孵化室控温控制电路设计

课程设计设计题目孵化室控温控制电路设计系别自控系班级学生姓名学号指导教师职称起止日期中文摘要当今时代是一个自动化时代，生产、养殖等好多行业的设备都与计算机密切相关。目前在中国，绝大部分的养殖场的温湿度的检测还停留在人工测量和记录的水平上，没有一个科学的高技术的测试系统。因此，一个好的养殖场的温湿度的控制系统，将给养殖场带来该方面的技术革新。随着电子技术的迅速发展，单片机在仪表中的应用日益广泛。单片机将中央处理器、程序储存器、定时器/计数器、并行串行输入输出口和中断部件等单元集成在一个芯片上，使系统的体积缩小，价格便宜，性能可靠。近年来计算机及微电子技术等在测试中的应用已经十分广泛。在此基础上发展起来的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、应用功能等方面还是在解决测试技术问题的深度及广度方面都有了巨大的发展，以一种崭新的面貌展现在人们的面前。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛运用，智能仪器有了更大的发展。测试仪器的智能化已是现代仪器仪表发展的主流方向。本次设计中，可以实现的功能有孵化室温控制在3642，温度低时启动电热器加热，温度高时，启动风扇冷却。报警指示，当温度大于42或低于36时，用声光报警。本电路应用温度传感器来采集温度的变化，经过放大电路放大后，进行A/D转换，将输入电压信号转换成数字量输出；显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。关键词温度传感器，放大器，单片机，报警，显示目录中文摘要I1设计主要内容及要求12设计思路23设计方框图34各部分电路设计441稳压源部分电路的设计442温度显示部分443温度控制部分的设计544声光报警系统645外部晶振和复位75工作过程分析96元器件清单107主要元器件介绍1171传感器AD590简介1172译码器74LS47简介1173单片机C8051简介1274驱动器MAX6665简介1375LED显示器简介148软件流程图15小结16致谢17参考文献18附录A1逻辑电路图191设计主要内容及要求11设计目的（1）了解温度控制技术的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。（2）初步掌握常用测温方法的特点和应用场合，并选择合适方法应用于本设计。（3）通过学习，具体掌握所选择测温方法和传感器等的使用特点和方法。12基本要求（1）孵化室对温度有一定要求，温度是否合适直接影响孵化效果，为此需要对温度进行严格控制，主要指标如下孵化室温控制在3642，温度低时启动电热器加热，温度高时，启动空调冷却。报警指示，当温度大于42或低于36时，用声光报警。（2）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器和温度显示系统。（3）要有相应的控制算法（软件流程图）。13发挥部分自由发挥2设计思路该系统采用温度传感器进行测量，在传感器两端加上一定的工作电压，则其输出电压随着温度的变化而变化，电压线号再由运放转将信号放大，通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量，然后送入单片机进行处理。单片机工作需要给它一个5V的直流电源，这就需要一个稳压的过程，把220V交流电压通过变压器、整流桥、二极管、稳压器、滤波电容转换成5V直流电压。单片机把传感器采集的数据经过译码器显示在液晶屏上，同时当温度低于规定温度范围时，电路将自动加热，知道达到适当的温度。如果测得的温度超出规定值，驱动芯片将驱动风扇运作，是温度降低。当测得的温度不再规定温度范围内时，单片机也会发出声光报警，发光二极管闪烁，蜂鸣器报警。3设计方框图单片机C8051控制部分供电温度采集36声光报警显示声光报警364242温度控制驱动电路驱动风扇电热元件加热4各部分电路设计41稳压源部分电路的设计电源稳压及过零检测电路由变压器TF、整流桥RB、二极管D、三端稳压器7805、整形电路和滤波电容C1、C2、C3、C4组成。电路如下图41所示图41稳压源电路变压器TF将220V的交流电压转换为5V低压，并利用整流桥RB转变为脉动直流电压。然后通过二极管D经滤波电容C1和C2滤波后，生成无纹波的直流电压。直流电压经三端稳压器7805稳压后，形成5V直流电压。滤波电容C3和C4负责负载突变情况下的滤波工作。二极管D在脉动直流电压和滤波后的直流电压之间起隔离的作用。同时，由整流桥输出的脉动直流电压经整形电路整形后，产生10MS的负脉冲过零信号，用于进行时间计数。42温度显示部分本次设计中采用了74LS47作为译码驱动芯片，它是将锁存、驱动、译码三种功能集于一身的“三合一”器件，采用的动态扫描显示方式。74LS47之输出系为驱动器设计，其逻辑0之吸入电流高达40MA，故在使用必须加入330左右电阻加以限流，以免过大电流流经LED而烧毁显示器。每个数码管都有A、B、C、D、E、F、G七个笔划和一个小数点DP，这八个联对应二极管阳极，阴极都联在一起（称共阴极）。以四位数码管矩阵为例，四个数码管的A、B、C、D、E、F、G七个笔划和一个小数点DP电极分别并联在一起。LED的发光原理，7段LED数码管，则在一定形状的绝缘材料上，利用单只LED组合排列成“8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出09的数字。当单片机将二进制数字发送给译码器，经译码器转换为十进制，显示在数码管上。如图42所示。图42温度显示电路图43温度控制部分的设计本设计要求温度可以设定，并要求温度被控制在设定的值附近，所以该系统应该是一个闭环控制系统。如当测量的温度低于设定的温度值时，温度传感器的阻值发生改变，电压比较器两端的电势也随之发生改变，其两端的电势不等，将信号放大，驱动电路加热器的工作，使温度上升；当温度高于设定的温度时，驱动电路驱动风扇工作，使孵化箱内温度下降。通过上述方法温度将被控制在设定值附近。（A）（B）图43（A）加热部分电路（B）驱动降温电路由基准源提供的电流I0为1231235VVRR调节R2即可改变I0的大小。AD590输出电流的温度灵敏度为1A/K，绝对温度与摄氏温度的关系为K27315。设要测量的温度为T（摄氏温度），则流过AD590的电流ITTIT流过反馈支路的电流10RIIPTF可见若要使，只要调节电位器R2即可。此时放大器的输出电压为TIF013123FUIT若要求U0的灵敏度等于10MV/。电阻R2是调零作用，R2是调节满量程输出。集成运算放大器要选取高精度型器件。44声光报警系统报警模块的电路图如图44所示。电路由电阻、NPN三极管和蜂鸣器构成。当温度超过报警温度时，由单片机的脚发出一个4KHZ的方波来驱动蜂鸣器发出报警声。声光报警部分流程图如下图45。图44声光报警电路响亮标志FLAG1温度低于设定温度响铃标志FLAG0响铃温度高于设定温度YYN图45声光报警部分流程图45外部晶振和复位单片机外部复位，外部复位引脚（RESET）提供了使用外部电路强制单片机进入复位状态的手段。在复位引脚上加一个低电平有效信号将导致单片机进入复位状态。最好能提供一个外部上拉和（或）对RESET引脚的去耦电路以防止由于强噪声而引起复位。I/O端口锁存器的复位值为0XFF（全部为逻辑高电平），内部若上拉有效，使外部I/O引脚处于高电平状态。外部I/O引脚并不立即进入高电平状态，而是在进入复位状态后的4个系统时钟之内。注意在复位期间弱上拉是被禁止的，在器件退出复位状态时弱上拉被响铃标志FLAG1N时能。这就使得在器件保持在复位状态期间可以节省功耗。对于VDD监视器复位，/RESET引脚被驱动为低电平，直到VDD复位超时结束。石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。当外部晶体振荡器稳定运行时，晶体振荡器有效标志（OSCXCN寄存器中的XTLVLD）被硬件置为逻辑1。XTLVLD检测电路要求在使能震荡器工作和检测XTLVLD之间至少有1MS的启动时间，在外部振荡器稳定之前就切换到外部振荡器可能导致不可预见的后果。单片机外接晶振作为时钟频率，并采用电源复位设计。复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RESET引脚上为高电平，然后电源通过对电容充电。RESET端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作。下图为晶振复位电路图。SR9C8C9C7YGND图46晶振及复位图5工作过程分析将220V电压通过变压器转化成5V的电压，再将5V交流电压通过整流桥变成5V的直流电压，用电容进行滤波。得到稳定的直流电压输入到单片机C8051上。这样单片机就可以工作，在这里我对单片机进行了编程，其编程内容有测量温度的比较，测得温度后的温度显示，报警等。在温度测量电路的设计中，我采用了集成温度传感器AD590。它的精度高，测温范围为55150。当温度发生改变时，传感器的电阻也随着发生改变，电压比较器两端的电势也发生改变，其两端的电势不等，将信号放大，如果温度低于规定值，电阻丝将发热加温。如果测得的温度高于规定值，驱动器驱动风扇工作，使孵化室的温度降低到规定值范围内。当温度高于或低于给定值范围，电路将自动报警，报警的同时发光二级管也会发光。报警模块的电路由电阻、NPN三极管和蜂鸣器构成。测得温度后反馈给单片机，单片机将信号通过译码器传送给数码显示。6元器件清单名称型号数量备注碳膜电阻100K2碳膜电阻10K3碳膜电阻10015碳膜电阻47K1电解电容66F4电解电容10F1电解电容1F1温度传感器AD5901稳压器LM78051三端器AD5811LED数码管4七段数码管驱动芯片MAX66651发动机1三极管3NPN二极管5发光二极管1蜂鸣器1变压器1单片机C80511集成运放LM3111电热丝1译码器74LS471晶振石英晶振片17主要元器件介绍71传感器AD590简介AD590是一种两线集成电路温度传感器，它可产生一个正比于绝对温度的输出电流。电流信号再由运放转换为电压信号，通过A/D转换器将输入的模拟电压转换为数字量，并通过并行接口芯片将数字量送给计算机。其外形采用TO52金属圆壳封装结构，其管脚排列如图A。它是一种二端元件，属于一种高阻电流源，其典型的电流温度灵敏度是1A/K，温度为0时，AD590输出的恒流值为27315A，当温度升高或降低1时，AD590的输出电流就增大或减小1A。AD590测量温度范围是55150；在整个测温范围内的非线性误差小于03；工作电压范围430V。其引脚图如下图（B）所示。（A）（B）图71AD590管脚排列图（A）引脚图（B）72译码器74LS47简介74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，该电路的输出为低电平时有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时对应字段熄灭。该译码器能够驱动七段显示器显示015共16个数字的字形。输入A3、A2，A1和A0接受4位二进制码，输出QA、QB、QC、QD、QE、QF和QG分别驱动七段显示器的A、B、C、D、E、F和G段。7个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD数据及其补码至7个与或非译码门。剩下的与非门和3个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入/动态灭灯输出BI/RBO端及动态灭灯输入RBI端。它在这里与数码管配合使用，它与数码管之间的关系如下1LT试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT0时，无论输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。2BI灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI0时。不论LT和输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。3RBI灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3A2A1A00时，本应显示0，但是在RBI0作用下，使译码器输出全1。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。4RBO灭零输出，它和灭灯输入BI共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系，其引脚图如图72所示。图7274LS47引脚图73单片机C8051简介C8051F020单片机是CYGNAL公司生产的，它是完全集成的混合信号系统级芯片SOC。采用全速、非侵入式在系统调试接口，提供C编译调试环境，可以大大提高产品开发速度和效率。我们使用的C8051单片机是目前各大高校及市场上应用最广泛的单片机型其内部包含一个8位的CPU4K的程序存储空间ROM128字节的RAM数据存储器两个16位的定时/计数器可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路32条可编程的I/O线具有两个优先级嵌套的中断结构的5个中断源。其引脚图如下图73。图73C8051引脚图74驱动器MAX6665简介MAX6665是一种具有内置功率晶体管的全集成电路温度开关，它可以用于驱动额定功率达到24V。250MA的冷却风扇。当MAX6665的温度上升到超过出厂设置的门限温度时，FANOUT输出变为有效并驱动风扇运转。MAX6665出厂时设置的温度门限范围为4070，典型误差为1，WARN用于指示过温状态的两路漏极开路逻辑输出。其引脚图如下图74所示。图74MAX6665引脚图75LED显示器简介LED数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共阴极LED数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极负极短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平、端接低电平时，才能发光。LED的输出光谱决定其发光颜色以及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓GAP、砷化镓GAAS、磷砷化镓GAASP、氮化镓GAN等，其中氮化镓可发蓝光。发光颜色不仅与管芯材料有关，还与所掺杂质有关，因此用同一种管芯材料可以制成发出红、橙、黄、绿等不同颜色的数码管。其他颜色LED数码管的光谱曲线形状与之相似，仅入，值不同。LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。LED数码管等效于多只具有发光性能的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。因此，LED数码管属于电流控制型器件，其发光亮度L与正向电流IF有关，用公式表示LKIF即亮度与正向电流成正比。LED的正向电压U，则与正向电流以及管芯材料有关。使用LED数码管时，工作电流一般选10MA左右段，既保证亮度适中，又不会损坏器件。图75LED显示器引脚图8软件流程图给定温度3642结束NNY开始关看门狗液晶片显示计数器初始化检测温度加热电路驱动风扇小结时间总是匆匆流过。一周的程序设计结束了，这次设计是将理论和实际相结合的程序设计。其中我收获了很多。在这次传感器课程设计我设计的题目是孵化室控温控制电路，按照要求，在这次设计中要实现的功能有孵化室温度控制在3642，温度低时启动电热器加热，温度高时，启动风扇冷却。报警指示，当温度大于42或低于36时，用声光报警。根据设计任务和要求，我的设计思路大概分为以下几个部分稳压源将220V交流电压转化为5V的直流电压。温度测量电路当温度低于36时，电路将自动加热，达到要求的温度；当温度高于42时，使用风扇降温，使其达到要求值，但是风扇必须连有驱动电路。温度显示电路用译码器连接到单片机，将单片机中的数字信号进行编译，然后显示在数码管上。报警和复位电路报警模块的电路图由电阻、NPN三极管和蜂鸣器构成。只有为低电平的时候才会复位。在此次设计中，最重要的部分是温度控制测量部分的电路。在这部分电路的设计中，我采用了集成温度传感器AD590。它的精度高，测温范围为55150。当温度发生改变时，传感器的电阻也随着发生改变，电压比较器两端的电势也发生改变，其两端的电势不等，将信号放大，如果温度低于规定值，电阻丝将发热加温。如果测得的温度高于规定值，驱动器驱动风扇工作，使孵化室的温度降低到规定值范围内。通过这一周的设计实习，使我对传感器的学习更进一步，加深了对理论学习的理解，同时能够较自如的应用知识来设计方案。也使我明白将理论和实际联系起来的重要性。同时，通过学习，也锻炼了和组员交流，沟通，相互学习，得到最好的设计成果。我相信，通过这次设计，我会更加努力，更加积极地学习专业知识，争取自己在此方面能创出更优秀的成绩。致谢本次的传感器课程设计顺利地结束了,我也顺利地完成了设计任务。第一次接触这样陌生的设计，有很多困难在等着我们。如果没有老师和同学的帮助，是很难完成的。在这一周的设计中我受益匪浅。这次课程设计使我对传感器及其应用有了更深的认识和理解，为我以后学习其他相关知识都打下了坚实的基础，它还使我更加深入地理解了互帮互助的重要性。勇于面对问题并通过自己的努力去解决所遇到的问题才是重要的，抱怨和愁苦解决不了什么。学习的过程中应多进行些实践，这样才能将理论知识与实践相结合，将理论应用于实践，这样才能让自己真正地掌握所学的知识，使学习变得更加有趣味性。回想这一周的设计，要特别感谢指导老师祝老师。老师平日里工作繁多，但是仍然做到每天按时去教