畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書智能溫度變送器梁文禎

1、畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)書畢業(yè)設(shè)計題目智能溫度變送器設(shè)計關(guān)鍵詞（不超過5個）變送器，線制，接地方式，比例運算放大器，電氣隔離一、智能溫度變送器的簡介智能溫度變送器是利用控制器讀取溫度傳感器的溫度值，以電流或電壓形式傳輸?shù)竭h(yuǎn)程測量系統(tǒng)。要求該變送器的溫度測量范圍為-55至+125，工作溫度范圍為-25至+85，在電流傳送方式下電流范圍為4至20mA，在電壓傳送方式下電壓范圍為0至10V。二、智能溫度變送器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能溫度變送器由控制器、溫度傳感器以及DA轉(zhuǎn)換器組成?？刂破髯x取溫度傳感器的溫度值，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換器輸出電壓值；當(dāng)以電流形式輸出時，該電壓經(jīng)過電流信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4至20mA的電流輸出；當(dāng)以電壓形式

2、輸出時，該電壓經(jīng)過電壓信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成0至10V的電壓輸出。控制器溫度傳感器DA轉(zhuǎn)換器電流信號轉(zhuǎn)換電壓信號轉(zhuǎn)換圖2.1 智能溫度變送器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖三、智能溫度變送器的硬件設(shè)計1、電源電路設(shè)計（1）電源電路要求有防止反接電源正負(fù)極而燒錄電路板的功能，要求有過壓保護(hù)的功能。智能溫度變送器要求電壓輸出范圍為0至10V，因此電源電壓必須比10V高。這里選擇工業(yè)常見電源12V直流開關(guān)電源?？刂破餍枰?V直流電壓，這里還需要將12V降到5V。為了顯示電源是否正常工作，需要設(shè)計一個5V電源的電源指示燈。電路板在存放與工作過程中常常遇到瞬態(tài)電壓問題。瞬態(tài)電壓的主要表現(xiàn)形式有兩種：一是ESD，二是雷電。ESD產(chǎn)

3、生的瞬態(tài)電壓是靜電釋放會產(chǎn)生一個很高的瞬態(tài)電壓，而且速度非?？?，可以在數(shù)億分之一秒內(nèi)完成，如果不能將這么高的電壓瞬間導(dǎo)走，會對電路系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。雷電產(chǎn)生的能量也是非常具大的。常見的瞬態(tài)電壓保存方法是使用TVS瞬態(tài)抑制二極管，它能夠吸收ESD與雷電的能量、保護(hù)系統(tǒng)免受損害。一般應(yīng)用在被保護(hù)系統(tǒng)的，保護(hù)電壓略高于被保護(hù)系統(tǒng)的額定電壓時，TVS導(dǎo)通吸收能量令電壓不會超過額定電壓值。按導(dǎo)通方向來劃分，TVS二極管妥為單向與雙向。常見的TVS產(chǎn)品有P6KExxxA、1.5KExxxA、SMAJxxxA、SMBJxxxA、SMCJxxxA等等。選擇TVS二極管需要考慮保護(hù)電壓值、吸收功率、導(dǎo)通方向等

4、因素。（2）常見的直流電源電路有三端穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源。三端穩(wěn)壓電源內(nèi)部是串聯(lián)穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)，電源轉(zhuǎn)換效率不高，當(dāng)功耗大時芯片發(fā)熱量大，需要散熱片。開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率高，可以不使用散熱片。三端穩(wěn)壓電源的常見芯片有7805、7809、7812等等，開關(guān)電源的常見芯片有LM2576、LM2596、MP1484、MP1593、MP2359等等。電源芯片的選擇需要考慮最大輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、最大輸出電流、開關(guān)頻率、電源轉(zhuǎn)換效率、價格等因素，具體參看表。表 開關(guān)電源芯片參數(shù)表型號轉(zhuǎn)換效率（%）最大輸入電壓（V）輸出電壓（V）最大輸出電流（A）開關(guān)頻率（kHz）參考價格LM257675401.23-

5、373521.3LM259675401.2-3731500.95MP148495230.925-2033401.2MP159395281.22-2533851.4MP235992240.81-151.24601.5LM2576電源芯片有多種型號，分別為LM2576-3.3、LM2576-5、LM2576-12、LM2576-15以及LM2576-ADJ，各型號在輸出穩(wěn)壓值上有所不同，像LM2576-3.3專門用于輸出3.3V電壓；像LM2576-ADJ用于輸出少見電壓的場合，比如3.6V穩(wěn)壓電源、9V穩(wěn)壓電源。LM2596電源芯片有多種型號，分別為LM2596-3.3、LM2596-5、LM2

6、596-12以及LM2596-ADJ。LM2596屬于LM2576的升級版，因此，電路結(jié)構(gòu)通用，電路元件參數(shù)相似。2、溫度傳感器選擇溫度傳感器要求測量溫度范圍為-55至+125，工作溫度范圍為-25至+85，并且方便與控制器連接。常見的溫度傳感器有數(shù)字式溫度傳感器DS18B20和電壓式溫度傳感器LM35等等。溫度傳感器的選擇需要考慮測量范圍和工作溫度范圍、測量精度等因素，具體參看表。（1）DS18B20采用單總線通訊方式讀取溫度值。在同一總線上可以掛載許多個DS18B20，靠內(nèi)部64位激光ROM編碼來區(qū)分各個器件。它內(nèi)部存貯器的暫存器RAM由溫度低字節(jié)、溫度高字節(jié)、高溫觸發(fā)器TH、低溫觸發(fā)器T

7、L、保留字節(jié)、COUNT REMAIN寄存器、COUNT PER寄存器以及CRC寄存器組成。讀取溫度值就是讀取暫存器RAM的前兩個字節(jié)。（2）LM35有許多型號，不同型號有不同的封裝與參數(shù)指標(biāo)，如表。表 LM35各型號參數(shù)表型號封裝工作溫度范圍存放溫度LM35DZTO-92塑封0至+100-60至+150LM35CZTO-92塑封-40至+110-60至+150LM35CAZTO-92塑封-40至+110-60至+150LM35HTO-46金屬封-55至+150-60至+180LM35AHTO-46金屬封-55至+150-60至+180LM35CHTO-46金屬封-40至+110-60至+18

8、0LM25CAHTO-46金屬封-40至+110-60至+180LM35DHTO-46金屬封0至+100-60至+180LM35DMSO-8表面貼0至+100-65至+1503、控制器常用的單片機有AVR、PIC、MSP430、STM32。這里選擇性價比非常高的單片機作為控制器，方案一是利用8位AVR單片機的Arduino，方案二是32位單片機STM32F103C8T6。（1）Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的arduino板）和軟件（arduino IDE)。它適用于愛好者、藝術(shù)家、設(shè)計師和對于“互動”有興趣的朋友們。Arduino是一個基于開放

9、原始碼的軟硬件平臺，構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。Arduino學(xué)習(xí)資料可以參考LWZ Arduino教程V1.0 與LWZ Arduino教程V1.1，里面詳細(xì)講述Arduino編程語言的語法、常用函數(shù)以及應(yīng)用實例。Arduino包含兩個主要的部分：硬件部分是可以用來做電路連接和Arduino電路板；另外一個則是Arduino IDE，你的計算機中的程序開發(fā)環(huán)境。你只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會告訴Arduino電路板要做些什么了。Arduino能通過各種各樣

10、的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，收錄進(jìn)微控制器。對Arduino的編程是利用 Arduino編程語言 (基于 Wiring)和Arduino開發(fā)環(huán)境(based on Processing)來實現(xiàn)的?；贏rduino的項目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運行的軟件，他們之間進(jìn)行通信 (比如 Flash、Processing、MaxMSP)來實現(xiàn)。Arduino特色有：1）開放源代碼的電路圖設(shè)計，程序開發(fā)接口免費下載，也可依個人需求自己修改。2

11、）使用低價格的微處理控制器(AVR系列控制器)，可以采用USB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC輸入。3）Arduino支持ISP在線燒，可以將新的“bootloader”固件燒入AVR芯片。有了bootloader之后，可以通過串口或者USB to Rs232線更新固件。4）可依據(jù)官方提供的Eagle格式PCB和SCH電路圖簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制；可簡單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接(例如：紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服馬達(dá)等等)。5）支持多種互動程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等。6）應(yīng)用方面

12、，利用Arduino，突破以往只能使用鼠標(biāo)、鍵盤、CCD等輸入的裝置的互動內(nèi)容，可以更簡單地達(dá)成單人或多人游戲互動。（2）STM32F103C8T6是ST公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的工業(yè)級的32位單片機，最高工作頻率為72MHz，擁有64KB的FLASH、20KB的SRAM、10路12位的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、SPI、PWM等等常見外圍硬件功能。4、DA轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)為模擬信號。常見的實現(xiàn)方法有DA芯片、PWM波經(jīng)過濾波器輸出DA。從價格方面來考慮，DA芯片的價格比較貴，而第二種方法比較便宜，即使沒有PWM硬件功能的單片機也能實現(xiàn)。從輸出電壓的精度考慮，DA芯片比第二種方法

13、要好很多，因為第二種方法使用PWM方波，所以輸出信號含有不同頻率的諧波，雖然濾波器可以濾去一部分的高頻諧波，但是未能根除。選擇DA芯片也要考慮其與控制器之間的通信方式。因為在使用隔離電源的模式時通信導(dǎo)線也要經(jīng)過光耦隔離，所以可以使用SPI三總線通信方式。5、電壓信號轉(zhuǎn)換這里選用運算放大器芯片來實現(xiàn)電壓信號轉(zhuǎn)換功能。根據(jù)輸出電壓的取值范圍（0-10V），需要選擇正確的運算放大器的工作模式（比例、加法、減法、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等），根據(jù)比例運算放大器的放大倍數(shù)計算電子元件的參數(shù)值。6、電流信號轉(zhuǎn)換這里選用精密的信號轉(zhuǎn)換器XTR115實現(xiàn)4-20mA電流信號輸出。根據(jù)輸出電流的取值范圍（4-20

14、mA），計算電子元件的參數(shù)值。電流流動是有方向的，要是接錯線就會燒壞設(shè)備，因此，這里利用全波整流原理，設(shè)計輸出電路，解決這個問題。四、智能溫度變送器的軟件設(shè)計1、主程序的流程圖上電后，控制器讀取溫度值，在數(shù)碼管顯示出來；根據(jù)電壓信號轉(zhuǎn)換要求與電流信號轉(zhuǎn)換要求，計算出輸出電壓，利用DA芯片輸出該電壓值。開始讀取溫度值DA輸出電壓數(shù)碼管顯示溫度圖4.1 主程序的流程圖五、實驗結(jié)果1、電壓信號轉(zhuǎn)換的實驗結(jié)果，如表5.1所示表5.1 電壓信號轉(zhuǎn)換的實驗數(shù)據(jù)溫度值溫度測量值DA電壓值輸出電壓值根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，寫出實驗結(jié)論。2、電流信號轉(zhuǎn)換的實驗結(jié)果，如表5.2所示表5.2 電流信號轉(zhuǎn)換的實驗數(shù)據(jù)溫度值溫度

15、測量值DA電壓值輸出電流值 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，寫出實驗結(jié)論。設(shè)計要點重點：各部分的電路設(shè)計：電源電路、溫度采集電路、DA輸出電路、電壓信號轉(zhuǎn)換、電流信號轉(zhuǎn)換。難點：掌握印刷電路圖的布線原則，當(dāng)布線質(zhì)量差時智能變送器容易受到干擾，影響運行效果。設(shè)計任務(wù)畢業(yè)設(shè)計劃分出十個任務(wù)，具體如下：任務(wù)內(nèi)容電源設(shè)計設(shè)計系統(tǒng)的電源電路溫度采集設(shè)計LM35或DS18B20的溫度采集電路DA輸出設(shè)計TLC5615的DA輸出電路電壓信號轉(zhuǎn)換利用比例運算放大電路設(shè)計電壓信號放大電路電流信號轉(zhuǎn)換利用XTR115設(shè)計電流信號輸出電路 智能溫度變送器的原理圖利用Protel DXP軟件完成智能變送器的電路原理圖。智能溫度變送器的印刷電路圖利用Protel DXP軟件完成智能變送器的印刷電路圖。制作以及焊接制作以及焊接智能變送器。軟硬件調(diào)試軟硬件調(diào)試智能變送器。畢業(yè)論文論文格式要規(guī)范，包括封面、目錄、摘要與關(guān)鍵字、課題結(jié)論、課題方案設(shè)計、課程硬件設(shè)計、課程軟件設(shè)計、課題實驗結(jié)論、參考文獻(xiàn)、致謝、附錄。工作進(jìn)度計劃 畢業(yè)設(shè)計在10周內(nèi)完成，其工作進(jìn)度計劃如下：時間工作內(nèi)容第1周講解畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容、硬件設(shè)計要求、畢業(yè)論文格式要求、上交的成果以及工作進(jìn)度計劃；根據(jù)畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容，劃分多個任務(wù)，并分階段完成。根據(jù)畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容，查找相關(guān)資料。第2周完成電源部分的電路設(shè)計以及工