电子系统设计报告温度报警装置.docx
《电子系统设计报告温度报警装置.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子系统设计报告温度报警装置.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电子系统设计报告温度报警装置
□□□ | □□□□□□□ | 2015-9-14
电子系统设计报告
8.2.2
目录
技术指标与系统结构2
1.1功能要求2
1.2系统结构2
1.3技术指标2
1.4设计材料清单2
整体方案设计3
单元电路设计4
3.1温度传感器4
3.2电压放大器5
3.3A/D转换5
3.3.a主要性能：
6
3.3.b工作原理：
7
3.4E2PROM转码8
3.5时钟9
3.6数据选择器9
3.7数据比较器9
调试10
4.1温度传感器10
4.2电压放大器10
4.3A/D转换11
4.4E2PROM11
4.5时钟发生器12
4.6数据选择器12
4.7数据比较器13
4.8数字显示电路13
设计小结14
5.1设计任务完成情况14
5.2问题及改进14
5.3心得体会15
技术指标与系统结构
1.1功能要求
能够测量和用数字方式实时显示测量的温度值。
当温度超过自己的设定值时，系统发出指示或报警。
报警温度可以自行设定。
1.2系统结构
整体框图如图所示，其中S1为系统复位，S2为报警温度设定。
1.3技术指标
1.温度测量范围：
0~99℃。
2.显示精度：
1℃。
3.测温灵敏度：
20mV/℃。
4.用四位数码管进行显示。
5.用LED发光二极管或蜂鸣器进行温度报警。
6.报警温度可以任意设定。
1.4设计材料清单
材料名称
数量
备注
LM35
1
温度传感器
LM324
1
运放
LM339
1
电压比较器
ADC0809
1
A/D转换器
4511
2
七段显示译码器
C392
2
七段共阴数码管
28C64
1
EEPROM
4029
2
4位二/十进制可逆计数器
74157
2
四2选一数据选择器
7485
2
4位比较器
7400
1
2输入与非门
7420
1
4输入与非门
555
1
定时器
LED
8
发光二极管
排阻1K*8
1
8位拨码开关
1
自复按键
3
51K电阻
1
5.6K电阻
1
0.01uF电容
2
1k,10k,300Ω，100K
各2个
电阻
0.01u,0.1u,0.001u
各2个
电容
*电源是±5V的双电源
整体方案设计
通过之前给出的电子元器件，首先需要将各个元器件区分出来，分清楚哪些元器件负责整个系统哪一部分的工作。
根据数据手册上给出的功能，我们可以知道，LM35负责温度测量，LM324负责将测量的模拟电压放大，ADC0809进行A/D转换，一路通过28C64的E2PROM进行转码得出BCD码，两个4511七段显示译码器与两个C392七段共阴数码管负责显示温度数据，用一个74157负责动态显示。
另一边，两个LM339四位比较器在4511前面，进行报警温度的比较。
另一片74157实现数码管上的【测量温度】与【设定报警温度】之间的切换。
报警温度是通过8位拨码开关与排阻共同协作设置的，使用7485比较器进行比较，优点是这样做能较为快速的调整所要设定的温度，整个系统结构较为简易。
555定时器为整个系统提供时钟。
除此以外，还有其它方案。
基于之前提出的方案，我们可以微调：
比如说将之前的数字比较部分替换为模拟比较，AD0809后直接接28C64，AD0809负责温度传感器模拟量以及预设报警温度模拟量的转换。
报警温度的比较用模拟比较的方式，即为LM339比较两个模拟量之间的大小，最后输出一个布尔型的比较结果。
这个方法的好处是比较值更容易调整，所得出的比较结果更加准确。
最后，在详细地研究论证过后，我选择了第一种方案。
因为第二种方案需要平滑地过度，所提供的元器件当中并没有电位器之类的可以让模拟量平稳过渡的元件。
而且，使用数字型电路也满足要求的指标。
综上，我选择第一种方案。
右图即为其中一种原理方框图。
单元电路设计
3.1温度传感器
使用LM35需要注意其灵敏度为10mV/℃。
因为要求的测量温度范围为0~99℃，所以采用双电源供电。
3.2电压放大器
采用了LM324上面的两片运放，放大电压到两倍，这样电压放大器之后的灵敏度为20mV/℃，满足了测温灵敏度的这项指标。
下图为引脚功能图。
（TL084用法相同）
3.3A/D转换
将之前传导来的模拟量转化为8位的数字量，送到后方进行显示或比较。
如左图所示，有两种封装形式，PDIP与PLCC。
功能相同。
时序图如下图所示。
尽管提供的是八通道的A/D转换器，我们只需要使用一路转换即可。
此A/D转换芯片为逐次逼近式芯片，思想方法随后。
3.3.a主要性能：
（1）采用单+5V电源逐次逼近式A/D转换，工作时钟典型值为640KHz，转换时间约为100μs。
（2）分辨率为8位二进制码，总失调误差：
ADC0809为±1LSB。
（3）当用+5V电源供电时，模拟量的输入电平范围0～5V，不需要零点和满度调节。
（4）具有8通道闩锁开关控制，可以直接接入8个单端模拟量。
（5）数字量输出采用三态逻辑，输出符合TTL电平。
（6）容易与各种微处理器连接，也可以独立工作。
3.3.b工作原理：
假设D/A转换器的基准电压U'REF=8V，采样保持信号为UI=4.75V。
第一步：
转换开始前先将逐次逼近寄存器清“0”；
第二步：
第0个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。
这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压U'REF，并送到比较器中与UI进行比较。
若UI具体分析为：
QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压U'REF=4V。
U'REF此时，4个JKFF的J=1，K=0。
第三步：
在节拍脉冲CP1下跳的作用下，QD=1，QC=1，QB与QA仍保持“0”态。
这样在CP1作用后，JKFF的状态为：
QDQCQBQA=1100。
D/A转换器输出参考电压U'REF=6V。
由于U'REF>UI，因此，电压比较器输出F=0，G=1，4个JKFF的J=0，K=1。
第四步：
在节拍脉冲CP2下跳的作用下，QD=1,QC=0,QB=1,QA=0。
这样在CP2作用后，JKFF的状态为：
QDQCQBQA=1010。
D/A转换器输出参考电压U'REF=5V。
由于U'REF>UI，因此，电压比较器输出F=0，G=1，4个JKFF的J=0，K=1。
第五步：
在节拍脉冲CP3下跳的作用下，QB=0，QA=1。
这样在CP3作用后，JKFF的状态为：
QDQCQBQA=1001。
D/A转换器输出参考电压U'REF=4.5V。
由于U'REF第六步：
在节拍脉冲CP4下跳的作用下，QA=1。
4个JKFF的状态为：
QDQCQBQA=1001。
CP4的上升沿将DFF的1001状态存入4个DFF,并且保持下来,输出为D3D2D1D0=1001。
即：
输入模拟信号UI=4.75V,由A/D转换后输出4位二进制代码1001。
逐次逼近式A/D转换器完成一次转换所需的节拍数为（n+1）,其中n为二进制代码位数，完成一次转换所需时间为（n+1）TCP，其中TCP为时钟周期。
（南邮温度测量仪实验报告_图文_XX文库,2009,页18-19）
总而言之，A/D转换需要经历如下四个过程：
采样、保持、量化、编码。
最后，使用ADC0809输出的值即为模拟值对应的数字量。
3.4E2PROM转码
该款E2PROM是28C64，13地址端输入，4地址端输出的数据存储器，含163=4096个单元的存储器，每个单元8bit。
此处28C64是用于将之前转换的数码变为4511可使用的8421BCD码。
0000H→00H，0001H→01H，0002H→02H，……，0009H→09H，000AH→10H，000BH→11H，……，0063H→99H
只要地址端输入相应的数据时，数据端就会输出对应地址存储的数据。
在这里就是用这种方式转码的。
为了确保数据传输稳定，可以添加一片74573，确保数据传输的稳定。
3.5时钟
这里提供的NE555芯片负责整个系统的时钟提供。
本套指标所需要的频率在10K~1280kHz之间。
这里有基础电路图如图所示：
3.6数据选择器
74157数据选择器用来切换显示【温度测控值】以及【报警温度值】，管脚图如下：
3.7数据比较器
7485为常见的4位数据比较器。
通过级联方式变为8位数据比较器。
此处数据比较器使用方式如下：
调试
4.1温度传感器
根据先前的温度传感器的datasheet，按照设计图进行连接，所得电路如下图所示：
其中，2脚输出的即为模拟电流，电流大小指示温度。
4.2电压放大器
电压放大器提供TLV084或者LM324，但是使用方法一样，可以使用同样的一套图设计。
根据电路图连线，前级接一个电压跟随器，后级接一个电流放大器。
要求系统有20mA/℃的精度，所以计算可得需要放大两倍。
同时，需要注意阻抗匹配，这样的话才能够进行正常传输。
于是设计的电路图如下：
4.3A/D转换
将符合要求的电流转化为数字量，以方便之后的显示与比较。
因为是一路显示，所以在下面选择数据的端口都接地。
电路图如下图所示。
LM35输出/mA
经过放大后的电流/mA
理论输出
实际输出
误差/℃
251
503
25
25
0
280
562
28
28
0
301
598
30
29
1
误差在合理范围之内，可以使用此温度传感器搭配AD0809使用。
4.4E2PROM
转化数据形式可以通过28C64进行，出来的为8421BCD码。
电路图如下图所示。
4.5时钟发生器
测试出来的波形如下图所示：
通过如图附的公式可以比较简单地计算出所需要的电阻值。
按照这样的方式，出来的是640kHz的方波。
此处T=1/640kHz。
4.6数据选择器
两个数据选择器是为了选择8位的二进制数。
具体的选择动作由按键控制进行。
4.7数据比较器
两个数据比较器是为了比较8位的二进制数。
如上图，即为电路连接图。
Warning端输出【报警】信号，用于显示比较结果。
设定值/℃
实际值/℃
是否报警
24
25
是
25
25
是
26
25
否
根据如上表格，
4.8数字显示电路
①.通过给所有的数码管供电测试看是否可以正常显示【8.】字符。
②.通过向4511输入下列数值测试看是否能输出正常的数字。
检测用表格：
0000
0
0001
1
0010
2
0011
3
0100
4
0101
5
0110
6
0111
7
1000
8
1001
9
结论：
两个数码管均能正常使用，同时，4511能正确将8421BCD码转化为可在数码管上显示的编码。
设计小结
5.1设计任务完成情况
在老师和同学们的帮助下，我完成了整个实验的设计，能够正常显示温度，温度比较部分可以正常工作。
完成了实验当初设定的目标。
5.2问题及改进
在板子的设计与搭建的过程中，确实遇到了或这样或那样的困难，不过我在老师和同学们的帮助之下，的确解决了某些存在的问
升级会员 