机械工程测试技术课程设计

机械工程测试技术课程设计

班级：机自学号：姓名：孟凡日期： 温 度 测 量

111 5 2013.12.1

设计要求：

1、传感器：设计或选用，设计要有设计过程及计算结果。选用要列出所选传感器的技术指标。

2、信号处理电路，尽量设计出详细的电路图，也可以对局部电路图用方框表示。

3、设计所显示信号的显示部分，要求同1。

4、对所设计的题目写出设计报告。设计报告需打印，其中设计图部分可手绘。

5、不得完全相同，如有两个完全相同者，特别是电路部分及报告部分均做零分处理。

6、要求12月6日，以班为单位交到实验室405号。 7、具体设计项目：0——1300摄氏度，温度测量测试系统。

设计原理：

本设计采用的温度传感器是LM35温度传感器， LM35温度传感器是利用两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流。测试电路是通过电压比较放大电路来实现温度都的检测，控制电路是通过两个电压比较电路来实现对两个继电器的控制。报警电路有555时基电路和光敏电阻以及扬声器组成。

工作原理主要是利用温度传感器把系统的温度通过A\\D转换电

机自111

5 孟凡

路将电信号转换成数字信号，并通过与之连接的译码电路中显示出来。同时电压信号通过电压比较器与输入电压比较决定输出是高电平或是低电平，进而控制下一个电路单元的工作状态。报警电路中，当电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度Vmax，此时发光二极管通电发光照在光敏电阻RL上，RL受光激发，电阻值迅速下降，分压点电位升高，电路立即产生振荡，发出声响报警。调温控制电路中，通过电压比较器的输入输出关系，决定温度的调节。当温度低于下限温度时，电路经过一系列变化接通加热器电源对其进行加热。当温度升到上限温度时，加热器电源，停止加热。

设计方案综述：:

1、对温度进行测量、控制并显示：首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。可采用温度传感器，将温度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。

2、恒温控制：将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压VREF，用实际测量值vI与VREF进行比较，比较结果（输出状态）自动地控制、调节系统温度。

3、报警部分：设定被控温度对应的最大允许值Vmax，当系统实际温度达到此对应值Vmax时，发生报警信号。

4、温度显示部分：采用转换开关控制，可分别显示系统温度、控制温度对应值VREF，报警温度对应值Vmax。

3

5、方框图总体： 扬声器或蜂鸣 器 Vmax 报警控制电路 比较器（Ⅱ） 执行机构 调温控制电路 比较器（Ⅰ） VREF 译码驱动显示电路 A/D转换器 S 被测量控制 系统 温度传感器 放大器 低通滤波器 R LED 方框图说明：

⑴ 传感器可以采用LM 35温度传感器，电桥的输出电压作为运放构成的差动放大器双端输入信号，将信号放大后由低通滤波器将高频信号滤去。如上图所示。

⑵ 被测温度信号电压加于比较器（Ⅰ）与控制温度电压VREF进行比较，比较结果通过调温控制电路控制执行机构的相应动作，使被控系统升温或降温。

⑶ 当控制电路出现故障使温度失控时，使被控系统温度达到允许最高温度对应值Vmax，用声、光报警电路发出警报，值班人员将采取相应的紧急措施。

机自111

5 孟凡

⑷ 开关S1可分别闭合系统温度、控制温度电压VREF和报警温度电压Vmax，通过A/D转换器将模拟量转换成数字量，显示器显示出相应的温度数值。

设计模块选择： 1、温度传感器

LM35是电压输出型集成温度传感器， LM35集成温度传感器是利用一个热电阻检测相应的温度，热电偶是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如下图所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。温度传感器热电偶就是利用这一效应工作的。

温度传感器热电偶的结构形式 为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

a、组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；

5

b、两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； c、补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠； d、保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

传感器电路原理图

LM35温度传感器,输出电压0~0.99V,温度每上升1℃,电压上升10ms,可测温度0~99℃.即V=0.01T，运算放大器LM358放大5倍电压,即V=0.05T.经0809通道0转化为数字量,因为转换公式:V/5=X/255,即0.05T/5=X/255,则T≈100X/256. 为了精确到0.1℃,使

t=10*T=1000X/256=125X/32,所以转换公式是t=125X/32,X为数字量.

机自111

5 孟凡

其采集温度及放大温度电路图如下：

A\\D转换电路

2、温度转换电路

AD转换电路采用ADC0809。ADC0809是一种逐次比较型ADC。它是采用CMOS工艺制成的8位8通道A/D转换器，采用28只引脚的双列直插封装，其原理图和引脚图如图所示。

启动时钟转换结束(中断) 128IN3IN 2272IN4IN 3261IN5IN 4250IN6ADDA 524IN7ADDB 623STARTADDC 722EOCALEADC080921－1－5 822 920－2OE21019－3CLOCK21118－4VCC21217－82REF(＋)1316GNDREF(－)14152－72－68模拟开关8路模拟开关地 与址 译锁 码存8位A/D控制时序ADC0809SAR比较器树状开关3位地址地址锁存允许 锁三 存态 缓输 冲出 器8位输出256R电阻阶梯Vtef(－)输出允许VCCGNDVref(＋)7

(a) 功能框图(b)引脚图ADC0809有三个主要组成部分：256个电阻组成的电阻阶梯及树状开关、逐次比较寄存器SAR和比较器。电阻阶梯和树状开关是ADC0809的一个特点。另一个不特点是，它含有一个8通道单端信号模拟开关和一个地址译码器。地址译码器选择8个模拟信号之一送入

ADC进行A/D转换，因此适用于数据采集系统。（b）为引脚图。 附：各引脚功能

（1）IN0～IN7是八路模拟输入信号； （2）ADDA、ADDB、ADDC为地址选择端； （3）2-1～2-8为变换后的数据输出端； （4）START（6脚）是启动输入端。

（5）ALE（22脚）是通道地址锁存输入端。当ALE上升沿到来时，地址锁存器可对ADDA、ADDB、ADDC锁定。下一个ALE上升沿允许通道地址更新。实际使用中，要求ADC开始转换之前地址就应锁存，所以通常将ALE和TART连在一起，使用同一个脉冲信号，上升沿锁存地址，下降沿则启动转换。

（6）OE（9脚）为输出允许端，它控制ADC内部三态输出缓冲器。

3、报警电路

报警电路由555时基电路和光敏电阻等组成。电路中555时基集成电路接成典型无稳态工作方式，光敏电阻RL与可变电阻器RP构成光控触发回路。当RL无光照射时，呈高电阻状态，RL与RP的分压点即555型时基集成电路的4脚电位较低，若小于0．4V，555时基集成电路被强制复位，电路不振荡，BL无声，VL不发光。若发光二极管通电后发出的光照在RL上时，RL受光激发，电阻值迅速下降，分压点电位升高，当大于0.4V时（少数时基电路为大于1V)，强制

机自111

5 孟凡

复位被解除，电路立即产生振荡，BL就发声报警，同时VL发光。此时，人们可以根据实际情况对系统进行降温。

。

4、调温控制电路

如图所示为温度范围控制电路。该电路由降压整流滤波电源电路和温度控制电路两部分组成。其中温度控制电路由555和R1、R2～R4、W1、W2等组成，且R1为一负温度系数的热敏电阻(3kΩ)，W1为温度下限预置调节，W2温度上限预置调节，且通过调节W1、W2使555②脚、⑥脚分别置于1/3Vcc、2/3Vcc附近。 当温度低于下限温度时，R1的阻值变大，从而使555②脚电位低于1/3Vcc，相应555置位，③脚输出高电平，使发光二极管LED2点亮，继电器J1吸合，触点J1-3接通加热器电源对其进行加热。当温度升到上限温度时，R1的阻值变小，使555⑥脚电位大于2/3Vcc，且②脚的电位必然大于1/3Vcc，相应555复位，③脚输出低电平，发光二极管LED1点亮，继电器J1释放，触点J1-3断开，加热器电源，停止加热。这样调节

9

好W1、W2后，可以随设定温度(20～100℃)的变化而置位或复位，及时将J1吸合或断开，控制加热器的通、断，从而实现温度调节。

5、电压比较器

电压比较器是用来比较两个输 入电压的大小，据此决定其输出是高电平还是低电平。以图1所示的同相电压比较器电路为例，参考电压VREF加于运放的反相端，VREF可以是正值或负值。而输入信号vI加于运放的同相端。

Vi

机自111

5 孟凡

Vo/v Vo0 Vo

反之当Vi从反向端输入时，Vref改接到同相端，则称为反相端输入单限门电压比较器 。

图11

测量信号经放大跟随后与两个比较器运放反相和同相输入端比较，低于下限时，上方运放输出直流脉冲电平使JA吸合，加热器工作，上升到下限值时，由于磁保持作用，JA触点继续闭合，加热器工作，继续升温，到上限值时，下方运放输出直流脉冲电平使JB吸合，带动JA转为常开，停止加热，温度开始下降，降到下限值后，JB磁保持使JA仍为常开，加热器不工作，直到低于下限值后，重复加热过程，具备温度记忆功能。

W2为3296多圈精密可调电阻.数字表头采用ICL7101 LED表头， 3 1/2

11

位，可采用AE53。带动加热元件工作的继电器为磁保持继电器，JA，JB为同一继电器的两组线圈，该继电器的特点是采用脉冲驱动，具有记忆功能，动作速度快，耗热小。Vo/v

参考文献

[1] 《电子技术课程设计指导》 彭介华编，高等教育出版社，1997年10月

[2] 《现代电子学及应用》，童诗白、徐振英编，高等教育出版社，1994年 [3]《集成电子技术基础教程》，郑家龙、王小海、章安元编，高教出版社， 2002年5月

[4] 《电子技术基础》（数字部分），康华光编，高等教育出版社，2000年 [5] 《电子技术基础》（模拟部分），康华光编，高等教育出版社，2000年

[6]《电子技术课程设计指导书》，艾永乐，付子义编，焦作工学院电气工程系，1999年

[7] 《新编555集成电路应用800例》 陈永甫编著 电子工业出版社 2000年

[8] 《电子系统设计》，何小艇等编，浙江大学出版社，2000年

附1：系统原理图

机自111

5 孟凡

13