传感器课程设计孵化室温度控制

1、沈阳工程学院课程设计（论文）沈 阳 工 程 学 院课 程 设 计设计题目： 孵化室控温控制电路设计 系 别 自动化学院 班级 测控本111 学生姓名 祝祎杰 学号 2011313123 指导教师 祝尚臻 职称 讲师 起止日期：2014年 3 月 3 日起至 2014年 3 月14日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 孵化室控温控制电路设计 系 别 测控技术与仪器 班级 测控本111/2 学生姓名 祝祎杰 学 号 2011313123 指导教师 祝尚臻 职称 讲师 课程设计进行地点： F430 任 务 下 达 时 间： 2014 年 3月3日 起止日期：2014 年 3 月3日起至 20

2、14 年 3 月14日止教研室主任 年 月 日批准孵化室控温控制电路设计1 设计主要内容及要求1.1 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。1.2 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

3、器和温度显示系统。 3、要有相应的控制算法（软件流程图）。1.3 发挥部分 自由发挥2 设计过程及论文的基本要求：2.1 设计过程的基本要求（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框

4、图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12014.3.3讲解主要设计内容，查阅相关资料。打分22014.3.4检查资料查阅情况，听取学生方案。打分32014.3.5检查学生初步方案的合理性，针对存在的问题予以解决打分42014.3.6指导学生进行设计框图的设计打分52014.3.7检查并指导学生进行传感器和主要元器件的选取打分12014.3.10检查并指导学生进行原理图的设计打分22014.3.11检查框图及初步原理图完成情况，讲解及

5、纠正错误打分32014.3.12检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解原理图绘制及报告书写打分42014.3.13继续修正逻辑图，指导原理图绘制方法，布置答辩打分52014.3.14答辩、修改上交报告打分沈 阳 工 程 学 院 孵化室控温控制电路设计课程设计成绩评定表系（部）： 自动化学院 班级： 测控本111 学生姓名： 祝祎杰 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，

6、工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8

7、）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分目录中文摘要62设计思路83设计方框图94各部分电路设计和过程分析104.1.直流电源电路的设计104.2温度采集部分104.3温度控制部分的设计114.5显示电路124.6光电隔离电路135 系统软件分析145.1 软件流程图146 元器件清单157主要元器件介绍167.2三端稳压集成电路IM7805简介177.3比较器LM339简介187.4译码器74LS47简介187.5 单片机C8051简介197.6 LED显示器简介19小 结21致 谢22参考文献23III中文摘要传感器是一类用途十分广泛的器件，无论在

8、国民经济建设中还是国防建设中，传感器都扮演着非常重要的角色。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器不仅充当着计算机、机器人、自动化设备的感觉器官及机电结合的接口，而且已渗透到人类生命、生活的各个领域。从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的传感器。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

9、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。本次设计中，我课程设计的内容孵化室温度控制，可以实现的功能有：孵化室温控制在3642，温度低时启动加热器加热，温度高时，启动制冷器冷却。报警指示，当温度大于42或低于36时，用声光报警同时将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：温控器，单片机，数码管，显示1 设计主要内容及要求1.1 设计目的

10、：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。1.2 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）。1.3 发挥部分 自由发挥2设计思路该系统温度的测量

11、是通过双输出低功耗的温控器LM56来实现的，它是一个高精度、低功耗的温控器，其温度门限是由三个外部电阻对内部的1.25V带隙基准电压的方法产生的。同时将引脚6、7脚的输出通过控制光耦来控制加热器和制冷器的启动与关闭，将5脚的模拟温度值通过单片机AD转换译码器转换通过数码管显示出来。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。把传感器采集的数据经过译码器显示在液晶屏上，同时控制声光报警电路，当温度大于42或低于36时，用声光报警，同时制冷器或加热器工作，是孵化室温度控制在要求范围内。3设计方框图直

12、流稳压电源C8051F020单片机TMP37电压输出传感器信号放大判断是否报警温度显示42制冷加热4各部分电路设计和过程分析4.1.直流电源电路的设计直流电源电路由变压器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组成。电路如下图4-1所示图4-1直流电源电路变压器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。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.4.2温度采集部分 图4-2 TMP37示意图T

13、MP37在25时输出电压为500mv，每增加1，电压升高20mv4.3温度控制部分的设计 图4-3 温度控制电路信号经放大器放大后，进入两个电压比较器。以其中一个为例。若信号电压高于比较电压，输出高电平，三极管工作，光电隔离器工作，制冷器或加热器工作，反之，则不工作。其中门限电压的确定：V1=（36-25）*20mv+500mv*10=7.2V V1=（42-25）*20mv+500mv*10=8.4V4.4声光报警系统报警模块的电路图如图4-4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4 kHz的方波来驱动蜂鸣器发出报警声。图4-4 声光报警电路4

14、.5显示电路根据技术要求需将湿度测量结果显示出来，考虑到显示电路如不用译码器则电路会较复杂，为简化电路便于安装、调试，我采用了译码驱动电路。如图4-5所示。图4-5数码管显示电路4.6光电隔离电路图4-6光电隔离电路 光电隔离电路将电信号转化为光信号再转化为电信号能有效避免电信号之间的干扰。在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：（1）光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%200%。这是因为当CTR50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流(IF5.0mA)，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR200%，在启动电路

15、或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。（2）推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。5 系统软件分析5.1 软件流程图开始关看门狗各功能模块初始化设置工作参数采集电压值计数器所计值与设置值比较声光报警电路结束由P口输入至译码器AD转换不在范围内在 图5-1单片机系统软件流程图6 元器件清单名称型号数量备注碳膜电阻若干电桥IN40042比较器LM3392电容若干二极管2三端器IM78051LED数码管4七段数码管光电耦合器2三极管4NPN/PNP发光二极管1蜂鸣器1单片机C8051F0201电源若干译码器74LS471加热器1制冷器1电压跟随器

16、LM3391电压放大器LM33917主要元器件介绍7.1电压输出型温度传感器TMP339简介TMP37是低电压、精密摄氏温度传感器，提供与摄氏温度成线性比例关系的电压输出。TMP37不需要执行任何外部校准，在+25C时典型 精度为1C，在40C至+125C温度范围内典型精度为2C。的低输出阻抗及其线性输出和精密校准可简 化与温度控制电路和ADC的接口。所有三个器件均可采用2.7 V至5.5 V的单电源供电。电源电流低于50 A，自热效应非常小，在静止空气中小于0.1C。此外还可以利用关断功能将电源电流降至0.5 A以下。TMP35与LM35/LM45功能兼容，25C时提供250 mV输出，温度

17、测量范围为10C至125C。TMP36的额定温度范围为40C至+125C，25C时提供750 mV输出，采用2.7 V单电源供电时工作温度可达125C。TMP36与LM50功能兼容。TMP35和TMP36的输出比例系数均为10 mV/C。TMP37适用于5C至100C的应用，输出比例系数为20 mV/C，25C时提供500 mV输出。采用5 V电源供电时，所有器件均可在最高150C下工作，但精度有所下降。TMP35/TMP36/TMP37提供低成本3引脚TO-92、8引脚 SOIC_N和5引脚SOT-23表贴三种封装。技术特性 低工作电压：+2.7 V至+5.5 V 直接以摄氏度校准(C) 比

18、例系数：10 mV/C（TMP37为20 mV/C） 精度：2 C（整个温度范围内，典型值） 线性度：0.5 C（典型值） 能稳定驱动较大容性负载 额定温度范围：-40 C至+125 C，工作温度最高可达+150 C 静态电流：小于50 A关断电流：0.5 A（最大值）技术指标 Product Description: Low Voltage Temperature Sensor, +5C to +100C 25C Temp Error (Deg C): 2Deg Temp Range: +5 to +100 Supply Voltage Range: +2.7V to +5.5V Senso

19、r Output: +20 mV/C Supply Current : 50AOutput Type: Analog7.2三端稳压集成电路IM7805简介电气参数参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输出电压VoTj=254.85.05.2V5.0mA<1o<1.0A,Po<15WVi=7.5v to 20v4.755.005.25V线性调整率VoTj=25,Vi=7.5V to 25V4.0100mVTj=25,Vi=8V to 12V1.650mV负载调整率VoTj=25,lo=5.0mA to 1.5A9100mVTj=25,lo=250mA to 750mA450mV

20、静态电流IQTj=255.08mA静态电流变化率IQlo=5mA to 1.0A0.030.5mAVi=8V to 25V0.30.8mA输出电压温漂Vo/Tlo=5mA0.8mV/输出噪音电压VNf=10Hz to 100KHz,Ta=2542V纹波抑制比RRf=120Hz,Vi=8V to 18V6273dB输入输出电压差Volo=1.0A,Tj=252V输出阻抗Rof=1KHz15m短路电流1SCVi=35V,Ta=25230mA峰值电流1PKTj=252.2A7.3比较器LM339简介LM339的特点和一些参数1）电压失调小，一般是2mV；2）共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v

21、；3）他对比较信号源的内阻限制很宽；4）LM339 vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；5）输出端电位可灵活方便地选用。6）差动输入电压范围很大，甚至能等于vcc； LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输

22、入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上

23、拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。7.4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

24、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： (1)LT()：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LT()=0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。 (2)BI()：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI()=0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。(3)RBI(-)：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A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在RBI(-)=0作用下，使

25、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。(4)RBO()：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。图7-1 74LS47引脚图7.5 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CPU;4K的程序存储空间ROM;128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

26、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7-2。图7-2 C8051引脚图7.6 LED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：L=KIF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7-3 LED显示器引脚图小 结过两周的设计，让我学习到了有关有温度传感器方面的很多知识，使我在一周的课程学习后更加深刻地认识到了自己所学专业的重要性和趣味性。在这次课程设计中我以书中内容为基础，通过查阅课外的知识完成本设计要求的内容，达到了学习的目的。通过这两个星期的学习与努力，在克服了许多学习