热敏电阻式恒温电路设计

热敏电阻式恒温电路设计 摘要 随着当今社会的日益发展 人们对温度恒温控制的要求越来越高 综述了热敏 电阻的类型 基本原理 目前的研究现状及应用情况 主要介绍了以 AT89C51 单片机 为核心 以及采用高灵敏的热敏电阻对电沐浴器进行温度的恒温控制 从热信号 到 热敏电阻阻值的变化 转化成电信号 用运放 ICL7650 放大器放大信号 采用 ADC0809 进行转换 用单片机进行温度控制 重点阐述了在恒温控制系统中信号检测 与放大 恒温控制温度检测电路设计 恒温控制器漏电检测 恒温控制失控保护和恒 温控制软件设计 关键词 热敏电阻 温度控制 A D 转换 山西农业大学工程技术学院毕业论文 1 The circuit design of Constant temperature type thermo resistance Abstract People s requirements for constant temperature controlling are more and more higher with the developing of nowadays society The essay sum up styles of thermo resistance basic principle the study state at present time and the condition of using It mainly introduced thermo resistance which is in the core of application AT89C51 and adopts ultra sensitive do constant temperature controlling to electric shower From the heat signal to the thermal resistance change and turned into electrical signals then using op amp ICL7650 amplifier amplificated signal conversion and adopting ADC0809 to transfer and do temperature controlling by application And it focused signal detection and amplification in temperature control system temperature detection circuit design when doing temperature controlling creep age detection when in temperature control and protection of out of order when temperature control and software design when doing temperature control Key word thermo resistance Temperature control A D transformatio 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 2 目目 录录 1 概述 3 2 热敏电阻传感器 3 2 1 正温度系数热敏电阻 4 2 2 负温度系数热敏电阻 5 2 3 临界温度热敏电阻 7 3 热敏电阻式恒温电路设计要求 8 4 系统结构总体设计与实现方案 8 5 恒温控制硬件结构和设计 9 5 1 传感器部分 9 5 2 单片机部分 11 5 2 1 单片机介绍 11 5 2 2 AT89C51 的主要特性 11 5 2 3 AT89C51 系统端口分配 12 5 3 数据采集部分 14 5 3 1 A D 转换器概述 14 5 3 2 ADC0808 转换器的主要性能 14 6 恒温控制电路设计 16 6 1 信号检测与放大的设计 16 6 2 热敏电阻电路恒温控制设计 17 6 3 热敏电阻恒温控制漏电检测电路的设计 17 6 4 热敏电阻恒温控制失控保护电路设计 18 6 5 电源电路设计 19 7 恒温控制软件设计 20 8 结束语 20 参考文献 22 致 谢 23 山西农业大学工程技术学院毕业论文 3 附录 完整电路图 24 热敏电阻式恒温电路设计热敏电阻式恒温电路设计 1 1 概述概述 随着温度控制器应用范围的日益扩大 各种适用于不同场合的智能温度控制器应 运而生 在科研和生产中 常要对某些系统进行温度监测和控制 目前恒温电路设计 已有的实现温控的方法有很多 有的方法达到热平衡需要的时间很长 但其控温精度 很高 而有的方法达到热平衡的时间短 但其控温精度较低 因此用单片机实现系统 温度的自动控制 依靠高灵敏的热敏电阻能提高整个系统的灵活性和可靠性 系统达 到热平衡较快 精度也较高 且该方法更易实现 因此成为在电子产品中温度检测和 温度控制中的主要应用之一 本设计利用热敏电阻实现温度的自动检测与控制 传统的常规温度自动测控因其 明显的缺点已被淘汰 热电偶测温的基本技术和主要性能指标均依赖于热电偶 可实 现较宽温度范围的精确测量 但其连续测量能力低 实时跟随性弱 不适合于连续 快速在线的测控 红外测温利用红外测温仪进行测温 其特点是响应速度快 使用安 全 且寿命长 该技术在工业过程温度测控 设备故障诊断得到应用 但因测量精密 度和连续跟随性方面的缺陷 在线连续实时高精度检测应用中受到限制 本文介绍恒 温控制系统的控制原理 采用现有最灵敏的感温元件 负温度系数热敏电阻 并对 其在从应用到硬件设计 软件设计和恒温控制系统过程中的安全性进行了详细的阐述 2 2 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 了解热敏电阻原理 是应用好热敏电阻的前提 热敏电阻传感器是开发早 种类 多 发展较成熟的敏感元器件热敏电阻由半导体陶瓷材料组成 利用的原理是温度引 起电阻变化若电子和空穴的浓度分别为迁移率分别为则半导体的电导为 pn pn n n n q p 因为 n p都是依赖温度的函数 所以电导是温度的函数 因此可由测量电 pn 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 4 导而推算出温度的高低 并能做出电阻一温度特性曲线 这就是半导体热敏电阻的工 作原理 热敏电阻是对温度敏感的半导体元件 主要特征是随着外界环境温度的变化 其阻值会相应发生较大改变 热敏电阻热敏电阻根据温度系数分为三类 正温度系数 PTC 和负温度系数热敏电 阻 NTC 以及临界温度热敏电阻 CTR 热敏电阻的主要特点是 灵敏度较高 其电 阻温度系数要比金属大10 100倍以上 能检测出10 6 的温度变化 工作温度范围 宽 常温器件适用于 55 315 高温器件适用温度高于315 低温器件适用于 273 55 体积小 能够测量其他温度计无法测量的空隙 腔体及生物体内血管 的温度 使用方便 电阻值可任意选择 易加工成复杂的形状 可大批量生产 稳定性好 过载能力强 由于半导体热敏电阻有独特的性能 所以在应用方面 它 不仅可以作为测量元件如测量温度 流量 液位等 还可以作为控制元件如热敏开关 限流器和电路补偿元件热敏电阻广泛用于家用电器 电力工业 通讯 军事科学 宇 航等各个领域 发展前景极其广阔 2 1 正温度系数热敏电阻 正温度系数热敏电阻简称PTC 是Positive Temperature Coefficient 的缩写 指 在某一温度下电阻急剧增加 具有正温度系数的热敏电阻现象或材料 可专门用作恒 定温度传感器 该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体 其中掺入微 量的Nb Ta Bi Sb Y La等氧化物进行原子价控制而使之半导化 常将这种半导 体化的BaTiO3等材料简称为半导体瓷 同时还添加增大其电阻温度系数的 Mn Fe Cu Cr的氧化物和起其他作用的添加物 采用一般陶瓷工艺成形 高温烧结 而使钛酸铂等及其固溶体半导化 从而得到正特性的热敏电阻材料 其温度系数及居 里点温度随组分及烧结条件 尤其是冷却温度 不同而变化 钛酸钡晶体属于钙钛矿型结构 是一种铁电材料 纯钛酸钡是一种绝缘材料 在 钛酸钡材料中加人微量稀土元素 进行适当热处理后 在居里温度附近 电阻率陡增 几个数量级 产生PTC效应 此效应与BaTiO3晶体的铁电性及其在居里温度附近材料 的相变有关 钛酸钡半导瓷是一种多晶材料 晶粒之间存在着晶粒间界面 该半导瓷 当达到某一特定温度或电压 晶体粒界就发生变化 从而电阻急剧变化 钛酸钡半导瓷的PTC效应起因于粒界 晶粒间界 对于导电电子来说 晶粒间界面 山西农业大学工程技术学院毕业论文 5 相当于一个势垒 当温度低时 由于铁酸钡内电场的作用 导致电子极容易越过势垒 则电阻值较小 当温度升高到居里点温度 即临界温度 附近时 内电场受到破坏 它 不能帮助导电电子越过势垒 这相当于势垒升高 电阻值突然增大 产生PTC效应钛 酸钡半导瓷的PTC效应的物理模型有海望表面势垒模型 丹尼尔斯等人的钡缺位模型 和叠加势垒模型 它们分别从不同方面对PTC效应作出了合理解释 实验表明 在工作温度范围内 热敏电阻的电阻一温度特性可近似用实验公式表 示 RT RNexpB T TN 式中 RT RN表示温度为T TN时的电阻值 B PTC热敏电阻材料的常数 又叫热敏指数 exp 以自然数e为底的指数 e 2 71828 在这里绝对温度T K 与t 的关系函数为 T t 273 15 PTC效应起源于陶瓷的粒界和粒界间析出相的性质 并随杂质种类 浓度 烧结 条件等而产生显著变化最近 进入实用化的热敏电阻中有利用硅片的硅温度敏感元件 这是体型且精度高的热敏电阻 由n型硅构成 因其中的杂质产生的电子散射随温度上 升而增加 从而电阻增加 热敏电阻于1950年出现 随后1954年出现了以钛酸钡为主要材料的PTC热敏电阻 PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制 也用于汽车某部位的温度检测与调 节 还大量用于民用设备 如控制瞬间开水器的水温 空调器与冷库的温度 利用本 身加热作气体分析和风速机等方面 热敏电阻除用作加热元件外 同时还能起到 开关 的作用 兼有敏感元件 加热 器和开关三种功能 称之为 热敏开关 流通过元件后引起温度升高 即发热体的温 度上升 当超过居里点温度后 电阻增加 从而限制电流增加 于是电流的下降导致 元件温度降低 电阻值的减小又使电路电流增加 元件温度升高 周而复始 因此具 有使温度保持在特定范围的功能 又起到开关作用利用这种阻温特性做成加热源 作 为加热元件应用的有暖风器 电烙铁 烘衣柜 空调等 还可对电器起到过热保护作 用 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 6 2 2 负温度系数热敏电阻 负温度系数热敏电阻简称NTC 是Negative Temperature Coefficient 的缩写 指 随温度上升电阻呈指数关系减小 具有负温度系数的热敏电阻现象和材料该材料是利 用锰 铜 硅 钻 铁 镍 锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合 成型 烧结等工艺而成的半导体陶瓷 可制成具有负温度系数的热敏电阻 其电阻率和材料 常数随材料成分比例 烧结气氛 烧结温度和结构状态不同而变化 现在还出现了以 碳化硅 硒化锡等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料 热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷 具有负的温度系数 这 些金属氧化物材料都具有半导体性质 因为在导电方式上完全类似锗 硅等半导体材 料 温度低时 这些氧化物材料的载流子 电子和孔穴 数目少 所以其电阻值较高 随着温度的升高 载流子数目增加 所以电阻值降低 如图2 1和2 2所示为NTC负温度 系数热敏电阻的R T特性曲线示意图 图2 1B值相同 阻值不同的 R T特性曲线示意图 山西农业大学工程技术学院毕业论文 7 图2 2相同阻值 不同B值的R T特性曲线示意图 NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在100 1000000欧姆 温度系数 2 6 5 热敏电阻的电阻一温度特性可近似用实验公式表示 RT RNexpB 1 T 1 TN 式中 RT 在绝对温度T K 时的NTC热敏电阻阻值 RN 在绝对温度TN K 时的NTC热敏电阻阻值 B NTC热敏电阻的材料常数 又叫热敏指数 exp 以自然数e为底的指数 e 2 71828 在这里绝对温度T K 与t 的关系函数为 T t 273 15 陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化 这是由半导体特性决定的 NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段 1834年 科学家首次发现了硫化银有负温 度系数的特性 1930年 科学家发现氧化亚铜一氧化铜也具有负温度系数的性能 并 将之成功地运用在航空仪器的温度补偿电路中 随后 由于晶体管技术的不断发展 热敏电阻器的研究取得重大进展 1960年研制出了NTC热敏电阻器 NTC热敏电阻器 广泛用于测温 控温 温度补偿 抑制浪涌电流等场合 2 3 临界温度热敏电阻 临界温度热敏电阻简称CTR 是Critical Temperature Resistor的缩写 具有负电 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 8 阻突变特性 在某一温度下 电阻值随温度的增加急剧减小 具有很大的负温度系数 构成材料是钒 钡 锶 磷等元素氧化物的混合烧结体 是半玻璃状的半导体 也称 为CTR玻璃态热敏电阻 骤变温度随添加锗 钨 铝等的氧化物而变 这是由于不同 杂质的掺入 使氧化钒的晶格间隔不同造成的 若在适当的还原气氛中五氧化二钒变 成二氧化钒 则电阻急变温度变大 若进一步还原为三氧化二钒 则急变消失 产生 电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置 因此产生半导体一金属相移 CTR能够作为控温报警等应用 热敏电阻的理论研究和应用开发已取得了引人注目的成果 随着高 精 尖科技 的应用 对热敏电阻的导电机理和应用的更深层次的探索 以及对性能优良的新材料 的深入研究 将会取得迅速发展 3 3 热敏电阻式恒温电路设计要求热敏电阻式恒温电路设计要求 1 电路控制应达到较高的测量精度 抗干扰能力要强 2 应具有高灵敏度 3 在温度超限时 应能够实现对外部设备的控制 4 应具有漏电检测的能力 5 通用性要强 能满足各种环境的需要 4 4 系统结构总体设计与实现方案系统结构总体设计与实现方案 本系统采用热敏电阻检测出水口温度 利用负温度系数热敏电阻的阻值随温度变 化而变化的特性 来实现测温 将MF52 3100型负温度系数热敏电阻器安装于出水口 用于采样温度值 温度变换器由自调零高精度运放ICL7650放大器组成的电路构成 将热敏电阻的变化转换为0 VDD 2的直流电压 由单片机系统进行A D转化等处理 当 出水口实时温度高于设定温度时 停止加热 由于冷水不断流入出水口实时温度要低 于设定温度 电阻丝通电加热 此时 冷水和加热电阻丝的发热共同参与水温的调节 系统框图如图4 1 山西农业大学工程技术学院毕业论文 9 电 阻 丝 水 热敏传感器 变送器A D 转换单 片 机 驱动电路失控 保护 信号 漏电 检测 信号 图4 1热敏电阻恒温电路控制结构原理图 仪器的控制核心选用性价比高的单片机AT89C51 掉电不丢失数据的存储器 28C64 传感器选用MF52 3100型负温度系数热敏电阻器 放大部分ICL7650 A D转 换器件选用ADC0809 其转换速度能较好的配合温度惯性大的特点 驱动电路采用光 电隔离完成系统控制 5 5 恒温控制硬件结构和设计恒温控制硬件结构和设计 5 1 传感器部分 本设计电路采用MF52 3470型环氧封装系列NTC热敏电阻器 温度分辨率可达1 控制精度可达 2 能够满足电沐浴器的控温要求 耗散常数不小于0 5mW 工作 温度 55 300 其外型结构如图5 1所示 图5 1 MF52 3470型环氧封装系列NTC热敏电阻 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 10 Rt Rx A E V 0 T 图5 2 MF52 3470型环氧封装系列NTC热敏电阻器基本测试电路图 MF52型环氧封装系列NTC热敏电阻器特性参数 型 号 额定电阻值 25 K B 值 25 50 K 额定功 率 mw 耗散系 数 mw 热时间 常数 S 工作温度 MF52E 3100 0 1 20 3100 MF52E 3270 0 2 20 3270 MF52E 3380 0 5 50 3350 MF52E 3470 0 5 50 3400 MF52E 3600 1 100 3600 MF52E 3950 5 100 3950 MF52E 4000 5 100 4000 MF52E 4050 5 200 4050 MF52E 4150 10 250 4150 MF52E 4300 20 1000 4300 MF52E 4500 20 1000 4500 50 2 0 静止空 气中 7 静止空 气中 55 125 注 1 第一方框填标称阻值 第二方框填精度代码 F 1 G 2 H 3 J 5 2 B值 25 50 误差 对于标称阻值精度 1 的产品其B值对应误差是 1 其余B值 山西农业大学工程技术学院毕业论文 11 误差均为 2 本电路设计中采用的热敏电阻的温度系数 热敏电阻温度和阻值的关系是 5 1 B T RAe 根据经验公式 5 2 11 exp TN N RRB TT 无论是氧化物或者单晶做的热敏电阻 在不太宽的温度范围内 B常数不是固定值 是温度T的函数 即B T 从 5 2 可求出B的常数 5 0 1 ln 11 N R B R TT 3 B一般为2000k 5000k 本恒温系统采用3400k 可求出温度和热敏电阻的阻值 计 算温度的公式为 5 4 00 ln B T RB RT 根据式 5 1 可以求出热敏电阻的温度系数为 5 5 2 1 t dRB a R dTT 所以当温度控制在20摄氏度时 热敏电阻的温度系数为 2 2 2 3400 3 96 10 273 1520 t B aK T 5 2 单片机部分 5 2 1 单片机介绍 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除 只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8位微处理 器 俗称单片机 AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 12 的方案 引脚排列如图 5 3所示 图5 3 AT89C51引脚排列 AT89C51主要实现对外围器件的控制 系统各部分能协调工作 以及对采集回的 数据进行简单处理等 放大器实现前级的微弱信号的放大 A D转换器实现数据采集 5 2 2 AT89C51 的主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0HZ 24MHZ 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 5 2 3 AT89C51 系统端口分配 VCC 供电电压 山西农业大学工程技术学院毕业论文 13 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收 输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被 外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在FLASH 编程和 校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输 出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输 入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉 的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址 数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚备选功能 P3 0 RXD串行输入口 P3 1 TXD串行输出口 P3 2 INT0外部中断 0 P3 3 INT1外部中断 1 P3 4 T0记时器 0 外部输入 P3 5 T1记时器 1 外部输入 P3 6 WR外部数据存储器写选通 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 14 P3 7 RD外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平 时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部 输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳 过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只 有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果 微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器 周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不 出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此 引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出 该反向放大器可以配置为片内 振荡器 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 如采用外部时钟源驱动器件 XTAL2应不接 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器 因此对外部时钟信号的脉宽无任 何要求 但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 山西农业大学工程技术学院毕业论文 15 5 3 数据采集部分 5 3 1 A D 转换器概述 目前 世面上有多种类型的 ADC 有传统的并行 逐次逼近型 积分型 ADC 也有近年来新发展起来的 型和流水线型 ADC 多种类型的 ADC 各有其优缺点并 能满足不同的具体应用要求 本设计主要采用 ADC0809 其转换速度能较好的配合温 度惯性大的特点 ADC0809 是采样频率为 8 位的 以逐次逼近原理进行模 数转换 的器件 其内部有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存译码后的信号 只选 通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A D 转换 5 3 2 ADC0808 转换器的主要性能 1 主要特性 1 8 路 8 位 A D 转换器 即分辨率 8 位 2 具有转换起停控制端 3 转换时间为 100 s 4 单个 5V 电源供电 5 模拟输入电压范围 0 5V 不需零点和满刻度校准 6 工作温度范围为 40 85 摄氏度 7 低功耗 约 15mW 2 内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A D 转换器 内部结构如图所示 它 由 8 路模拟开关 地址锁存与译码器 比较器 8 位开关树型 D A 转换器 逐次 逼近 3 外部特性 引脚功能 ADC0809 芯片有 28 条引脚 采用双列直插式封装 如图 5 4 所示 下面说明 各引脚功能 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 16 图 5 4 ADC0809 芯片 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 2 1 2 8 8 位数字量输出端 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动信号 输入 高电平有效 EOC A D 转换结束信号 输出 当 A D 转换结束时 此端输出一个高电 平 转换期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端输入 一个高电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLK 时钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ REF REF 基准电压 Vcc 电源 单一 5V GND 地 ADC0809 的工作过程是 首先输入 3 位地址 并使 ALE 1 将地址存入地址锁存 器中 此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器 START 上升沿将逐次逼近寄存 器复位 下降沿启动 A D 转换 之后 EOC 输出信号变低 指示转换正在进行 直 到 A D 转换完成 EOC 变为高电平 指示 A D 转换结束 结果数据已存入锁存器 这个信号可用作中断申请 当 OE 输入高电平时 输出三态门打开 转换结果的数字 量输出到数据总线上 山西农业大学工程技术学院毕业论文 17 6 6 恒温控制电路设计恒温控制电路设计 6 1 信号检测与放大的设计 被控温度信号检测与放大原理电路 如图所示 其原理为 为热敏电阻的信号输 入 经自调零高精度运放ICL7650放大后 输出为 V01 R4 R5 V R4 i 再由第二级运放A741放大后 输出为 V02 R8 R7 R4 R5 V R4R5 i 最后 为了实现阻抗变换匹配需增加一个射极跟随器 也采用A741来实现 A D 转换器选用ADC0809 考虑到本系统的最大迟滞时间及热电阻温度信号的非线性 选 用ADC0809完全符合要求 A D转换后的数字量送单片机 R1 10k uA741 R2 uA741 R5 ICL7650 R7 关关关 R9 R3 R6 A D关关关 R8 R4 C2C1 D1D2 C1 C2 C3 C3 12 12 13 13 14 14 12 12 13 13 14 14 12 12 13 13 14 14 C4 图6 1放大原理电路图 6 2 热敏电阻电路恒温控制设计 在设计恒温电路中应该包括两个方面 一方面用来检测水实际温度 另一方面由 于在控制加热的过程中功率一般比较大 长时间的加热可能导致恒温控制系统内部温 度过高 为保护控制系统内部电路 温度检测电路在系统加热的过程中要不断的检测 系统内部温度 图6 2所示为热敏电阻恒温控制温度检测模块电路 其中R3标准的精度 电阻 其电阻值不随温度的变化而改变 或者阻值改变非常微小 Rt电阻皆为NTC负 温度系数的热敏电阻 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 18 R2 68k 2 7k 2 7k 1k R1 10k 1k 1 5M 100k R3 10k Rt D1 A A 12V V 0 图6 2恒温控制温度检测模块电路 该电路图的输出电压为0V 5V 输出灵敏度为50Mv D1为稳压二极管 并经过 R1 R2 R3分压 是跟踪器输出保持在2 5V 为桥路稳压电源 Rt热敏电阻的工作电 流应限制在1mA以下 否则电流过大会使热敏电阻发热 影响其测量精度 桥路输出后 经自调零高精度运放ICL7650放大后 A D转换连接给单片机 6 3 热敏电阻恒温控制漏电检测电路的设计 漏电检测电路包括两个方面 即恒温控制系统在启动通电后在极短的时间内主动 漏电 用来判断系统的漏电检测电路是否正常有效 另一方面是恒温控制系统的在加 热过程中万一发生漏电的情况 漏电检测电路能够立即检测到漏电并将漏电信息及时 通知控制系统使其紧急采取安全闹户措施 图6 3为热敏电阻恒温控制漏电检测模块电 路 为使控制系统即时得到漏电信息 漏电检测电路检测的漏电信息采用中断方式反 馈到单片机中 山西农业大学工程技术学院毕业论文 19 R10104k R12102K R13 101k R9 102k R11 103k D6 D5 C7 2 3 1 84 U8AA TM 393 AT89C51 P1 3 P3 3INT1 VCC 8 7 6 5 4 3 2 1 9 10 11 12 13 14 15 16 OUT7 GNDV IN7 IN6 IN5 IN4 OUT2IN2 IN3 IN1 OUT6 OUT5 OUT4 OUT3 OUT1 U20 ULN2003 J8J9J11 J18 J10 J17J16J15 关关关关关关 关关关关 5V AC12V 图6 3热敏电阻恒温控制漏电检测模块电路图 6 4 热敏电阻恒温控制失控保护电路设计 失控保护电路是由一片 74HC123芯片为主的单稳态和限温开关组成的双层保护 电路 单稳态电路的数据输入控制端直接与单片机的 I O口连接 输入端与限温 开关共同直接控制温度控制系统的电源总开关 如图 6 4所示恒温控制的失控保护 模块电路 当程序在运行过程中失去控制而导致单稳态电路的数据输入端长期不变 化时 单稳态电路的输出端将输出低电平信号 或者当温度检测电路检测不正常导 致水温上升而 使限温开关断开 这两者只要其一发生都将直接关闭恒温控制系统的 总电源 从而保护恒温控制器系统运行的安全 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 20 R7 104K R8 102k E2 10uF E1 10uF R6 104K Q1 8050 Rcext Cext A B CLR Q Q 15 14 1 3 2 13 4 U9A 2 1 P2 关关关关 AT89C51 P1 7 51 VCC 关关关关关 8 74HC123 图6 4恒温控制失控保护图 6 5 电源电路设计 整个系统采用220 V交流电 单片机电源通过变压器将220 V交流输入转换成9 V交 流输入 再经整流 滤波以及7805稳压 就可得到较稳定的5V直流电源 此电压也 A D输入的参考电压 如图6 5所示 9V AV 5V S0 D0 S2 1000UF S1 2200UF 1 2 3 4 7805 220V 5V 图6 5电源部分电路原理图 山西农业大学工程技术学院毕业论文 21 7 7恒温控制软件设计恒温控制软件设计 本热敏电阻恒温控制技术对水温度检测的精确度要求不是特别高 即使测量的水 温度与实际水温度相差1 2 也能接受 但在恒温控制过程中如果运用到社会实践 中可能对人体造成伤害的因素必须引起高度重视 恒温控制系统在加热过程中检测到 漏电和测温电路不正常 控制系统必须立即关闭加热并即时报警 出现严重错误时系 统不能自动恢复 一般错误在排除后系统能自动恢复正常的运行 由于恒温控制系统在加热的过程中功率一般都是比较大的 因此控制软件在具体 实现中要注意对周边大功率的电器设备启动时的先后顺序 并且对大功率的电器设备 不能频繁启动和关闭 启动和关闭要有一定的时间间隔 也是一种最大限度对电器设 备保护的方法 由图6 4可知 由于恒温控制系统失控保护电路的单稳态电路的数据输入端与单片 机的I O口直接连接 因此恒温控制程序在运行的过程中要不断改变单稳态电路数据 输入端的电平 使其维持高电平输出 单稳态电路的数据输入端的电平改变的时间周 期频率不能超过失控保护电路单稳态电路的稳态时间 否则会引起恒温控制系统自动 关闭系统总电源 恒温控制系统主程序运行流程图如图7所示 8 8 结束语结束语 本热敏电阻式恒温电路设计主要针对水温度的恒温控制 整个控制系统不管是硬 件在设计上主要运用高灵敏电阻热敏电阻传感器 设计上基本上采用模块化结构设计 提高了系统技术的通用性和运行的稳定性 但是本恒温控制系统的设计由于设计时间 比较短 作者社会实践和知识的局限性 电路设计也有一些设计不完善的地方 第一 运用不是很方便 第二 单片机的功能没有全部发挥出来 没有把单片机的引脚全部 利用起来 第三 精度不是的很高 应该还有很大的更改空间 通过不同的改进措施 可以向不同的方向发展 更大程度上是把整个系统作为产品 适用于不同的场合 另 外在实现恒温控制的基础上 重点考虑了系统对人体的安全和外围电器设备的保护 应该说这种设计思想比实现控制系统本身更重要 解卓军 热敏电阻式恒温电路设计 22 是 正常 是 否 否 否 不正常 不正常 程序开始 系统初始化 漏电测试 取设置温度数据 水温检测 水温 设置温度 水位检测 启动水循环泵 水压检测 漏电检测 水位检测 严重错误处理 严重错误警报 加热电路漏电 水温检测不正常 漏电检测不正常 一般错误处理 一般错误报告 关闭加热系统 图7 恒温控制系统主程序运行流程图 山西农业大学工程技术学院毕业论文 23 参考文献 1 俞志根 传感器与检测技术 M 北京 科学出版社 2007 2 毛有武 单片机温控器在热处理炉上的应用 J 工业加热 2001 2 53 58 3 刘明 加热炉温度控制系统的实现 J 微计算机信息 1998 5 49 54 4 胡汉才 单片机原理及其接口技术 M 北京 清华大学出版社 2000 5 STTr系列NTC热敏电阻使用手册 Z 青岛三元传感技术有限公司 2006 6 何希才 薛永毅 传感器及其应用实例 M 北京 机械工业出版社 2001 7 章登宏 现代物理知识 M 北京 科学出版社出版 1994 8 张曙光 纪建伟等 检测技术 M 中国水利水电出版社 2003 9 李刚 林凌 现代测控电路 M 高等教育出版社 2004 1 10 吴祖国 ICL7650 斩波稳零运算放大器的原理及应用 J 新特器件应用 2003 4 41 42 11 全国大学生电子设计竞赛组委会 第三届全国大学生电子设计获奖作品选 M 北京 北京理工 大学出版社 2001 12 钟文耀 EWB 电路设计入门与应用 M 北京 清华大学出版社 2000 13 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2001 14 施湧潮 梁福平 牛春晖 传感器检测技术 M 北京 国防工业出版社 2007 15 物理教材中涉及的传感器件知识简介 EB OL 16 吴运昌 模拟集成电路原理与应用 M 广州 华南理工大学出版社 2001 17 段九州 电源电路实用设计手册 沈阳 辽宁科学技术出版社 2000 18 Markham T L Smith R L A Schur compl