電子與信息工程畢業(yè)論文多路溫度檢測電路的設計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設 計</p><p>　　多路溫度檢測電路的設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子與信息工程 </p><p>　　學生姓名 學號 </

2、p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中常見的和最基本的工藝參數(shù)之一，對溫度的測量及控制占據(jù)著極其重要地位。本文

3、采用數(shù)字電子技術，使測溫系統(tǒng)測溫的精度、可靠性有一定提高，測溫系統(tǒng)外圍結(jié)構(gòu)也大為簡化。在工業(yè)生產(chǎn)中，可大幅提高生產(chǎn)效率。對改進生產(chǎn)和生活有很大的作用。</p><p>　　設計的主要任務是設計一個可以多點測溫的電路，溫度傳感器檢測得到的溫度經(jīng)過多路輸入后經(jīng)過5倍放大電路，再A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號輸出，不僅可以顯示溫度值，還能夠直接讀出該溫度所在的通道。該設計還包括一個溫度比較電路和一個報警電路，可手動設置報警溫

4、度，放大信號進入比較電路，跟手動設置的溫度進行比較，當測量溫度大于設置溫度時即報警電路工作，發(fā)出警報，指示燈亮。否則，工作正常。</p><p>　　本文采用數(shù)字電路構(gòu)成控制器，按照一定的頻率實現(xiàn)多路溫度信號的循環(huán)檢測。在仿真軟件環(huán)境中設計各單元電路，并將各單元電路封裝即可得總體電路。再經(jīng)調(diào)試、仿真得到多路溫度檢測系統(tǒng)。結(jié)果表明，該設計方案正確可靠，檢測精度等符合設計指標。經(jīng)擴展可實現(xiàn)更多通道溫度檢測系統(tǒng)，為應用

5、于一般的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計提供了可靠的理論支持。</p><p>　　關鍵詞：溫度檢測；電子設計自動化；多路</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Temperature is one of the most common and basic parameters in the industry and

6、 agriculture production and daily life, in temperature measurement and control of occupied a very important position .This paper USES the digital electronic technology, make temperature measuring system temperature measu

7、ring accuracy and reliability have improved, temperature measurement system simplifies the outer structure .In industrial production, can dramatically improve the production efficiency .To improve the p</p><p&

8、gt;　　Design of the main task is to design A multi-point measurement temperature circuit, the temperature of the temperature sensor detection through multiple road get input amplifier circuit after five times and then get

9、 A/D conversion digital signal output after temperature, not only can display, it can directly read the temperature in the channel. This design also includes a temperature is circuit and an alarm circuit, can be manually

10、 set alarm temperature, boosting signals into the comparative cir</p><p>　　Adopting digital circuit constitute controller, according to certain frequency realize multiple temperature signal cycle detection .

11、In the simulation software environment design each unit circuit, and will be available to each unit circuit encapsulation overall circuit . Then after commissioning, simulation get multiple temperature testing system .Th

12、e simulation results show that the design scheme, accurate and reliable detection accuracy, etc in accordance with the design index .Can be realized</p><p>　　Keywords: Temperature testing; Electronic design

13、automation; multi-channel </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 研

14、究的目的與意義4</p><p>　　第2章 方案的設計比較5</p><p>　　2.1 溫度檢測傳感器的介紹5</p><p>　　2.1.1 電阻溫度傳感器5</p><p>　　2.1.2 熱電偶溫度傳感器6</p><p>　　2.1.3 PN結(jié)型及集成電路式溫度傳感器6</p>&

15、lt;p>　　2.1.4 輻射式溫度傳感器7</p><p>　　2.1.5 石英諧振型溫度傳感器7</p><p>　　2.1.6 光纖溫度傳感器8</p><p>　　2.2 設計思想和任務8</p><p>　　2.3 方案比較8</p><p>　　2.3.1 方案一8</p>

16、<p>　　2.3.2 方案二10</p><p>　　2.3.3 方案三10</p><p>　　2.4 方案選擇11</p><p>　　第3章 單元電路的設計12</p><p>　　3.1 多路溫度輸入電路12</p><p>　　3.2 信號放大電路13</p><p

17、>　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路15</p><p>　　3.4 報警電路的設計15</p><p>　　3.5 溫度比較電路17</p><p>　　3.6 數(shù)碼管譯碼電路17</p><p>　　3.7 總電路圖18</p><p><b>　　總結(jié)與心得20</b></p

18、><p><b>　　參考文獻21</b></p><p><b>　　致謝22</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景</p><p>　　溫度是半導體工業(yè)生產(chǎn)制造中常見的和最基本的工藝參數(shù)

19、之一, 任何物理變化和化學變化的過程都與溫度密切相關, 因此, 在半導體生產(chǎn)過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控。 采用微型機進行溫度檢測、數(shù)字顯示、信息存儲及實時控制, 對于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和人力資源利用等具有重要作用。</p><p>　　國外城市集中供熱開始較早，具有發(fā)展快、規(guī)模大的特點，其中集中供熱系統(tǒng)中的測試儀器與控制設備的研究居多，技術水平也較成熟。歐洲早在二十世紀二三十年代就已經(jīng)出現(xiàn)了供熱

20、溫度檢測系統(tǒng)，七八十年代就已經(jīng)全面實行集中供熱溫度檢測網(wǎng)。美國在八十年代末九十年代初期溫控測量儀表的應用就己經(jīng)達到將近300萬臺。二十世紀七八十年代大量能源的消耗導致環(huán)境污染非常嚴重，進而引發(fā)的能源危機，使能源的節(jié)約與環(huán)境的保護成為世界矚目的大事，這就促進越來越多的發(fā)達國家對供熱溫度檢測技術的研究與深入發(fā)展。北歐城市集中供熱相對發(fā)達，率先使用計算機進行熱網(wǎng)的自動檢測與運行管理，且得到了廣泛的發(fā)展。北歐集中供熱系統(tǒng)中，一般是在熱用戶入口處

21、安裝常規(guī)的測控設備與儀器，以實現(xiàn)供熱溫度自動檢測與控制。運行后的實踐表明，因多通道溫度檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)為實現(xiàn)了自動監(jiān)控技術，集中供熱網(wǎng)大體消除了供熱不均的現(xiàn)象，不僅保證了供熱質(zhì)量的改善，也提高了運行管理的水平。</p><p>　　我國集中供熱是在八十年代中期發(fā)展起來的，但是技術水平與供熱規(guī)模相比國外發(fā)達國家的差距還較大，而采用計算機檢測與管理技術也相對較晚。在我國，1986年就開始施行節(jié)能建筑的設計標準。到

22、2000年建設部通過調(diào)查北方地區(qū)的結(jié)果表明:同期建筑中真正的節(jié)能建筑只占到總量的6.4%。以我國的供暖現(xiàn)狀來看，采暖能耗是發(fā)達國家同等氣候條件下的3倍以上，然而供暖效果卻遠遠達不到標準。事實上，造成能源大量浪費的原因，除了用戶的節(jié)能意識不夠與收費制度不能刺激節(jié)能外，還由于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)設計技術與運行管理的落后，不能從根本上解決高能耗的行為。如果直接應用國外的溫度檢測技術，并不能適應我國現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)，除水質(zhì)問題與管理問題，還有很多技術性問

23、題不能解決。如設備的工作環(huán)境與系統(tǒng)規(guī)模的大小等都存在很大差異，不做改變拿來就用，很難取得良好的效果。當前國內(nèi)許多城市根據(jù)建筑采暖問題，對節(jié)能技術和產(chǎn)品進行了研究與開發(fā)，引進、消化并研制了一些溫檢設備和儀器。北京、沈陽、哈爾濱等城市的供熱部門也用不同規(guī)模、不同的供熱溫檢方案進行了試驗，并取得了一些成效。遠程溫度監(jiān)測系統(tǒng)分為兩種模式:有線遠程監(jiān)測模式和無線遠程監(jiān)測模式 (1)有線遠</p><p>　　溫度是一個非常

24、重要的物理量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形、結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制失誤就可能引起生產(chǎn)安全、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量等一系列問題。因此對溫度的檢測的意義就越來越大。溫度采集控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科學研究和人們的生活領域中，得到了廣泛應用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多時候都需要對溫度進行嚴格的監(jiān)控，以使得生產(chǎn)能夠順利的進行，產(chǎn)品的質(zhì)量才能夠得到充分的保證。使用自動溫度控制系統(tǒng)可以對生產(chǎn)環(huán)境的溫度

25、進行自動控制，保證生產(chǎn)的自動化、智能化能夠順利、安全進行，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前國內(nèi)、外的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用的是“單片機+RS232/RS485模塊”或“單片機+GPRS模塊”來實現(xiàn)。此類方案的優(yōu)點是硬件成本較低，但是由于硬件功能有限，只能實現(xiàn)很少的應用功能。然而隨著高性能的嵌入式微處理器逐步出現(xiàn)及成本不斷降低，

26、ARM系列的高性能嵌入式微處理器代替單片機的模式應運而生。由于ARM系列嵌入式微處理的功能非常強大，接近通用的微處理性能指標，因此具有更廣泛的應用前景。近些年來，國內(nèi)的許多公司也做了大量有效的工作，為建立適合的供熱溫度檢測系統(tǒng)，進行了有利的探索，并做出了一些示范工程，取得了較好的成效。(l)北京華夏日盛科技有限公司研發(fā)的居民小區(qū)集中供暖無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，由中心數(shù)據(jù)集中器和室內(nèi)溫度采集器兩部分組成。中心數(shù)據(jù)集中器通過RS232或RS485

27、與計算機連接，用于設置溫度采集器的工作方式，并將采集到的溫度值上報給計算機顯示，溫度采集器放置在居民用戶家里。本系統(tǒng)的工作溫度范圍是: O℃-85℃。缺點:數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，系統(tǒng)成本較高。(2)沈陽市興達科技開發(fā)有限公司研發(fā)的GPRS溫度采集系統(tǒng)，是GPRS無線數(shù)據(jù)通信系列產(chǎn)品之一。GPRS一溫度采集系統(tǒng)是在GPRS</p><p>　　對環(huán)境溫度的檢測與處理屬于數(shù)據(jù)采集與處理的研究范疇。溫度測量一直是非電量測量領

28、域中一個典型課題，在溫度測量系統(tǒng)中，將溫度變換成電量的變換電路起著至關重要的作用，而溫度傳感器又是該電路的關鍵元器件。溫度檢測是現(xiàn)代檢測技術的重要組成部分，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，溫度檢測系統(tǒng)起著越來越重要的作用并已應用于很多領域，如:安全生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約能源等方面，而且它們對溫度檢測的要求也越來越高。目前國內(nèi)對溫度的測量大都限于近距離單點測溫，而多點溫度檢測也越來越受到相關領域工程技術人員的重視。多點溫度檢測系統(tǒng)的設計關鍵在于溫度傳

29、感器的選擇、主控單元的設計和數(shù)據(jù)的后續(xù)處理過程等。傳統(tǒng)多點溫度檢測系統(tǒng)主要由多個模擬溫度傳感器、信號放大器、多路選擇開關、A/D轉(zhuǎn)換器和主機組成，如圖1.1所示。首先由溫度傳感器將收集到原始信號送入信號放大器放大，然后放大的信號被送入多路選擇開關，多路選擇開關在主機的控制下輪流切換各被測溫度信號，使它們與測量電路依次接通，并被送入A/D轉(zhuǎn)換電路，信號先通過采樣保持電路，已由模擬量變成了間斷模擬量，這是為模數(shù)轉(zhuǎn)換作了準備，信號通過A/D轉(zhuǎn)

30、換器后，已由模擬量變成了離散的數(shù)字量，這個</p><p>　　圖1.1 傳統(tǒng)多點溫度檢測系統(tǒng)構(gòu)成</p><p>　　傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)的應用范圍很廣泛，如付文羽等利用鉑電阻作為溫度傳感器實現(xiàn)了烤煙爐多點測溫與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計。梁新榮等設計了基于薄膜鉑溫度傳感器的多點溫度檢測系統(tǒng)并在酒精生產(chǎn)過程中對蒸餾塔進行多點溫度檢測。經(jīng)過實踐應用分析我們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)有如下弊端:</p>

31、<p>　　(1)這些領域溫度檢測的共同特點是:測量點多、環(huán)境復雜、布線分散、現(xiàn)場離監(jiān)測中心遠等;</p><p>　　(2)在電路設計上存在電源干擾、濾波不可靠，線路過于復雜、無屏蔽措施，而且元器件價格高、組成的系統(tǒng)體積大等因素;</p><p>　　(3)在元件選擇上由于選用模擬器件造成工作模式煩瑣，也會造成系統(tǒng)有較大的偏差，不可靠;</p><p>

32、　　(4)溫度檢測系統(tǒng)中大都采用像熱敏電阻這樣的模擬溫度傳感器，一般經(jīng)前端放大、信號調(diào)理、A/D變換和數(shù)據(jù)修正等，過程較為復雜，而且模擬溫度傳感器的可靠性相對較差，測量溫度的準確度低，檢測系統(tǒng)的精度也差;</p><p>　　(5)對于多點溫度檢測的場合，檢測環(huán)境復雜、測量點多，各檢測點到測試裝置之間引線距離的不同，各敏感元件參數(shù)的不一致造成的誤差大，更難以消除，使檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降。</p>

33、;<p>　　而隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，各種高科技芯片及元器件的出現(xiàn)，采用數(shù)字電子技術的多路溫度檢測技術，這種由數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成的檢測電路，其中一個很大的變化就是傳感器由以前的模擬輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥臄?shù)字輸出，省去了傳統(tǒng)溫度測量電路中的調(diào)理、變送、補償、轉(zhuǎn)換、修正等環(huán)節(jié)。這樣整個測量電路不會引入附加誤差，測溫系統(tǒng)的精度與分辨力完全由數(shù)字化的傳感器所決定。在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強，具有電路簡單、測

34、量的精度高、價格低、能工作在寬溫度范圍和方便管理等顯著優(yōu)點。</p><p>　　1.3 研究的目的與意義</p><p>　　隨著現(xiàn)代控制技術的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實現(xiàn)，能夠獨立工作的溫度檢測和顯示系統(tǒng)已經(jīng)應用于諸多領域。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)可靠性和實時性相對較差，溫度測量的精度和準確度較低，而且大多采用有線方式對整個系統(tǒng)進行控制，這不利于應用的擴展。</p><

35、;p>　　溫度監(jiān)測系統(tǒng)是工農(nóng)業(yè)應用中一個典型且極其廣泛的系統(tǒng)，對不同控制對象的溫度進行監(jiān)測具有很強的應用性。目前，智能溫室是在普通溫室大棚的基礎上，應用計算機技術、傳感器技術和現(xiàn)代控制技術等發(fā)展起來的。一個完整的智能溫室控制系統(tǒng)由溫度控制、濕度控制、光照控制、澆灌控制、數(shù)據(jù)采集與處理等五個子系統(tǒng)組成，它們分別完成對作物生長條件的控制。智能溫室控制是個復雜的系統(tǒng)，溫度控制在整個控制系統(tǒng)中具有非常重要的地位，溫室溫度過高或過低均對作物

36、的生長有重要影響。而數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)處理后通過控制器來對其它控制環(huán)節(jié)作相應的動作，以達到作物生長的最佳環(huán)境。為了減少溫度的變化給控制系統(tǒng)帶來不良結(jié)果，避免局部溫度過高，不僅需要用更精確的溫度傳感器對溫度進行更有效的測量，也要對溫室進行多點測量，做到精確測量和穩(wěn)定控制。</p><p>　　溫度作為工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領域。溫度

37、控制是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領域，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食儲備、計算機機房等都需要對溫度進行測量和控制。因而設計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。溫度控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，導致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、

38、控制精度低。采用數(shù)字電子電路進行溫度檢測，具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等特點，對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　第2章 方案的設計比較</p><p>　　2.1 溫度檢測傳感器的介紹</p><p>　　溫度的檢測方法有多種,常用的有電阻式、熱電偶式、PN結(jié)型、輻射型及石英諧振型等，它們都是基于溫度變化引起其物理參

39、數(shù)(如電阻值,熱電勢等)的變化的原理，隨著測量技術的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了適用于高溫、強磁場干擾等惡劣環(huán)境的光纖溫度傳感器。下面分別予以介紹：</p><p>　　2.1.1 電阻溫度傳感器</p><p>　　這種傳感器以電阻作為溫度敏感元件，根據(jù)敏感材料不同又可分成熱電阻式和熱敏電阻式，熱電阻式一般用金屬材料制成,如鉑、銅、鎳等。熱敏電阻是以半導體材料制成的陶瓷器件,如錳、鎳、鈷等金屬的氧化

40、物與其它化合物按不同配比燒結(jié)而成。a.熱電阻傳感器，熱電阻的溫度系數(shù)一般為正值，以鉑電阻為例,其阻值Rt與溫度t間的關系為Rt=R0(1+At+Bt2),0℃≤t≤650℃;Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)],-200℃≤t≤0℃,其中A=3.9684×10-8/℃,B=-5.8470×10-7/℃2,C=-4.2200×10-12/℃4,R0為0℃時的值,由此可見,在一定溫度范圍內(nèi),阻值

41、與溫度近似呈線性關系。由于鉑電阻測溫范圍寬,精度高,制作誤差小,結(jié)構(gòu)簡單且已有統(tǒng)一的國際標準,鉑電阻溫度傳感器已廣泛應用于許多場合的溫度測量與控制。b.熱敏電阻傳感器，用作溫度敏感元件的熱敏電阻具有負溫度系數(shù),其值約為-3%～-5%℃,在常溫范圍內(nèi)(0～200℃)其阻值Rt與溫度T的關系(圖2.1) Rt=R0 eB(1/T-1/T0),其中R0為T0對應的阻值,B為與熱敏電阻材料有關的常數(shù)。熱敏電阻</p><p&

42、gt;　　圖2.1 典型熱敏電阻特征</p><p>　　2.1.2 熱電偶溫度傳感器</p><p>　　熱電偶測溫是基于“熱電動勢效應”。所謂熱電動勢效應是指A、B兩種不同的導體組成閉合回路,若兩結(jié)點溫度不同則在回路中產(chǎn)生電動勢,形成熱電流。若A、B兩導體的結(jié)點(熱端)溫度為T,而另一端(冷端)溫度為T0,則熱電動勢為</p><p>　　E(T,T0)=(T-

43、T0)(lnNA/Nb)k/e,</p><p>　　其中k為波爾茲曼常數(shù),e為電子電荷,NA,Nb為與材料有關的常數(shù)。測量E(T,T0)的大小便能確定被測溫度T。適合制作熱電偶的材料很多,如鎢錸絲熱電偶,可測溫度高達2450℃;而銅-銅錫熱電偶可測量-271～-243℃的低溫,鎳鉻-鐵金熱電偶在-269～0℃間具有13.7～20V/℃的靈敏度。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、精度高、熱慣性小等特點,已

44、廣泛用作溫度傳感器的敏感元件。以上所述利用電阻及熱電偶檢測溫度,需將其與被測物體直接接觸以充分進行熱交換,熱交換不充分就會造成測量誤差。因此普通的熱電偶只能用于測量氣體、液體的溫度,為便于測量各種形狀的固體的溫度,人們研制出了特殊的熱電偶,如薄膜熱電偶、表面熱電偶等。熱電阻測溫同樣存在問題,一往采用的繞線式電阻耐壓及振動能力差,如今已出現(xiàn)薄膜式鉑電阻,薄膜式銅電阻感溫元件。隨著計算機技術的發(fā)展,測溫精度不斷提高,現(xiàn)已可將熱電偶測溫、熱電

45、阻測溫及計算機技術相結(jié)合,大大地擴展了測溫范圍,提高了測量精度。</p><p>　　2.1.3 PN結(jié)型及集成電路式溫度傳感器</p><p>　　半導體PN結(jié)測溫是近幾年來發(fā)展起來的一種新型測溫手段。眾所周知,PN結(jié)的反向電流隨溫度呈指數(shù)規(guī)律變化,而當正向電流不變時,其正向壓降隨溫度近似線性變化。現(xiàn)代的PN結(jié)溫度傳感器都是利用正向壓降進行測溫。PN結(jié)正向壓降Vbe與絕對溫度T間的關系為

46、: Vbe=kT[ln(I/I0)+1]/q,其中I和I0分別為PN結(jié)的正向電流和反向飽和電流,k和q分別為波爾茲曼常數(shù)和電子電荷。由此可見,只有I與I0的比值穩(wěn)定,Vbe與T間的關系才能確定,現(xiàn)代的溫度傳感器都將恒流源、放大電路、補償電路集成在一起做成集成溫度傳感器,其感溫部分線路如圖2.2所示。由圖可知,輸出電壓Vbe與溫度的關系為: Vbe=kTln(Ic1/Ic2)/q,只要保持Ic1/Ic2為定值,測量已知電阻R上的電壓Vbe

47、便可得到溫度值。集成電路溫度傳感器具有體積小、重量輕、精度高等特點,測溫范圍在-50～150℃,也正好是最常見的溫度范圍。文獻報導的一種電流輸出型溫度傳感器在0～20℃內(nèi)靈敏度可達1.06A℃,線性誤差不超過±0.2℃,穩(wěn)定性為0.02℃/4h。</p><p>　　圖2.2 集成溫度傳感器感溫部分線路</p><p>　　2.1.4 輻射式溫度傳感器</p>&l

48、t;p>　　眾所周知,自然界的所有物體對輻射都具有吸收和反射的能力。輻射式溫度傳感器就是利用物體的熱輻射特性制成的，被測物體的輻射能被熱敏元件(如熱電偶、熱敏電阻等)吸收時可使其物理參數(shù)(如輸出電勢、電阻值等)發(fā)生變化,利用現(xiàn)代測量手段檢測出這種變化就可得被測溫度，根據(jù)敏感原理不同,輻射式溫度傳感器可分為全輻射式、紅外輻射式、光電亮度式和光電比色式等,并能實現(xiàn)非接觸測量,可測溫度高達3000℃以上。全輻射式傳感器中敏感元件接受被測

49、物體的全部輻射能而使參數(shù)發(fā)生變化;紅外輻射式傳感器中敏感元件只接受被測物體輻射能中部分波長的能量;比色式傳感器是基于物體溫度不同其輻射能的光譜分布不同;而亮度測量法是通過測量物體在一定波長下單色輻射亮度來確定溫度,被測溫度的微小變化就會引起單色亮度很大變化，如輻射體溫度由1200K上升到1500K時,總輻射能僅增加2.5倍,而波長為0.660M的紅光單色亮度可增加10倍以上,因此此方法是輻射測溫中最精確的一種。</p>&

50、lt;p>　　2.1.5 石英諧振型溫度傳感器</p><p>　　目前廣泛采用的電阻式、半導體式、熱電偶式溫度傳感器有時難以滿足分辨率及精度的要求。近來出現(xiàn)的石英諧振型溫度傳感器是將用水熱和法生長的人造石英晶體按一定角度切割而獲得的性能優(yōu)良的傳感器，它以石英晶體的諧振頻率f為溫度T的敏感參數(shù)</p><p>　　f=f0[1+(T-T0)+ (T-T0)2+…],</p>

51、;<p>　　其中T0為基準點溫度,f0為T0所對應的頻率, 及為常數(shù)，只要測出振蕩頻率即可確定溫度T.石英晶體的諧振曲線非常尖銳且穩(wěn)定性好,并可將溫度轉(zhuǎn)化成頻率以數(shù)字量的形式輸出,因此可達到很高的分辨率和精度,采用合適的晶體切型還可使其只對溫度而不對其它參數(shù)敏感。</p><p>　　2.1.6 光纖溫度傳感器</p><p>　　這是70年代發(fā)展起來的新型傳感器,它是將光

52、源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū),在調(diào)制區(qū)內(nèi)被測參數(shù)(溫度)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用使光的光學性質(zhì)(如強度、波長、頻率等)發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光,再經(jīng)光纖送入光檢測器及解調(diào)器而獲得被測參數(shù),此種方法也適于其它參數(shù)的測量,根據(jù)傳感原理不同,光纖溫度傳感器可分成功能型和傳輸型,功能型傳感器中光纖既是傳光的介質(zhì)又是溫度敏感元件,因此結(jié)構(gòu)巧妙、簡潔,但既滿足傳輸要求又滿足敏感要求的光纖制作難度大,所以只在有特殊要求的場合使用;傳輸型傳感器中光纖只起

53、傳光的作用,對溫度的敏感作用由其它元件來實現(xiàn),因此結(jié)構(gòu)較前者復雜,但可通過分別選擇性能優(yōu)良的光纖和敏感元件而達到較高的性能,現(xiàn)在使用和研制的光纖傳感器以傳輸性居多,溫度敏感元件可以是熱電阻、熱敏電阻、熱電偶等。80年代日本松下電器公司生產(chǎn)的光纖溫度計在-10～40℃間測溫精度可達±0.05℃.在高溫領域內(nèi),有熱電阻式(如鉑等)、輻射式等光纖高溫計,如美、日等生產(chǎn)的管纜熱電阻溫度傳感器可測溫度高達1000℃,精度0.5級。中國科

54、學院西安光機所于1989年12月申請專利的“雙波長光纖溫度傳感器”可用于高溫測量,相對誤</p><p>　　2.2 設計思想和任務</p><p>　　本次研究的主要任務是設計一個4路溫度循環(huán)檢測系統(tǒng)，能同時檢測4個點的溫度溫度。傳感器的輸出電壓范圍為0一400mV，對應的溫度范圍是0℃一80℃;系統(tǒng)具有溫度報警功能，能手動設定報警溫度，當測量的溫度超過某個設定值時，能給出報警提示;能用

55、數(shù)碼管顯示設定溫度值、被測溫度值和被測通道號;檢測精度不低于1%，主要思想是通過對各種元器件的應用熟悉，更好的學習數(shù)字電子技術，動手開發(fā)更好的設計電路。</p><p><b>　　2.3 方案比較</b></p><p><b>　　2.3.1 方案一</b></p><p>　　利用AT89C51單片機來操作4個智能溫

56、度傳感器DS18B20，將檢測的溫度信息，以一定的協(xié)議用數(shù)字的形式讀入單片機，并對這些輸入數(shù)據(jù)進行必要的集中加工和處理，最后，以循環(huán)和指定方式在LCD中顯示出來。此系統(tǒng)還可通過鍵盤設定溫度的限定參數(shù)，具有較好的人機界面功能。</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路的功能主要包括：多點溫度測試，實時顯示溫度信息，實時掃描鍵盤按鍵。硬件設計主要包括以下幾個模塊：電源電路、矩陣鍵盤電路、LCD顯示電路、溫度測試電路。其系統(tǒng)結(jié)

57、構(gòu)框圖如圖2.3所示，圖2.4為系統(tǒng)軟件流程程序圖。</p><p>　　圖2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖2.4 系統(tǒng)軟件程序流程圖</p><p><b>　　2.3.2 方案二</b></p><p>　　鉑電阻傳感器溫度檢測系統(tǒng)主要由PtlO0鉑電阻傳感器恒流源驅(qū)動電路、儀用放大電路以及A／D轉(zhuǎn)換電路

58、組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.5所示。由恒流源驅(qū)動電路為鉑電阻傳感器Ptl00供電，將溫度引起的Ptl00阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓枯敵觯ㄟ^儀用放大電路將檢測出的微弱電壓變化量進行放大后，送人16位A／D轉(zhuǎn)換電路，在微控制器單片機89C52的控制下，完成對電壓值的采集和讀取。</p><p>　　圖2.5 鉑電阻傳感器溫度檢測系統(tǒng)紐成框圖</p><p><b>　　2.3.3 方

59、案三</b></p><p>　　借助EDA技術設計電子產(chǎn)品已成為工程技術人員的首選方案。仿真軟件以其界面友好、功能強大和易用性受到工程技術人員的青睞。本設計所用畫圖仿真軟件相對于早期版本，更適合于模擬電子電路、數(shù)字電子電路、模擬數(shù)字混合電路、射頻電路、繼電控制和PLC控制電路的仿真與設計，尤其對于復雜電路系統(tǒng)的分析和設計。多通道溫度檢測系統(tǒng)屬于多路模擬量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在工業(yè)自動化控制等領域應用廣泛。

60、實現(xiàn)多通道溫度檢測的方案有多種，本文選用數(shù)字電路構(gòu)成控制器在仿真軟件環(huán)境中組成多通道溫度檢測系統(tǒng)，并對設計電路進行仿真分析。</p><p>　　根據(jù)設計要求，系統(tǒng)應包括多路輸入、信號放大、A／D轉(zhuǎn)換、報警設定、數(shù)值比較、控制電路、編碼電路、數(shù)碼顯示電路、超限報警等部分組成。4通道溫度檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 四通道溫度檢測系統(tǒng)的原理方框圖</

61、p><p><b>　　2.4 方案選擇</b></p><p>　　綜合方案對比，方案一和方案二在設計方面價格都比較方案三貴一些；操作簡便性方面方案三也更具優(yōu)勢，方案一二都要涉及到單片機編程，比較復雜；誤差的精確性方面方案二比較精確；抗干擾能力方面，都是方案一和三都較方案二更好，故對比以后還是決定選用方案三作為本次研究的設計方案。</p><p>

62、;　　第3章 單元電路的設計</p><p>　　3.1 多路溫度輸入電路</p><p>　　多路輸入封裝見圖3.1，多路輸人電路由計數(shù)器和模擬多路開關構(gòu)成，如圖3.2所示。由74LS161N和74LS00D構(gòu)成四進制計數(shù)器，計數(shù)器的輸出QBQA接模擬開關的地址碼的輸入端A1A0。當A1A0分別為00一11時，模擬多路開關依次選通CH0一CH3四路輸入信號中的一路。多路輸入電路的封裝模塊

63、X1，其輸入引腳CH0一CH3接溫度傳感器輸出信號，即為模擬信號溫度值。CLOCK外接時鐘脈沖，其輸出OUT接信號放大電路的輸入端VIN，QCQBQA為接通道顯示數(shù)碼管。</p><p>　　圖3.1 多路輸入封裝圖</p><p>　　圖3.2 溫度檢測系統(tǒng)的多路輸入電路</p><p>　　圖3.3為74LS161N型四位同步二進制可預置計數(shù)器的外引線排列圖及其

64、邏輯符號，其中是直接清零端，是預置數(shù)控制端，A3A2A1A0是預置數(shù)據(jù)輸入端，EP和ET是計數(shù)控制端，Q3Q2Q1Q0是計數(shù)輸出端，RCO是進位輸出端。74LS161N型計數(shù)器的功能表如表3.1所示。</p><p>　　圖3.3 74LS161N型四位同步二進制計數(shù)器(a) 外引線排列圖(b) 邏輯符號圖</p><p>　　由表3.1可知，74LS161N具有以下功能。①異步清零。=0

65、時，計數(shù)器輸出被直接清零，與其他輸入端的狀態(tài)無關。② 同步并行預置數(shù)。在=1條件下，當=0且有時鐘脈沖CP的上升沿作用時，A3、A2、A1、A0輸入端的數(shù)據(jù)d3、d2、d1、d0將分別被Q3、Q2、Q1、Q0所接收。③ 保持。在==1條件下，當ET·EP=0，不管有無CP脈沖作用，計數(shù)器都將保持原有狀態(tài)不變。需要說明的是，當EP=0，ET=1時，進位輸出RCO也保持不變；而當ET=0時，不管EP狀態(tài)如何，進位輸出RCO=0。④

66、 計數(shù)。當==EP=ET=1時，74LS161N處于計數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　表3.1 74LS161N型計數(shù)器的功能表</p><p>　　3.2 信號放大電路</p><p>　　信號放大電路封裝如圖3.4，信號放大電路用來對輸入的模擬信號進行放大，如圖3.5所示。信號放大電路選用集成運放OP07，集成運放OP07為低溫漂高精度放大器。整個放大電路分兩級，

67、第一級由電阻R1和R2等構(gòu)成反相比例放大電路，放大倍數(shù)Au1=-5；第二級由電阻R4和R5等構(gòu)成反向器，放大倍數(shù)Au2=-1；這樣信號經(jīng)兩級放大電路以后，輸出和輸入同相，放大倍數(shù)Au=5。信號放大電路的封裝模塊X2，其輸入引腳VIN接多路輸入電路的輸出引腳OUT，輸出引腳VOUT接A／D轉(zhuǎn)換電路的輸入Vin，VREF接A／D轉(zhuǎn)換電路的輸入Vref-。放大電路的輸出范圍在A／D轉(zhuǎn)換要求的范圍內(nèi)。</p><p>　

68、　圖3.4 放大電路封裝</p><p>　　圖3.5 信號放大電路</p><p>　　OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這

69、種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。OP07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳，6為輸出，7接電源+。OP07管腳圖如圖3.6.</p><p>　　圖3.6 OP07管腳圖</p><p>　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　所用仿真軟件

70、環(huán)境中，A/D轉(zhuǎn)換器件為虛擬器件，其引腳排列如圖3.7所示。Vin為模擬電壓輸入端子，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字量輸出D7—D0;Vref+為參考電壓“+”輸入端子(直流參考電源的電壓)，Vref－為參考電壓“－”端(通常接地)。Vref+的大小按量化精度而定，若Vref取5V，由于是8位量化，與輸入信號UI對應的量化離散電平為:UI×256/Ufs，Ufs=Vref+－Vref－。SOC是啟動轉(zhuǎn)換信號，它由低電平變?yōu)楦?/p>

71、電平時，轉(zhuǎn)換開始，轉(zhuǎn)換時間為1us，轉(zhuǎn)換期間EOC為低電平。EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位，高電平表示轉(zhuǎn)換結(jié)束;OE為輸出允許端子，可與EOC接在一起。ADC轉(zhuǎn)換電路的關鍵是輸入信號的負極性要同參考電壓Vref-連在一起。</p><p>　　圖3.7 ADC的引腳排列圖</p><p>　　3.4 報警電路的設計</p><p>　　報警設定電路由計數(shù)器和數(shù)值比較器構(gòu)成，

72、能實現(xiàn)被測溫度的超限報警，如圖3.8所示。兩片74LS160N組成2位計數(shù)器，設定報警值時，通過開關產(chǎn)生脈沖信號，計數(shù)器對脈沖信號計數(shù)產(chǎn)生需要的報警值。兩片74LS85N級聯(lián)組成8位二進制數(shù)值比較器，數(shù)值比較器將A/D轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)字量和設定的報警值進行比較，當實測溫度值超過設定值時，產(chǎn)生報警輸出。報警設定電路的封裝模塊X3，其輸入引腳B7—B0接A/D轉(zhuǎn)換輸出，IN接脈沖設定開關J2，SETH、SETL接選擇開關J1，其輸出A7—A0接

73、設定溫度數(shù)碼管，Y0接報警信號燈X1。</p><p>　　圖3.8 報警電路圖</p><p>　　圖3.9 芯片74LS160管腳圖</p><p>　　芯片74LS160其各引腳的功能說明如下：</p><p>　　CLK：脈沖信號輸入端，主要獲取外界的脈沖信號。</p><p>　　LOAD：預置數(shù)控制端，主要

74、控制計數(shù)器工作在異步或者同步。</p><p>　　EP,ET：工作狀態(tài)控制端，主要控制計數(shù)器計數(shù)狀態(tài)。</p><p>　　RCO：進位輸出端，當幾個74LS160芯片串并有進位時該端口產(chǎn)生進位。</p><p>　　CLR：清零端，使計數(shù)器清零。</p><p>　　A,B,C,D為數(shù)據(jù)輸入端，QA,QB,QC,QD為計數(shù)狀態(tài)。</

75、p><p>　　其功能表如表3.2 </p><p>　　表3.2 74LS160N功能表</p><p>　　3.5 溫度比較電路</p><p>　　比較器電路是由兩級放大器組成的（如圖3.10所示），第一級采用差動放大器，第二級采用反相放大器。當輸入信號電壓vi大于門限電壓vd時，經(jīng)過兩級放大器形成正電壓信號，由于二極管的正向?qū)ㄌ匦?，輸?/p>

76、信號電壓為vo。</p><p>　　當輸入信號電壓vi低于門限電壓vd時，經(jīng)過兩級放大器形成負電壓信號，由于二極管的反向截止特性，信號不通過，輸出信號電壓vo為低電平。采用Multisim進行比較器電路設計，測試電路的工作特性。</p><p>　　圖3.10 比較器電路圖</p><p>　　3.6 數(shù)碼管譯碼電路</p><p>　　譯

77、碼器CD4511的引腳圖如圖3.11，譯碼電路如圖3.12。</p><p>　　圖3.11 譯碼器CD4511</p><p>　　其引腳功能說明如下：</p><p>　　BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0時，數(shù)碼管不顯示任何東西。</p><p>　　EL：5腳是鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出，LE=1時譯碼器處于鎖定保持狀

78、態(tài)。</p><p>　　LT：3腳是測試信號的輸入端，當BI=1時，LT=0時，數(shù)碼管將全部顯示，這主要用于測試7段數(shù)碼管有沒有物理損壞。</p><p>　　DA,DB,DC,DD為8421BCD碼輸入端，高位到低位依次為DD~DA。</p><p>　　A，B，C，D，E，F(xiàn)，G為譯碼輸出端，輸出高電平有效。</p><p>　　圖3.

79、12 譯碼電路</p><p><b>　　3.7 總電路圖</b></p><p>　　模擬溫度信號經(jīng)過CH0-CH3進入溫度輸入電路，然后經(jīng)過5倍放大電路，接下來信號往兩個方向去，一是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，進入到數(shù)碼管譯碼電路，顯示出溫度值和該溫度所在通道。二是進入比較電路，跟手動設定的報警溫度信號進行比較，產(chǎn)生高低電平，超過設定溫度就會指示燈亮，報警。總電路

80、如圖3.13。</p><p>　　圖3.13 總電路結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　總結(jié)與心得</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計花費了近三個月的時間，專心的投入，我感覺收獲很多，學會了獨立的思考問題，更嚴謹?shù)厮伎挤治鰡栴}。從最初的定題，到開題報告的書寫，再到查找資料，最后論文成形，都是一步一個腳印。</p><

81、p>　　本設計的題目是：多路溫度檢測電路的設計。主要任務是設計一個可以多點測溫的電路，測到溫度后經(jīng)過5倍放大電路，再A/D轉(zhuǎn)換后將信號輸出，顯示溫度值，該設計包括一個溫度比較電路和一個報警電路，可手動設置報警溫度，當測量溫度大于設置溫度時即報警電路工作，發(fā)出警報。</p><p>　　題目確定好了以后，我當時便立刻著手資料的收集工作中，當時面對浩瀚的書海真是有些茫然，不知如何下手。我將這一困難告訴了導師，在

82、導師細心的指導下，終于使我對自己現(xiàn)在的工作方向和方法有了掌握。于是我做了充足準備，查找了很多資料，在搜集資料的過程中，我認真準備了一個筆記本。我在學校圖書館，還在網(wǎng)上查找各類相關資料，將這些寶貴的資料全部記在筆記本上，盡量使我的資料完整、精確、數(shù)量多，這有利于論文的撰寫。然后我將收集到的資料仔細整理分類，及時拿給導師進行溝通。</p><p>　　資料已經(jīng)查找完畢了，我開始著手論文的寫作。在寫作過程中遇到困難我就

83、及時和導師聯(lián)系，并和同學互相交流，請教專業(yè)課老師。在大家的幫助下，困難一個一個解決掉，論文也慢慢成型。為了畫出自己滿意的電路圖，圖表等，我仔細學習了仿真軟件中的繪圖技術，這樣更多的電路圖是我的文章更加充實和有說服力。</p><p>　　在設計過程中，通過查閱大量相關資料，與同學交流經(jīng)驗，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，獲益匪淺。在整個設計中我懂得了許多東西，培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹

84、立了對自己工作能力的信心，同時也是對自己的進一步肯定。相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。這次畢業(yè)設計使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。</p><p><b>　　【參考文獻】</b></p><p>　　[1] 薛文達.傳感器應用技術[M].南京:東南大學出版社.1998</p><p>　　[2] 史軍，等．

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