數(shù)控溫度檢測報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

1、一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與技術(shù)要求1. 測量溫度范圍為00C990C， 2. 手動(dòng)設(shè)定任意所需溫度基準(zhǔn)，數(shù)字顯示，增減可調(diào)，精度10C。3. 溫度超過設(shè)定值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，報(bào)警方式：聲光報(bào)警。二、總體方案設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中選擇如圖-1所示方案： D/A轉(zhuǎn)換（放大）溫度檢測電壓比較控制數(shù)字產(chǎn)生 聲、光報(bào)警譯碼顯示顯示圖-1總體設(shè)計(jì)方案原理方框圖總體設(shè)計(jì)中的主要思想：溫度傳感選用高精度攝氏溫度傳感器LM35進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，DA轉(zhuǎn)換部分使用集成芯片DAC0832；二進(jìn)制到8421BCD碼的轉(zhuǎn)換用74LS192實(shí)現(xiàn)；顯示譯碼部分用4513和七段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)；溫度控制范圍設(shè)定采用數(shù)字設(shè)定方式，用十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)

2、器74LS192；溫度的判斷比較通過數(shù)值比較器LM339實(shí)現(xiàn)。聲光報(bào)警利用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器組成。1.溫度檢測：溫度傳感器/溫敏器件，將溫度(物理量)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓（電量）。2.數(shù)字量產(chǎn)生：為了實(shí)現(xiàn)報(bào)警溫度的數(shù)字控制，由數(shù)字產(chǎn)生電路產(chǎn)生預(yù)置報(bào)警溫度所需的數(shù)字量（2位8421BCD碼）。3. 譯碼、顯示：選輸入是8421碼，譯碼輸出的七段現(xiàn)實(shí)碼的譯碼器，及LED數(shù)碼管顯示，將產(chǎn)生的數(shù)字量直接譯碼并以數(shù)碼形式顯示。4. D/A轉(zhuǎn)換、放大：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量（電壓量）。5. 比較模塊：將設(shè)定數(shù)字量所對應(yīng)的電壓量與檢測溫度對應(yīng)的電壓量比較經(jīng)過電壓比較器，輸出高低電平指示信號(hào)，由此控制聲光報(bào)

3、警模塊，當(dāng)檢測溫度達(dá)到或超過設(shè)定報(bào)警溫度時(shí)即產(chǎn)生聲光報(bào)警。6. 報(bào)警模塊：不同檢測溫度經(jīng)過電壓比較器與所設(shè)溫度對應(yīng)的數(shù)字量，輸出高低電平指示信號(hào)。當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，報(bào)警電路不工作。當(dāng)有高電平信號(hào)輸入時(shí)，多諧震蕩電路開始工作。發(fā)光二級(jí)管點(diǎn)亮，并發(fā)出蜂鳴報(bào)警，即發(fā)生報(bào)警。三、單元電路設(shè)計(jì)及分析1.溫度檢測模塊硬件組成：LM35溫度傳感器溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、電動(dòng)勢、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等。a.方案的論證與選擇 方案一：

4、采用二極管做溫度傳感器 晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1時(shí)，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時(shí)間常數(shù)為0.22秒，靈敏度較高。測溫范圍為-50+150。同型號(hào)的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。方案二：用LM35做溫度傳感器 LM35是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0開始。在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（

5、約50A），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場合中，輸出可以由第三個(gè)引腳取出，根本無需校準(zhǔn)。LM35具有以下特點(diǎn)：（1）工作電壓：直流430V；（2）工作電流：小于133A（3）輸出電壓：+6V-1.0V（4）輸出阻抗：1mA 負(fù)載時(shí)0.1；（5）精度：0.5精度（在+25時(shí)）；（6）漏泄電流：小于60A；（7）比例因數(shù)：線性+10.0mV/；（8）非線性值：±1/4；（9）校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；（10）封裝：密封TO-46 晶體管封裝或塑料TO-92 晶體管封裝；（11）使用溫度范圍：-55+125額定范圍b.

6、本課題選用LM35用作溫度檢測元件。傳感器電路采用核心部件是 LM35AH，供電電壓為直流15V 時(shí)，工作電流為120mA，功耗極低，在全溫度范圍工作時(shí)，電流變化很小。電壓輸出采用差動(dòng)信號(hào)方式，由2、3 引腳直接輸出，電阻R 為18K 普通電阻，D1、D2 為1N4148。傳感器電路原理如圖-2。.采樣值的準(zhǔn)確量化是溫控電路正常工作的關(guān)鍵，這里采用以下?lián)Q算辦法來進(jìn)行量化。設(shè)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的電壓為Ui，則Ui=(-10V,10V)已知10V 對應(yīng)的溫度為55，10V 對應(yīng)的溫度為125，易求得比例因數(shù)Kt0.111V/。Ui=-10V+溫度為0時(shí)，T55（即相對于55的變化量）。圖-2傳感器電路

7、原理圖 Ui 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，每個(gè)數(shù)字量對應(yīng)電壓值為4.883mV，（由12 位AD，滿量程20V 可得），用Ks 表示?？汕蟮脭?shù)字量變化與溫度變化的對應(yīng)關(guān)系：（0.111V/）/（4.883mV/數(shù)字量）22.73 數(shù)字量/當(dāng)0時(shí)，AD 輸出的數(shù)字量D0 = 0+55×22.73 數(shù)字量/125004E2H。最后可以得到，U=0.01t2. 數(shù)字量產(chǎn)生與譯碼顯示模塊 硬件組成本電路包括兩片74LS192可逆計(jì)數(shù)器，CC4513共陰七段碼顯示器，組成一個(gè)2位數(shù)碼顯示電路及由兩片AD7533實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，還有LM324集成運(yùn)算放大器，74LS00與非門。 (1) 譯碼顯示部分由兩個(gè)7

8、4LS192產(chǎn)生從0-99的十進(jìn)制數(shù)字量，74LS192的邏輯圖及引腳圖如圖-5，75LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，具有雙時(shí)鐘輸入，挺尸具有清零、置數(shù)功能。如圖-6接線通過控制CPu和CPd實(shí)現(xiàn)了兩位十進(jìn)制可加可減計(jì)數(shù)功能，經(jīng)譯碼后可實(shí)現(xiàn)與溫度顯示值的一一對應(yīng)。圖-5:/PL為置數(shù)端,CPu為加計(jì)數(shù)端,CPd為減計(jì)數(shù)端,/TCu為非同步進(jìn)位輸出端,/TCd為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計(jì)數(shù)器輸入端,MR為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。Q0Q1Q2Q3 /BO /CO D0 D1 D2 D3CR CPu/LD CPd74LS19274LS192Vcc D0 CR

9、/BO /CO /LD D2 D3 D1 Q1 Q0 CPDCPUQ2 Q3 GND74LS192圖-5 74LS192的引腳及邏輯圖Q0Q1Q2Q3 /BO /CO D0 D1 D2 D3CR CPu/LD CPd74LS192Q0Q1Q2Q3 /BO /CO D0 D1 D2 D3CR CPu/LD CPd74LS1921圖-6譯碼顯示部分可采用CC4513七段顯示譯碼器，由于74LS192輸出有效電平為高電平，此處采用驅(qū)動(dòng)共陰極結(jié)構(gòu)的顯示器（LED）。在應(yīng)用過程中，為了使電路能夠正常工作，一般要對顯示器采取限流保護(hù)措施。電路接線如圖-7。 圖-7CC4513CC4513(2) D/A轉(zhuǎn)換

10、、放大采用集成芯片DAC0832作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，DAC0832是單片高速8位逐次比較型D/A轉(zhuǎn)換器，其引腳與工作原理圖如圖-8。具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)， D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。若需要相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放的反饋電阻可通過9號(hào)端端引用片內(nèi)固有電阻，也可外接。圖-8DAC0832引腳功能；DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線。 ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。 CS：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。 WR1：為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。 XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。 WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。 Iout

11、1:電流輸出線。當(dāng)輸入全為1時(shí)Iout1最大。 Iout2: 電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。 Rfb:反饋信號(hào)輸入線,芯片內(nèi)部有反饋電阻. Vcc:電源輸入線 (+5v+15v) Vref:基準(zhǔn)電壓輸入線 (-10v+10v) AGND:模擬地,摸擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地. DGND:數(shù)字地,兩種地線在基準(zhǔn)電源處共地比較好. DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個(gè)外接的運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。實(shí)驗(yàn)線路如圖-9所示。 LM324-+圖-93.比較模塊硬件組成： LM339LM339引腳與功能簡介 LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特

12、點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。圖-10LM339集成塊采用C-14型封裝，圖-10為外型及管腳排列圖。由于LM339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。 LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和

13、一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出端輸出高電位。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出端輸出低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同

14、阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 VCC本次課程設(shè)計(jì)采用如下接線原理：10K5.1KLM33910K圖-114. 聲光報(bào)警模塊硬件組成本電路包括555定時(shí)器、蜂鳴器、發(fā)光二極管等其它電子原件。 555定時(shí)器是中規(guī)模集成電路，利用 它可以方便的構(gòu)成脈沖產(chǎn)生電路。利用這一點(diǎn)可將其利用在本課題的報(bào) 警發(fā)生電路中。 555的引腳圖如圖-12所示。 圖-12表一 555定時(shí)器功能表輸 入輸 出UI1UI2RDU0V狀態(tài)XX00導(dǎo)通>2/3VCC>1/3VCC10導(dǎo)通<

15、;2/3VCC<1/3VCC11截止<2/3VCC>1/3VCC1不變不變報(bào)警電路原理圖如圖-13 所示，由555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路所構(gòu)成的報(bào)警電路。多諧振蕩環(huán)節(jié)，電源通過兩個(gè)電阻對電容充電，當(dāng)電容兩端電壓沖至2/3Ucc時(shí)，輸出U0跳低電平，D腳導(dǎo)通，電容通過電阻放電，當(dāng)放至小于1/3Uo時(shí)，輸出又跳高電平。如此循環(huán)往復(fù)形成多諧振蕩。此報(bào)警電路通過/R端控制555定時(shí)器的工作與否，當(dāng)給/R端高電平時(shí)，電路工作，由預(yù)先計(jì)算好的振蕩頻率使發(fā)光二極管發(fā)光，揚(yáng)聲器發(fā)聲。信號(hào)由/R端控制；輸出脈沖由OUT端輸出。電路正常工作是，要求輸入脈沖的脈沖寬度一定要小于Tw，若脈寬大于T

16、w，要加RC微分電路在輸入端。Vcc20K30KR110uF2K48483775KVo1555(II)555(I)3225uF1561560.01uF0.1uF0.01uF圖-13 報(bào)警電路原理圖該部分電路圖的工作原理電路由兩個(gè)555多諧振蕩器組成，第一個(gè)振蕩器的振蕩頻率為12Hz時(shí)，第二個(gè)振蕩器的振蕩頻率為1000Hz。將第一個(gè)振蕩器的輸出(3腳)接到第二個(gè)振蕩器的復(fù)位端(4腳)。在輸出高電平時(shí)，第二個(gè)振蕩器振蕩;輸出低電平時(shí)，第二個(gè)振蕩器停振。這樣，蜂鳴器將發(fā)出間隙聲響。 四、相關(guān)參數(shù)的計(jì)算1. 電壓比較單元電壓比較器選用LM339,+5V供電，上拉電阻R為5.1k。2. 譯碼及顯示單元譯

17、碼器用CC4513，顯示器采用七段顯示器，限流電阻R=1k，LED用共陰極接法。3.DAC單元設(shè)定Vref為10V，兩個(gè)DAC0832接電位器作為反饋電阻。輸出模擬電壓可調(diào)，設(shè)計(jì)中得到0·99分別對應(yīng)輸出電壓：-Uo=(R3/R1)Vi1+(R3/R2)Vi2Uo=0.235x(10x0.235)=2.58V4.報(bào)警電路部分電路振蕩周期TT=T1+T2=0.7(R1+2R2)CLED部分：f=2HZ=65.8%揚(yáng)聲器部分：f=1190HZ=58.3%5.溫度檢測部分： LM35輸出電量與溫度的關(guān)系是U=0.01t 0V=<U<=0.99V 經(jīng)同相放大器放大：Uo=(1+(R2/R1)U R2=20K，R1=10K Uo=3x0.99=2.9V 這與DAC轉(zhuǎn)換出來的2.6V為一個(gè)電壓等級(jí)。五、元器件清單序號(hào)編號(hào)器件名稱數(shù)量數(shù)值1R電阻15.1K2R1電位器110K3R2電位器12K4R3電阻120K5R4電阻12K6R5電阻15K7R6電阻110K8R7