上称量 ,并记下数据 。 若前后两次称得的干重之差与后一次干重之比小于 0.05%,则后一次重量即为干燥重量 。 nts常州工学院毕业设计论文 4 7、 应用公式：00 )( GGGW (其中 W 为纺织材料的回潮率 ,G为纺织材料的湿重 ,G0为纺织材料的干重 ),计算棉纤维的回潮率大小 。 烘箱法的优点是测试结果稳定、准确、一般不受环境条件的影响。烘箱法的缺点是“耗能、费时” (功耗 2.75kW，每次试验时间至少 3小时 )，故不能满足快速测试和纤维收购部门收购现场测试的需要。 Y412 系列原棉水分测试仪采用直流测试技术可实现对原棉回潮率的快速测试，是目前国内应用最为广泛的快速测湿仪。 但是， Y412 系列原棉水分测试仪采用直流测试技术且利用表 头通过逐台仪器进行标定来确定回潮率显示刻度，存在如下几个缺陷 : 1、 由于每台仪器出厂前均需经过标定，当仪器使用一段时间后，必须经常利用烘箱法对仪器进行校正，否则其误差将不可预测。 2、 互换性差， Y412系列原棉水分测试仪只能用于棉花的含水率测试，不能用于其它纤维的含水率测试。对于以上缺陷可利用单片机及其数据处理功能加以解决。 国家标准 GB6102.2 85原棉回潮率试验方法电测器法对电测法所用的电测器的技术条件作了如下规定： 1、 测量电压： 360 5V； 2、 极板压力： 75 5kg； 3、 极板面积： 235 100 2mm ； 4、 表头刻度：分度为 0.1%，用棉花电阻校验箱校验时，表头指针偏差不大于 0.05%； 5、 棉花电阻校验箱： 1M以上，阻值误差不大于 1%， 1M以下，阻值误差不大于 0.5%； 6、 压力校验器： 75 5kg； 经 大量的试验和应用经验表明，下层测水电压为： 45 1.125V。 1.4 论文的主要内容 本论文研究的是棉花水分测定仪。此仪器主要包括硬件和软件的研究，其中我承担仪器硬件部分的设计，另外一 位同学作软件部分的设计。 在论文的第一章中阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二章阐述了课题的简介，总体设计要求及性能指标。第三章阐述了仪器的硬件设计：总体方案的比较、各模块电路的设计及 PCB板的生成。第四章阐述了仿真平台说明及局部电路的仿真。第五章阐述了设计结论与展望（总结全文）。最后第六章设计心得。 nts常州工学院毕业设计论文 5 第二章 课题简介及设计要求 2.1 课题简介 本课题主要研究一种新型的采用电测法来快速测量棉花回潮率的仪器。 近年来，随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，以电测法为代表的棉花水分快速检测技术迅 速发展，新型棉花水分快速测定仪器不断问世，因此，本次研究的棉花水分测试仪就应该相对于市场上现有的测试仪，有更多的优点。 该仪器采用电阻法测水原理 ,即不同含水率的棉花导电性能不同 ,含水率高的电阻小 ,含水率低的电阻大 ,且二者之间呈非线性的负相关系 ,即 KnMm (其中 m为质量比电阻 , M 为含水率 ,K为常数 ,n=11.4),故不能用所测电阻直接求出回潮率 ,而要以电阻转换的数字信号作为存储器的回潮率数据地址 ,查表求得对应的回潮率值 。 此外 ,棉花的密度 、 温度及外加电压对其电阻影响 也很大 ,因此测量时要有温差补偿电路 ,并固定棉花的密度和外加电压 ,消除这些因素对测试结果的影响 。 回潮率为试样中吸着的水量占试样干燥重量的百分率。 用下式表示： %100110 g ggW(1) 式中： W- 回潮率 ； 0g- 湿纤维重量（ g） ； 1g - 干纤维重量（ g） 。 棉纤维的回潮率是指 纤维在各种大气环境下自然吸收水分的能力 ,根据使用目的的不同还可分为标准大气条件回潮率和公定回潮率 。 棉纤维在标准大气条件下 (温度为 20 2 ,相对湿度为 65% 2%)的回潮率 ,称为标准大气条件回潮率 。 国家为了贸易和成本核算等需要 ,由国家对各种纤维规定的回潮率 ,称为公定回潮率。 棉花水分快速测定的影响因数有： 1、棉花的纤维长度 ； 2、棉花的纤维细度； 3、棉花的纤维卷曲； 4、棉花的纤维成熟度； 5、棉花的温度； 6、其他因数（棉花 的含油率、含糖量、紧实度、陈化及棉花中的不孕种子、棉子、破子等杂质）。 温度补偿规律 。棉纤维中所含的水分是电的导体，水的温度越高，导电性越强。对于上、下层而言，在温度 0 +41的范围内，同一水分含量的棉纤维，温度相差 1时，其回潮率差异为 0.1%。若以 26为基准温度，被测棉纤维的nts常州工学院毕业设计论文 6 温度按每升高 1减少回潮率 0.1%，每降低 1增加回潮率 0.1%，以此类推进行补偿。补偿规律公式如下： )26( TKWW (2) 式中： W 为温度补偿后的回潮率； W - 为未进行温差补偿的回潮率； K 为温度补偿系数，上、下层为 0.1； T 温度值。 表 2-1 基准温度下相应回潮率的棉花电阻值 上 层 下 层 回潮率（ %） 对应电阻值（ M） 回潮率（ %） 对应电阻值（ M） 7 30.85 13 0.150 8 7.30 14 0.071 9 3.150 15 0.040 10 1.62 11 0.710 12 0.28 在本次研究的仪器中，主要涉及温度、湿度传感器、电子技术、计算机技术 、信息处理以及有关棉花专业知识。在仪器中引入新型单片机，利用其超强的信息处理能力，可大大改善仪器的功能和性能，可以使仪器做到体积小、结构简单、功耗低。 利用单片机的软件来设置测量基准，是避免棉花品种、品质影响的最有效方法 。 利用霍尔器件的磁敏特性，通过感应弹簧压紧到位后发出信号让单片 机发出开始测量信号 ，实现了对 压紧到 位的自动判断 。为 提高传感器取样的准确性，研制避免人为因数影响和不均匀因数影响的棉花水分取样传感器。加强仪器的数据处理能力，利用单片机软件设计来实现采用各种去误差的方法提高水分快速测定的准确性与重复性 。 2.2 设计要求 2.2.1 总体要求 要求所设计的棉花水分测定仪体积小、性价比好、 测试快捷、数据稳定准确、使用方便等特点。 具有自动换档功能、语音报警功能，水分仪显示采用点阵式液晶片，显示所测棉花回潮率及相关的提示汉字。仪器的测量误差要小于国家标准。 nts常州工学院毕业设计论文 7 2.2.2 性能指标 测量水分范围： 7.0 15% 环境温度 ： 0 41 测量精度 : 0.5% 显示时间： 3秒 显 示：液晶显示 温度补偿： 0 41 电 压： 360V和 45V 压力器整定 压力 ： 75kg 水分仪具有自动换档功能，语音报警功能，能显示所测棉花回潮率及相关的提示汉字。 （其中测量水分范围中 ，上层为 7% 12%，下层为 13% 15%） 2.3 本章小结 本章首先介绍了电阻法测水原理，以及棉花回潮率的概念，并给出了回潮率的定义公式；然后对棉花水分测定相关影响因数作了说明，其中详细说明了温度的影响，并给温度补偿规律公式。最后，文章给出了本次毕业设计的总体要求和性能指标。 nts常州工学院毕业设计论文 8 第三章 仪器硬件设计 3.1 总体方案设计 3.1.1 方案设计 原棉水分测定是棉花 检验的一个重要环节 ,但原棉水分受环境影响大 ,测试结果随机性强 ,因此 ,选择性能稳定、环境适应性强、测量准确、使用方便的测量仪器 ,对严格收购标准 ,确保棉检部门的权威性和公正性具有重要意义。此原棉水分测定仪是根据 GB6102.2-85电测器法的有关规定 ,在保持 传统 电测器的压力、取样数量、极板面积和各层电压参数 不变的条件下 ,采用单片机控制 ,选用CMOS集成电路 ,用数字显示代替指针式仪表 ,用半导体温度传感器代替热敏电阻 ,用快速推拉式机构代替传统螺旋式压力器等 ,实现了快速测试、温度自动补偿、数码显示、语音提示换档和 显示测试结果等功能。 测试过程： 将 50g 的被测棉花放入由 2 个极板组成的水分传感器中 ,推动压力器 ,带动活动极板移动压缩被测棉花 ,当极板到指示位置 (即压力为 75kg)时 ,通过霍尔传感器电源开关自动接通 ,9V干电池经直流电压变换器生成上、下层测试电压 ； 水分传感器将棉花水分转换成取样电阻 RQY 的电压信号 ,经测水电路放大后输出 ， 再经 A/D转换后送入单片机寄存 ； 温度传感器将温差信号转换成电信号 ,经测温电路放大 ,A/D 转换后送入单片机寄存 ,单片机将 2个信号运算处理 后， 送LCD液晶显示 器上显示出来。如果超出测量范围 ， 单片机 还会 发出信号 ， 使语音芯片发出 语音 报警。 系统 CPU选择 ATMEL公司的 C51系列单片机 AT89C51。 CC03,此芯片片内采用闪烁存储（ Flash memory）制造技术，无须外加片外存储器，并有内置 ADC模数转换器；并且具有功耗低、可加密、低价格、支持两种可选的省电模式休眠模式和掉电模式。因此，是一款性价比较高的 CPU芯片。 硬件电路按照模块化设计方法设计 ,其中包括脉冲电源倍压电路、单片机硬件电路、上下层测水电路、温度补偿电路、语音电路 、显示电路 及欠电压检测电路等。 总体硬件框图如图 3-1： nts常州工学院毕业设计论文 9 稳压电路各层电压生成水分传感器温度传感器稳压电路测温电路A / D转换测水电路液晶显示驱动单片机键盘R QY+ 9 V棉花+ 5 V- 5 V变极性电路（ 取样电阻 ）3.1.2 单片机外围电路设计方案 在现有的棉花水分测定仪中，单片机外围电路设计大同小异。单片机基本采用 8051或 AT89C55。虽然这些 单片机功耗低，有些 芯片片内采用闪烁存储（ Flash memory）制造技术，并且具有功耗低、可加密、低价格、支持两种可选的省电模式休眠模式和掉电模式。但是在使用这些单片机设计电路的时候都需要外接一块 EEPROM芯片，以存取测量数据用；而且在将棉花水分测量及温度测量的模拟数据转换为数字量的时候，需要在单片机外面接一块模 数转换芯片，这样就大大增加了 PCB板的印刷面积，而且元件的数量也相应增加了，给芯片之间的连接带来了麻烦。现有仪器中的单片机部分，如图 3-2： 单片机E E P R O M模 数转 换芯 便在本次设计中 单片机选用 ATMEL 公司的 AT89C51.CC03， 芯片 具有普通单片机的存储器，有 256个字节 的随机存取数据存储器（ RAM） ,有 2048个字节 的 ERAM, 64K的 Flash程序存储器， 2K Flash启动载入程序（ Boot loader）存储器， 2K字节图 3-1 总体硬件框 图 图 3-2 单片机内无 EEPROM及 ADC nts常州工学院毕业设计论文 10 的 EEPROM；并且具有内置的 10位 (也可 8位 )的模数转换器， P1口为模数输入口。拥有 三个 16 位定时计数器 ， 全双工 UART 兼容 80C51。 AT89C51.CC03 主要 是 给予对电磁式放射 量 的减少 。选用此芯片后可使硬件设计的工作量减少，而且芯片的性能更稳定。 （具体设计见 3.2.6） ADC的分辨率是指使 ADC输出数字量最低位变化 1所对应的模拟量输入电压变化值， 在 此 单片机中的 ADC的分辨率为 5V/210=4.98mV/s,符合转换的使用要求。 3.1.3 测温电路设计方案比较 在本设计中温度自动补偿电路有 两种设计方案：温度传感器采用热敏电阻，利用电桥平衡原理进行温度的采样，然后放大送到 ADC转换器。温度传感器采用半导体器件，利用半导体温感的电阻随温度变化而产生电阻的变化，使LM324的输出产生变化，通过二级 LM324对信号的放大，然后送到 ADC转换器，送入单片机进行处理。 直流电桥电路如下图 3-3： u AABR 4R 2R 1R 3+ -CD四个电阻 R1、 R3和 R4、 R2两两串联（接点为 A和 B）接直流电源 E。根据串联电路电阻分压关系， 得 C、 D两点的电压分别为： CV= ERR R *31 1（ 3） DV = ERR R *24 2（ 4） 当CV= DV ， ERR R *31 1= ERR R *24 2时，则有 21RR=43RR（ 5） 这就是通常所说的电桥平衡条件。也就是说当 R1： R2 =R3： R4时， VC =VD，连接在 C、 D两点的电流表就没有读数。若 R3采用热敏电阻，当温度上升时。 R3的阻值并降低，于是 R1： R2不等于 R3： R4，电桥的平衡条件就被破坏， C、 D两点图 3-3 直流电桥电路 nts常州工学院毕业设计论文 11 间就有了电位差，电流表就有了读数， R3的阻值降低越大， C、 D两点间的电位差就越大，电流表的读数就越大。适当选取桥臂电阻的阻值就可以使电表指针在零点和满度之间变动。 以上所讲的是电阻 R3的阻值从大到小，电源极性如上图连接时的情况， C点的电位比 D点的电位高，电流就从 C点流向 D点，电流极性应 C点接正， D点接负。如果电源极性反过来接，则电 表指针倒转，就应该将电流表极性也反过来接，或者 R3、 R4位置对调。 在温差测量电路中，参数设计应使电桥从不平衡到平衡。电桥一开始就工作在不平衡状态，通常取 R1=R2，而 R3总是小于 R4，使电桥一开始就达到满度值，逐渐增大 R3的阻值，可使电表指针从满度逐渐下降，当 R3增大到等于 R4时，指针降到零位线，此时 C点电位等于 D点电位，电流表中没有电流流动，电桥平衡。 用 Dt为 HHPN结型半导体温度传感器 ,由于 Dt是线性元件 ,当温度在 0 41变化时 ,温度电路的输出也是线性的。当温度升高 1 时 ,其正向电压降低 4mV,因 此 ,根据管压降的变化量可以确定温度补偿值 。（具体设计 见 3.2.3） 3.2 各模块设计 3.2.1 电源设计 一、 +5V电压产生电路设计 该电路核心芯片采用三端固定式集成稳压器 7805，它是固定输出电压式稳压器，片内具有过流保护和过热保护功能，外接两只电容就可以构成稳压电路。当输入电压 Vi、输出电流 Io 或温度发生变化时，输出电压 Vo 可保持不变；另外，当输出短路，可使输出电流 Io 限制为一定值；若集成稳压器过热，则稳压器停止工作，以免稳压器遭到损坏。基本应用电路如图 3-4： V i n V o u tG N DU 3L M 7 8 0 5123C 2 C 3V D 5V D 6图 3-4中电路输入电压有波动时， 为了使电路能稳定工作，在输入和输出部图 3-4 7805的基本应用电路 nts常州工学院毕业设计论文 12 分分别接入电容 C2、 C3。 C2 为输入稳定电容，当稳压器输入阻抗降低时，防止发生振荡，可采用 0.1 1uF的陶瓷电容或钽电容。 C3为输出稳压电容，对于降低输出纹波、输出噪音及负载电流变化的影响有好的效果，可采用 0.1 1uF 的陶瓷电容或钽电容。当集成稳压器上加电压 Vi3.5V 时，此端开路； V+ +6.5V时， 为避免芯片损坏，输出电路须串接一个二极管 VD。该电路的最大负载电流为 10mA。 三、 -12V电压产生电路（提供给 T6963C） 本设计中采用 DC DC变换器控制集成电路 MC34063。该器件本身包含了 DCDC变换器所需要的主要功能的单片控制电路。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器， R-S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件既可用于升压变换器也可用于降压变换器的控制，由它构成的 DC DC变换器仅用少量的外部元器件。 主要特征： 输入电压范围： 2.5 40V 输出 电压可调范围： 1.25 40V 输出电流可达： 1.5A 工作频率：最高可达 100kHz MC34063的封装形式为塑封双列 8引线直插式，其引脚排列如图 3-8： S W C1S W E2T C A P3G N D4- V I N5V C C6I P K7D R V C8M C 3 4 0 6 3引脚说明： 1、 引脚为开关管集电极。 图 3-7 7660的引脚排列 图 3-8 MC34063引脚排列 nts常州工学院毕业设计论文 14 2、 引脚为开关管发射极。 3、 引脚为定时电容。 4、 引脚为接地端（ GND）。 5、 引脚为比较器反相输入端。 6、 引脚为电源 端（ VCC） 。 7、 引脚为 IPK检测端 。 8、 引脚为驱动管集电极。 该器件组成 DC DC降压变换器电路时，比较器的反相输入 端 (脚 5)通过外接分压电阻 R30、 R31监视输出电压 Uo（参照设计电路），其中，输出电压： )1(25.13130RRU O （ 6） 由公式可知输出电压 Uo，仅与 R30、 R31数值有关，因 1.25V为基准电压，恒定不变。若 R30、 R31阻值稳定， Uo亦稳定。 在设计 DC DC变换器时，首先应确定的参数如下 (参照设计图 3-9)： U (输入电压 )：如果该电压不是一个稳定的值，那么，对于降压变换器，应该取Ui的最大值进行计算；对于升压变换器，应该取 Ui的最小值进行计算。 oU(输出电压 )：它的稳压值由30R和31R决定，其计算公式为： )1(25.13130RRU o （ 7） oI(输出电流 )：是 DC DC变换器的输出电流。 mmf (振荡器频率 )：它决定开关管的通断频率。 ppU(输出电压纹波峰 -峰值 )：该参数用于决定输出滤波电容 aC 的数值。 具体的电路设计如图 3-9（此电路为自行搭成的 -12V电压产生电路）： S W C1S W E2T C A P3G N D4-V I N5V C C6I P K7D R V C8M C 3 4 0 6 31 0 KR 3 11 . 5 KR 3 01 5 0 0 p FC 1 61 0 0 u FC 1 9D 31 N 5 8 1 98 8 u HT 1+ 9 V- 1 2 V四、 上、下层测量用电压电路设计 图 3-9 -12V电压产生电路 nts常州工学院毕业设计论文 15 1、 稳压电路部分设计 本设计采用 LM317 稳压电路进行设计。 LM317为三端可调式集成稳压器，输出电压由 2个外接电阻设定。其 三个输出端为 Vi、 Vo、 ADJ，工作时在 Vo与 ADJ之间常为恒定电压 VREF，若调整 ADJ的电压为 VADJ，则输出电压ADJREFo VVV ，调整 VADJ就可以得到任意输出电压 Vo。 在本电测器中，以 LM317为核心组成的可调直流电源，与传统电测器中由分立元件搭成的串联负反馈式稳压电源相比，具有使用元件少，调整方便，性能可靠等优点。其具体设计如图 3-10： 2 4 0R 81 5 0W 1上 层 调 满1 0 0R 4V I N31V O U T2A D JU 1L M 3 1 7+ 9 V4 . 2 5 6 . 1 V图 3-10中电阻 R4=100、 R8=240电位器 W1为 150。根据公式，当电位器 W1调到零时，输出电压取得最小值： VRRVo 25.4)1(25.1 48m i n （ 8） 当电位器 W1调到最大阻值 150时，输出电压取得
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