多路溫度巡回監(jiān)測系統(tǒng)

1、多路溫度巡回監(jiān)測系統(tǒng)摘要:本文敘述的是一個八路溫度信號進行巡回檢測電路設(shè)計。本電路包括多路振蕩器電 路, LED 測量點顯示電路,巡回檢測電路,傳感器電路五部分組成。在傳感器電路中使用 的溫度傳感器把被檢測信號變?yōu)殡妷盒盘?用模擬比較器把被檢測信號進行處理,直接用 數(shù)字電壓表測出與溫度值對應(yīng)的電壓值,并顯示出該點是“第幾路檢測點” 。本設(shè)計電路 簡單,可在生活生產(chǎn)中廣泛使用。關(guān)鍵字:傳感器;溫度檢測;巡回檢測一、概述本課題要求用電子電路實現(xiàn)八路通道溫度電壓有規(guī)律的選擇、測量。課題涉及了涉及 了 555定時器、 數(shù)字計數(shù)器的循環(huán)計數(shù)、 LED 數(shù)字驅(qū)動電路以及電子芯片模擬開關(guān)的使用。 本課題的測

2、溫范圍為 0到 100,通過對元器件的調(diào)整同樣可以進行更大范圍、更 多通道的溫度測量選擇。本方案測量精度高、切換速度快、管理方便并可在很多領(lǐng)域得到 更好的應(yīng)用。課題要求電路要測量至少 8點的溫度, 首先將溫度轉(zhuǎn)換為直流電壓, 由數(shù)字電壓表 (DvM直接讀取, 該讀數(shù)正比于測量點的溫度。 另同時要通過計數(shù)、 譯碼、 顯示電路顯示出是 “第 幾路測點” 。測溫范圍為 0到 100;測量的相對誤差 1。本課題的設(shè)計結(jié)果可應(yīng)用于需要對多溫度進行監(jiān)控的領(lǐng)域,方便統(tǒng)一控制,在經(jīng)過集 成后可以制作成定時開關(guān)電路,接入壓力、聲音等傳感器可以實現(xiàn)更多信息的巡回檢測監(jiān) 控。二、方案論證 方案一 如圖 1: 圖 1

3、多路溫度巡回檢測電路的原理框圖(方案一方案一原理說明:在開啟電路后由開關(guān)脈沖激活第一個 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,在有效時 間內(nèi)測溫模塊通過控制電路與電壓表接通,溫度通過電壓表顯示,計數(shù)器置零, LED 顯示 當(dāng)前通道編號即數(shù)字“ 0”。在 555有效信號停止時由其觸發(fā)下一個 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器, 使模塊二與電壓表連接,計數(shù)器加一后顯示當(dāng)前通道編號并由電壓表顯示模塊二的電壓, 以此類推,直到最后一個通道的觸發(fā)器關(guān)閉時觸發(fā)通道 0,計數(shù)器重新置零,開始新一輪 的巡回檢測。方案二 如圖 2: 圖 2 多路溫度巡回檢測電路的原理框圖(方案二方案二原理說明:電路開啟后有 555定時器每隔一段時間產(chǎn)生一個一定

4、時間的脈沖, 控制八進制循環(huán)發(fā)生電路產(chǎn)生對應(yīng)的開通信號到模擬開關(guān)電路, LED 顯示當(dāng)前有效地通道 編號。八個模擬開關(guān)在同一時間只有一個開通,使電壓表測出對應(yīng)的溫度傳感器的電壓, 進而顯示所選通道對應(yīng)傳感器的溫度。 方案對比:方案一的模塊化較明顯,通過每一個 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器控制該通道顯示的時間,同時 在通道關(guān)斷時激活下一路的觸發(fā)控制電路。該方案可以很方便的控制每一個通道的溫度顯 示間隔,并且在添加測溫通道時可以以模塊的方式進行添加,相對比較方便,但成本相對 高,維護也更加繁瑣。方案二簡單實用,通過調(diào)節(jié) 555定時器可以方便的控制通道間切換的時間間隔,并通 過電壓表對溫度進行顯示。電路較簡單

5、成本相對較低。但對于要額外增加測溫通道的電路 實際改動可能比較復(fù)雜。綜合比較,在使用固定通道數(shù)的溫度巡回檢測系統(tǒng)中采用方案二比較經(jīng)濟實惠,同時 更方便維護三、電路設(shè)計1. 時鐘發(fā)生電路(555多諧振蕩器本電路擬定電壓表測量電壓足夠快, 5秒時間可以使采集人員記錄到穩(wěn)定的電壓度數(shù) (溫度 。對于電路,要求 555多諧振蕩器每隔 5s 產(chǎn)生一個下降沿信號,即頻率為 0.2Hz 。 根據(jù) 555觸發(fā)器的相關(guān)推導(dǎo)公式:T =22T T +=(21R R +2ln C(212112/R R R R T T q +=令周期 T = 5s,占空比 q= 60%,設(shè) 1R = 100K 解得相關(guān)參 數(shù):1R

6、= 100K; 2R = 200K; c= 14.43F 電路圖如圖 3圖 3時鐘發(fā)生電路2. 八進制循環(huán)發(fā)生電路八進制循環(huán)發(fā)生器是對 74LS160 十進制計數(shù)芯片的一種修改方案, 對其輸出信號進行 判斷。循環(huán)采用同步置數(shù),由 07 進行循環(huán),當(dāng)輸出 Q=0111(7時,則對 LOAD 端置 低電平,使計數(shù)器置 0000(0 。同時 Q1、 Q2、 Q3 輸出則為輸出計數(shù)對應(yīng)的二進制碼。 因為電路需要 8 路控制信號以控制模擬開關(guān)的工作, 顯然需要將二進制碼轉(zhuǎn)換為單一的控 制信號。采用 3 線 -8 線譯碼器 74LS138 進行譯碼。對其輸出信號取反后以高電平為有效 控制開關(guān)電路的開通與關(guān)

7、斷。電路圖如圖 4圖 4八進制循環(huán)發(fā)生電路3. LED 數(shù)字顯示 本部分采用 7448 顯示譯碼器驅(qū)動電路, LED 顯示部分采用共陰極顯示模塊,通過上 拉電阻對電壓分壓并對顯示部分供電。經(jīng)查詢模塊特性,得知 LED 顯示模塊的工作電壓為 1.66V ,工作電流為 10mA 。上拉電阻計算 (11. 0/66. 15/-=-=on f CC I V V R =3347448 的 ABC 輸入端分別接 160 的計數(shù)輸出, D 懸空,完成對 160 計數(shù)的同步顯示。 電路圖如圖5 圖 5LED 數(shù)字顯示驅(qū)動電路4. 溫度采集陣列溫度采集器采用 TMP36 溫度傳感器,其采集區(qū)間為 -40+125

8、,符合要求通過查詢硬件手冊得知該傳感器的具體參數(shù)如下: 對于要求的 0100溫度采集器 TMP36 的輸出電平為 500mV 1500mV, 可以使用電壓 表對電壓值進行觀察記錄,為了方便用戶進行直接觀測,并且對溫度采集器相關(guān)電路進行 緩沖,提高較遠(yuǎn)距離的帶載能力,在溫度采集器的輸出端接入由運算放大器構(gòu)成的電壓加 減器,利用集成運算放大器輸入阻抗高和輸出阻抗低的特點,使測量端與輸出端隔離,保 證輸出的穩(wěn)定性。對于運算放大器的選擇我選用了 LM324 系列運算放大器, 其是一種價格便宜的帶有真 差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比,它們有一些顯著優(yōu) 點。該四放大器可以工作

9、在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的電源下,靜態(tài)電流為 MC1741 的 靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源,因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部 偏置元件的重要性。根據(jù)運算放大器的相關(guān)特性構(gòu)成加減法電路,其運算公式如下:21653436501i i U R R U R R R R R U -+ +=令 0U 為電壓信號輸出 (01000mV, 1i U 為 TMP36 的電壓輸入 (5001500mV ,為了使顯示更加直觀將輸入端減去 500mV 作為輸出, 2i U 為比較電壓輸入 (5V, 1. 0/34=R R 完成 500mV 的產(chǎn)生。 由于在應(yīng)用中, 沒有負(fù)電壓產(chǎn)生, 所以

10、集成運算放大器不需要負(fù)電壓輸入, 將其負(fù)電壓引腳接地。用相關(guān)參數(shù)解方程,最終得 K R R 1035=; K R R 164=。電路圖如圖 6: 圖 6電壓加減器電路加入溫度傳感器后形成圖如圖7 圖 7加入溫度傳感器的電路圖5. 八通道模擬開關(guān)電路模擬開關(guān)采用 CD4066 芯片,具體參數(shù)如下: 按照設(shè)計參數(shù), 輸入的電壓范圍為 +0.5+1.5V, 所以輸入電壓采用 5V 電源即可保證 輸入輸出的穩(wěn)定。對于要求的電路使用八輸入端并在控制信號下向同一端輸出電壓即可完 成要求。對于最終的電壓表顯示,因為輸出溫度設(shè)計要求為 0+100,而溫度傳感器經(jīng) 電壓跟隨器后的輸出電壓對應(yīng)為 5001500m

11、V ,所以在隨后電壓表的測量中用 500mV(實際 電路中可以使用 9K 與 1K 電阻進行分壓以避免添加額外的電壓源 的電壓代替地線的零 電位,達到 01000mV 的輸出電壓,輸出比例為 10mV/。設(shè)計的電路如圖 8 圖 8八通道電子模擬開關(guān)電路及電壓顯示部分四、性能的測試對總電路進行性能測試,因為溫度傳感器無法正常模擬,使用對等的電壓源代替,根 據(jù)溫度傳感器特性,以 500mV 為 0、 1500mV 為 100進行性能測試,性能測試電路圖 如圖 9圖 9性能測試用電路圖用示波器(XSC1對 555定時器發(fā)出的時鐘波形進行檢測得圖 10的波形: 圖 10 555定時器時鐘波形得知每隔

12、0.15s 產(chǎn)生一個時鐘信號輸給八進制計數(shù)器,符合設(shè)計要求。2、使用邏輯分析儀檢測 74HC138經(jīng)過反相器反相后的譯碼結(jié)果(10KHz 脈沖輸入 ,得 到如圖 11的波形圖: 圖 11 74HC138經(jīng)過反相器反相后的譯碼結(jié)果作者：SAMSUNG 分析波形可知同一時間只有一個輸出端為高電平，且隨時間依次下移，可以控制模擬 開關(guān)的輪流開通、關(guān)斷，符合設(shè)計要求。觀察示波器得到如圖 12 的波形： 圖 12 電壓加減電路輸入輸出波形 計算 876mV-376.423mV=499.577mV，符合 500mV 的降壓要求。 表 3 多路溫度巡回檢測電路測試數(shù)據(jù)表 LED 顯示 所選通道電壓源的電 壓

13、 1500mv 1300mv 1200mv 1000mv 900mv 800mv 700mv 500mv 理論溫度( 電壓表測量電 壓 1000mv 803mv 668mv 500mv 400mv 301mv 200mv 30.37pv 實測溫度 ( 100 80.3 66.8 50.1 40 30.5 20 0.003 誤差(% 0 1 2 3 4 5 6 7 100 80 70 50 40 30 20 0 0 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0 0.3% Page - 11 - of 14 - 11 - 作者：SAMSUNG 五、結(jié)論、性價比 通過對仿真實驗?zāi)M結(jié)果的觀察，可以得知本設(shè)

14、計電路完全符合課程設(shè)計要求。其誤 差小于 0.1，經(jīng)過電路排查得知其誤差產(chǎn)生原因為集成運算放大器產(chǎn)生的誤差，在忽略 成本的條件下，完全可以采用差分放大器進行跟隨或者放大，通過修改 CD4066 芯片的規(guī) 格可以使通過的電壓更大，即可以使用差分放大器進行精確放大，達到更高的精確度。 本電路以使用集成數(shù)字芯片為主，模塊明晰，方便連接與修理，性價比較高。 六、課設(shè)體會及合理化建議 通過此次實驗，我對匯編語言的理解和使用有了一個更為深入的認(rèn)識。這次實習(xí)有機 地結(jié)合了理論與實踐， 既考察了我們對理論知識的掌握情況， 還反映出我們實際動手能力， 更主要的是它激起我們創(chuàng)新思維，為今后的進一步學(xué)習(xí)創(chuàng)下良好條件

15、，為以后的就業(yè)也打 下一個根基，真可謂一舉多得。開始的時候由于沒有經(jīng)驗，不知如何下手，所以就去圖書 管找了一些書看，在課程設(shè)計過程中，我遇到了一些問題，在老師的幫助下，通過查詢資 料和結(jié)合平時學(xué)到的知識，問題得到了解決，無疑，這是對我分析和解決問題的能力的一 次有效檢驗。盡管經(jīng)歷了不少的艱辛，但給我積累了一點設(shè)計的經(jīng)驗，最后也有點小小的 成就感。后面的路還很長，我還要努力！ 希望今后能夠多多出現(xiàn)和日常生產(chǎn)生活緊密相關(guān)的題目，為我們的工作和學(xué)習(xí)打下一個 好基礎(chǔ)。真正將學(xué)習(xí)和生活聯(lián)系起來，這樣的課設(shè)才有意義。 參考文獻 1 童詩白、華成英主編者 . 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). M北京：高等教育出版社，20

16、06 年 2 譚博學(xué)主編. 集成電路原理與應(yīng)用. M北京：電子工業(yè)出版社，2006 年 3 謝自美主編. 電子線路設(shè)計、實驗、測試.M武昌：華中科技大學(xué)出版社，1992 年 4 戴伏生主編.基礎(chǔ)電子電路設(shè)計與實踐，M北京：國防工業(yè)出版社，2004 年 5 張慶雙 主編.全新實用電路集粹 上、下冊，M北京：機械工業(yè)出版社，2006 年 6 陸坤等編，電子設(shè)計技術(shù).M成都：電子科技大學(xué)出版社，1997 年 7 月.76-98 頁 7 竺南直編， 大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計競賽優(yōu)秀論文選編.M北京： 電子工業(yè)出版社， 2007 年.39-45 頁 Page - 12 - of 14 - 12 - 1 DS? G

17、REENCA b c dp 2 3 4 16 15 14 13 12 11 10 9 g f f g dp e d VCC VCC a a b c d e 9 RP? RESPACK4 8 U11 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 D D R1 R 9 7 6 10 A B C D 11 12 13 1 2 3 4 14 U9 4 RESET VCC 7 DISCHG OUT 14 15 5 TL RBL BO/RBL U12 V DD 3 R2 R D1 2 6 2 5 74F1 48 5 4 INT2 S2 INT3 S3 INT4 S4 V SS THOLD

18、 TRIG CVOLT GND 13 1 INT S1 D2 3 A B C D E F G C1 555 C 6 8 U8 NOT U0 NOT U3 NOT 7 C2 C 1 D3 9 C 10 D4 C U1 U2 1 2 3 A B C 12 11 Q1 Q2 Q3 Q4 2 1 14 13 12 11 4066 3 4 5 6 7 10 9 1 2 6 4 5 G1 G2A G2B 74F1 38 U4 U5 NOT 14 U10 P1 74F1 60A P2 P3 P4 PE TE LD CLR CLK U8A 74F1 0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 CO 15 13 15 14 13 12 11 10 9 7 12 V DD 1 8 附錄 I：總電路圖 V CC EN LF442 NOT G ND TMP36 4 4 R R R6 7 V SS 1 R8 8 V CC A EN G ND TMP36 4 4 Page - 13 - of 14 NOT U0A 1 U7 NOT NOT U6 13 1 5 4 INT S1 INT2 S2 6 8 12 11 INT3 S3 INT4 S4 1 Title Size A4 Date: File: 2 3 Number U13 D1 2 作者：SAMSUNG R3 D2 3 B