模电课设温度传感器模块

目录摘要1关键词11、前言12、系统概述和总体方案论证与选择23、单元电路设计3一温度传感模块3二数字显示与温度范围控制模块51方案的论证与选择52AD转换与解码63译码显示94控制温度设定105温度超限判断12三声光报警与温度控制执行模块131声光报警132温度执行13四总体电路图14五方案的优点与缺点以及改进154、结束语165、心得体会166、元器件清单16参考文献17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模拟电子技术和数字电子技术的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。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、温度控制、声光报警、555定时器1、前言在现今科技高速发展的时代，各行各业对控制和测量的要求越来越高，其中，温度测量和控制在很多行业中都有比较重要的应用，尤其在工业上，如炼钢时对温度高低的控制。要控制好温度，测量是前提，测量的精度影响着后续工序的进行，因此温度测量的方法和选取就显得相当重要了。本次课程设计给我们创造了良好的学习机会一是查阅资料将自己所学的数字电子技术，模拟电子技术，以及传感器的相关知识综合运用，二是系统了解温度监测特别是工业上的温度控制的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。仔细分析问题后，实现温度的测量与控制方法很多，大致可以分为两大类型，一种是以单片机为主的软硬件结合方式，另一种是用简单芯片构成实现电路。由于单片机知识的匮乏，我们决定用后者实现。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。二、系统概述和总体方案论证与选择在本系统的总体设计中，有以下两种思路方案A如图21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。方案B如图22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。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、单元电路设计1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。方案一采用二极管做温度传感器晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1时，下降2MV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为022秒，灵敏度高。测温范围为50150。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。方案二用可编程器件DS18B20做温度传感器DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1WIRE，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产品具有以下特点只要求一个端口即可实现通信；在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号；实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；测量温度范围在55到125之间；数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择；内部有温度上、下限告警设置。但是DS18B20需要单片机软件控制，与本次设计要求不符。方案三用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50A），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，如图311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。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CTMVTVLMOUT。35_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。其接脚如图312（A）、（B）所示。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008，单电源模式在25C下静止电流约50A，工作电压较宽，可在420V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图313。考虑到本课题的要求，我们选用单电源模式，其电路图如下314所示。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。其具体参数计算为31023KRAUF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组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。二数字显示与温度范围控制模块1、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（1）A/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。该方案工作稳定性强，不易出错，因此采用该方案。（2）控制温度设定与温度超限判断部分方案一如图321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。方案二利用计数器和锁存器精确设定温控范围。如图322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。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323所示。2、AD转换与解码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。为了保证温度的精度（05度），本设计采用AD574的12位转换模式。如图324所示AD574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，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010V和020V，05V和010V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。AD574A的引脚说明1PIN1VLOGIC逻辑电源5V电源输入端；2PIN212/8数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出；3PIN3CS片选端，低有效；4PIN4A0字节地址短周期控制端。与12/8端用来控制启动转换的方式和数据输出格式；5PIN5R/C读转换数据控制端；6PIN6CE使能端，高有效；7PIN7V正电源输入端，输入15V电源；8PIN8REFOUT10V基准电源电压输出端；9PIN9AGND模拟地端；10PIN10REFIN基准电源电压输入端；11PIN11V负电源输入端，输入15V电源；12PIN12BIPOFF单极性输入时BIPOFF接模拟公共地，双极性时BIPOFF接对应的5V、10V；13PIN1310VIN单极性010V模拟量输入，双极性05V模拟量输入；14PIN1420VIN单极性020V模拟量输入，双极性010V模拟量输入；15PIN15DGND数字地端；16PIN16PIN27DB0DB1112条数据总线，通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据；17PIN28STS工作状态指示信号端，当STS1时，表示转换器正处于转换状态，当STS0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010V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5100。代表5100。由于传感器部分的输出电压满足，0UT代表温度，单位，K10V/）即满足所以参考电压KU0T10UREFIN的取值需要满足UREFINK510，UREFIN的可以通过图324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，R6140K，R73K，C510F555的3脚为输出端，其高电平持续时间T170R6R7C51S，低电平持续时间T207R7C521MS。输出低电平时，AD5740处于转换状态，转换时间需要约25S，T225S，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。2、码制的转换12位二进制数转8421BCD码通过对电可擦写只读存储器EEPROM281024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A0A11接对应的AD5740的二进制输出端，高4位A12A15均接地。D0D3，D4D7，D8D11，D12D15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AG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表1存储器21024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326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。本模块所用芯片信息2810241MCOMSEEPROM（65536X16）；A0A15地址输入端；D0D15数据输出端281024真值表工作模式/CE/OE/WE读写数据001写入数据010禁止1XX温度地址编码BCD编码0000000000000000000000000000000000000001000000000000000100000000000000010002000000000000001000000000000000101650000001011010101000000101101010103、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AG显示驱动信号，在LED数码管上进行十进制显示。接法如图328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180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。本模块所用芯片信息4511BD4511BD真值表4、控制温度设定如图3210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AG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328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。本模块所用芯片信息1、74LS160D74LS160D真值表2、74LS175D清零预置使能时钟预置数据输入输出0RLEPETCP0123P0123Q工作模式0XXXXXXXX0000异步清零10XX同步置数110XXXXXX保持数据保持11X0XXXXX保持数据保持1111XXXX十进制计数加法计数5、温度超限判断如图3213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A3A0，B3B0是待比较的两组四位二进制数的输入，OAGTB,OAEQB,OALTB分别表示AB,AB,AB）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。本模块所用芯片信息3声光报警与温度控制执行模块1、声光报警如图331所示，当输入信号为低电平时，报警电路不工作。当有高电平信号输入时，模拟开关闭合，多谐震荡电路开始工作。发光二级管点亮，并发出蜂鸣报警。报警时蜂鸣的频率为20HZ,作用的占空比为583。2、温控执行如图232所示，温控执行电路由一个双刀双置开关控制，当开关闭合时，输入信号为低电平时，加热或降温电路不工作。当有高电平信号输入时，继电器吸合，启动加热降温设备进行加热和降温操作。若温度回到设定范围内，电路即复位回到稳定态，3脚输出低电平，继电器断开，加热或降温操作停止。（图中用灯来表示加热降温器件）4总体电路图5方案的优点与缺点以及改进在本次设计中遇到了如下几个难点1、如何对传感器进行温度补偿。由于LM35温度传感器线性范围在55150，工作最大温度180，所以在150165期间需要进行温度补偿以减小误差。温度的补偿方法有传感器补偿和电路补偿两种方法。虽然经过查阅资料对此有了了解，但限于所学知识以及时间限制，此问题依旧没有得到解决。所以在150165期间会有相对较大的误差，但仍然在大的范围满足精度要求。2、如何将12位二进制数转换成8421BCD码。经过查阅大量资料并研究决定用EEPROM电可擦写存储器来完成这个功能。3、如何实行温度的设定和超限判断。技术要求中提到输入温度连续可调，我们开始拟采用滑动变阻器控制，使滑动变阻器的分压参与电路中的信号处理，由于其种种缺点，最终放弃了该方案。使用计数器、寄存器、数值比较器、译码显示装置、实现了将控制温度直接以直观的数字量直接输入，并以8421BCD码的形式输入数值比较器进行温度判定，也实现了输入温度的连续可调，而且极大地提高了准确度、直观性和易用性。4、本设计中用到了多个机械开关。机械开关在使用过程中会在两个触点之间发生弹性抖动，随着抖动会产生多个相应的干扰脉冲，这就可能会产生误操作，甚至带来严重的后果，大大的影响了系统的稳定性。为此，需要加上防抖动电路对此加以改进。在本电路中，我们在温度设定模块中加上防抖动开关，增加了系统的稳定性。下面具体讲一下防抖动开关。图351的防抖动电路是由两个或非门交叉藕合构成的基本RS触发器，高电平触发。基本RS触发器具有置“O”、置“1”和“保持”三种功能，利用这种锁存器具有的记忆的功能消除抖动信号。将该模块加入控制温度设定装置即可，如图352。四、结束语本次温度测量与控制电路的课程设计主要内容到此已经基本结束。整个模块的功能满足了设计之初所设定的需要，也在仿真软件上进行了最大限度的仿真，并且得到了比较好的结果，在此次设计中运用到的知识大多数为课本所学，其余少部分为平时积累以及课程设计期间临时学习得到。在整个课程设计过程中，我们通过多个途径获取相关知识，先后在图书馆查阅资料，网络中搜寻相关元器件，在和其他同学探讨中寻求多种思路，包括也得到了老师的多次点拨指导，最终完成了整个作品的设计和仿真，收获很大，将以前学习的一些知识都联系起来，熟悉了所学知识，提高了自己的学习能力，为以后工作奠定了一定的理论基础。通过本次也提高了自己的学习能力，为以后工作奠定了一定的理论基础。设计中难免有缺点和漏洞，真诚希望老师指导，以求进一步改进和完善。5、心得体会这次课程设计我选择了温度测量与控制这一题目，感到这个题目综合性强，应用广，对设计者的要求也较高，因此，碰到的难度也较大，但本着求知与实践应用的精神，我最终将这个题目的大概框架整理出来，其中有许多不尽人意之处及不理想的地方还很多，这也是我今后学习的方向和动力。本次设计中，我主要负责数字显示与温度范围控制模块中的译码显示、声光报警与温度控制执行模块，显示电路是这次设计中花力气最大的环节，它首先需要将模拟量转化为数字量，再将其变为8421BCD码，这一过程实现有很多方法，如利用单片机等，然后就可以用数码管显示了。控制电路的实现方法也有很多种，设计中也拟定了两种方法，他们之间的优劣也有表述，关键是我从中了解了相关控制的多种方法，为今后设计控制电路做足准备。在这次的设计模块中我们还引入了温度控制执行模块，完善了整个模块的功能。最后，通过这次课程设计让我获益良多。从中我认识到了各课程学习的重要与应用之处，为今后学习指明方向，也大大的提高的系统学习电子技术的兴趣。同时，在设计中我使用了MULTISIM100软件，发现了这个软件的强大，做了很多测试以及仿真，在仿真过程中不断修改和完善电路，虽然这个过程经历的时间很长，而且也有很多困难，但是强化了对已学知