電子工程設(shè)計(jì)1：小型溫度控制系統(tǒng)結(jié)題報(bào)告

北京工業(yè)大學(xué)電子工程設(shè)計(jì)電子工程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：穩(wěn)壓電源與變送器電路設(shè)計(jì)專業(yè)： 小組：姓名學(xué)號： 指導(dǎo)教師：張輝完成日期： 目錄【摘要】-3一 課題背景-4二 需求分析-4三 穩(wěn)壓電源-4（一） 方案（論證）設(shè)計(jì)-5（二） 電路（選擇）設(shè)計(jì)-6（三） 原理分析-6四 變送器模塊-7（一） 電路（選擇）設(shè)計(jì)-7（二） 原理分析-7五 驅(qū)動(dòng)器模塊-7（一） 電路（選擇）設(shè)計(jì)-7（二） 原理分析-8六 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊-8七 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊-9八 調(diào)試原理與方法-10九 調(diào)試過程及數(shù)據(jù)與誤差分析-10十 出現(xiàn)的問題分析及解決-11十一 結(jié)論-12十二 體會(huì)與建議-12【摘要】 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)上的各種技術(shù)指標(biāo)精度的要求也越來越高，在眾多指標(biāo)中，溫度的測量與控制是一個(gè)永恒的話題，只有了精確地溫度測量，才能把加熱和散熱的工作做得更好。本課題是小型溫度測量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以單片機(jī)AT89C51芯片為核心，和LED數(shù)碼管顯示，數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換和輔以穩(wěn)壓電源及變送器的測量控制系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了穩(wěn)壓電源與變送器電路的工作原理，硬件電路組成的思路。主要包括以下幾個(gè)模塊：穩(wěn)壓電源模塊、變送器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和變送器模塊等組成。能夠?qū)Νh(huán)境溫度隨時(shí)隨地檢測與顯示?！娟P(guān)鍵詞】 ：A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。一 課題背景性能較好的穩(wěn)壓電源模塊能夠?qū)⑹须?20V轉(zhuǎn)換為5V和12V為溫度測量與控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。而變送器模塊能準(zhǔn)確地將傳感器采集到的溫度信息送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號最終發(fā)送給單片機(jī)。對應(yīng)的，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將單片機(jī)送出的控制信號通過驅(qū)動(dòng)器控制器件。圖1.系統(tǒng)框圖二 要求分析本系統(tǒng)雖然早已實(shí)際應(yīng)用多年，但是對于初學(xué)反饋調(diào)節(jié)的本科生而言具有較高的了解價(jià)值，同時(shí)縱觀現(xiàn)今社會(huì)發(fā)展現(xiàn)實(shí)，可以看出在至少將近幾十年內(nèi)還會(huì)繼續(xù)擁有參考研究價(jià)值，因此這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不會(huì)和社會(huì)脫節(jié)，具有較為廣泛的需求基礎(chǔ)。（一） 直流穩(wěn)壓電源：1. 將市電220V轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的三組電源，其中有（+5V，1A）(+12V,1A)(-12V,1A)2. 在安裝調(diào)試過程中由于220V交流電源，必須注意單元。（二） 變送器：1. 為降低誤差，在設(shè)計(jì)中要考慮電路元器件的溫漂，時(shí)漂和噪聲問題。2. 測量溫度：0 1003. 輸出電壓：0 5V4. 測量誤差：滿刻度1%（0.05V或1 ）5. 負(fù)載阻抗： 1 M6. 限制條件： 0V 輸出電壓5V7. 安裝：獨(dú)立電路板結(jié)構(gòu)（三） 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：1. 輸入范圍：00H 0FFH 2. 對應(yīng)輸出： -10V+10V 3. 誤差：1%FSR 4. 響應(yīng)時(shí)間： 1ms 5. 電源供電：+5V，12V（四） 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：1. 輸入信號范圍：0V+5V 2. 分辨率： 8bit 3. 精度：1LSB 4. 轉(zhuǎn)換時(shí)間： 1ms（五） 驅(qū)動(dòng)器：1. 對應(yīng)測量溫度： 0 100三 穩(wěn)壓電源：（一） 方案（論證）設(shè)計(jì)：1. 方案一：（1） 線性穩(wěn)壓電路：特點(diǎn)：a）利用晶體管進(jìn)行電壓調(diào)整1） 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好2） 紋波、噪聲小b）電壓調(diào)整晶體管工作在放大區(qū)1) 功耗大、發(fā)熱量大2) 效率低 適用于低壓差、小功率的場合 （2） 集成線性穩(wěn)壓電路（三端穩(wěn)壓器）特點(diǎn)：a）采用帶隙（能隙）基準(zhǔn)電壓電路 1）溫度穩(wěn)定性好、噪聲小 b）多種保護(hù)措施 1）過流、斷路、過熱保護(hù) c）無需其他外圍元件1）使用方便、無需調(diào)整2. 方案二：開關(guān)穩(wěn)壓電路：（1）特點(diǎn)：a）調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)1）功耗小、發(fā)熱量小 2）效率高適用于高壓差、大功率的場合 b）輸入和/或輸出電流不連續(xù) 1）紋波、噪聲大 精密的模擬電路不適用 c）采用儲能元件維持輸出電壓穩(wěn)定 1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性差 d） 電路復(fù)雜、外圍元件多、對元件要求高（2） 開關(guān)穩(wěn)壓電路基本類型及其特點(diǎn)：a) 串聯(lián)（Buck）型1) Vo Vi（升壓），輸出電流不連續(xù)c) 電感儲能（Buck-Boost ）型1）輸出電壓不限并反向，輸入輸出電流均不連續(xù)d) Cuk型1)輸出電壓同上，輸入輸出電流均連續(xù) （3）DC-DC變換器： 利用開關(guān)穩(wěn)壓電路基本原理設(shè)計(jì)的集成開關(guān)穩(wěn)壓器，外圍元件少，易于實(shí)現(xiàn)。 3. 方案選擇：交流供電電壓低，輸出功率較小。從實(shí)現(xiàn)電路簡單，低成本的考慮應(yīng)選擇集成線性穩(wěn)壓電路的實(shí)現(xiàn)方案。（二） 電路（選擇）設(shè)計(jì)：圖2.穩(wěn)壓電源模塊原理圖（三） 原理分析：線性穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)是起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)整流電源，一般是靠二極管的單向?qū)ㄐ再|(zhì)，把交流電正弦波變成只有上半部分的波，再經(jīng)過濾波電容變?yōu)槠交闹绷麟?。交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路和濾波電容的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C4的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機(jī)電路的電源。四 變送器模塊：（一） 電路（選擇）設(shè)計(jì)：圖3.變送器模塊原理圖（二） 原理分析測量溫度這種非電物理量，需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上，這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為變送器。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為變送器。溫度變送器是一個(gè)具有較高精度和穩(wěn)定度的直流放大器，變送器的線性化電路采用反饋方式。對熱電阻傳感器，用正反饋方式校正，對熱電偶傳感器，用多段折線逼近法進(jìn)行校正。五 驅(qū)動(dòng)器模塊：（一） 電路（選擇）設(shè)計(jì)：圖4.1驅(qū)動(dòng)器模塊原理圖圖4.2驅(qū)動(dòng)器模塊實(shí)物圖（二） 原理分析：在實(shí)際的系統(tǒng)里，往往要求放大電路的末級輸出一定的功率，以帶動(dòng)后面的負(fù)載。驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)功率放大器, 簡稱功放。驅(qū)動(dòng)電壓為-9V +9V ,驅(qū)動(dòng)電流最大為3A,隨著輸出負(fù)電壓的增加,制冷量增加,隨著輸出正電壓的增加,制熱量增加,從而以控制輸出電壓,達(dá)到控制溫度的目的。圖4.2驅(qū)動(dòng)器模塊波形圖六 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：（一） 電路（選擇）設(shè)計(jì)：圖5.數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊原理圖（二） 原理分析：電流開關(guān)型：用數(shù)字切換電流開關(guān)，產(chǎn)生與電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電流對應(yīng)的電流“和”；脈寬調(diào)制型：將數(shù)字轉(zhuǎn)換為輸出脈沖寬度，用積分器將脈沖寬度轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電壓輸出。 （三） 理論計(jì)算：如： 七 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：（一） 電路（選擇）設(shè)計(jì)：圖6.模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊原理圖（二） 原理分析：積分型：將電壓轉(zhuǎn)換成脈寬信號或頻率，由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。優(yōu)點(diǎn)：分辨率高；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速率極低 ；逐次比較型 ：由比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。優(yōu)點(diǎn)：速度較高、功耗低，在12位分辯率時(shí)價(jià)格便宜 ；并行比較型：用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速率極高；分辯率高時(shí)電路規(guī)模大、價(jià)格也高，只適用于低分辨率高速場合 ；壓頻轉(zhuǎn)換型：將模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ，從理論上講其分辨率幾乎可以無限增加。優(yōu)點(diǎn)：分辯率高、功耗低、價(jià)格低；但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換 ；（三） 理論計(jì)算：ADC0804：八 調(diào)試原理與方法：（一） 穩(wěn)壓電源電路板：1.利用調(diào)試臺電源板右側(cè)插座調(diào)試2.用萬用表檢測電路板左排針從上數(shù)第一管腳輸出電壓+5V、第九管腳+12V、第十一管腳-12V3.電壓符合要求后可以將電源板按調(diào)試臺位置插入4.調(diào)試臺電源指示燈正常（二） 變送器模塊電路板：1.利用調(diào)試臺變送器板調(diào)試，電源板需要插上2.在調(diào)試臺變送器插座插上變送器板，注意方向3.利用調(diào)試臺鍵盤輸入調(diào)試溫度。調(diào)整電流源輸出（模擬AD592電流變化）4.電流源輸出電流為：I=273uA溫度值5.溫度值為：0攝氏度時(shí)放大器輸出電壓為0V6.溫度值為：100攝氏度時(shí)放大器輸出電壓為5V（三） 驅(qū)動(dòng)器模塊電路板：1.利用調(diào)試臺驅(qū)動(dòng)器板調(diào)試，電源板需要插上2.當(dāng)溫度增加時(shí)，用萬用表測電路板右排針從上數(shù)第7腳輸出的變化趨勢3.將板插上實(shí)驗(yàn)臺，觀察溫度升高或降低時(shí)，指示燈的變化九 調(diào)試過程及數(shù)據(jù)與誤差分析：(一) 穩(wěn)壓電源電路板：萬用表黑表皮接地，紅表皮接三個(gè)輸出點(diǎn)來測試三個(gè)輸出的電壓值，其中+5V管腳的輸出電壓穩(wěn)定在4.970.05V，而-12V管腳的輸出電壓穩(wěn)定在-11.970.04V，+12V管腳的輸出電壓穩(wěn)定在11.960.00V左右。三個(gè)管腳的輸出電壓基本符合標(biāo)準(zhǔn)，滿足電路輸出的要求。(二) 變送器模塊電路板：在0的時(shí)候，調(diào)整滑動(dòng)變阻器VR1（見圖3）使得電路的輸出電壓為0V；在100的時(shí)候，調(diào)整滑動(dòng)變阻器VR2（見圖3）使得電路的輸出電壓為5V。以后每增加10，輸出電壓均大概增加0.40.6V，經(jīng)過我們的多次測試，在量程范圍內(nèi)，輸出電壓的實(shí)際值僅僅與理論值相差0.1V左右，誤差在允許范圍內(nèi)。(三) 驅(qū)動(dòng)器模塊電路板：溫度上升時(shí)，指示燈紅燈（加熱）亮，輸出端電壓值升高。溫度下降時(shí)，指示燈綠燈（制冷）亮，輸出端（既電路板右排針從上數(shù)第七管腳）電壓值降低。在調(diào)試臺上調(diào)試時(shí)，輸入10V電壓時(shí)，輸出端輸出電壓8.7V；輸入-10V電壓時(shí)，輸出端電壓-9.2V?；具_(dá)到設(shè)計(jì)要求。十 出現(xiàn)的問題分析及解決：(一) 穩(wěn)壓電源電路板：故障現(xiàn)象故障原因無整流輸出或輸出不正常整流橋接錯(cuò)或損壞無穩(wěn)壓輸出或輸出不正常集成穩(wěn)壓電路引腳接錯(cuò)或損壞12輸出不正常交流輸入中心抽頭漏接輸出波紋大濾波電容漏接保險(xiǎn)管無輸入交流輸入漏接整理橋無輸入保險(xiǎn)管損壞電解電容發(fā)熱或爆裂電解電容極性接反電解電容發(fā)熱或爆裂電解電容耐壓不夠無直流輸出直流輸出漏接表1.穩(wěn)壓電源板理論上遇到的故障及原因每次上電檢查保險(xiǎn)絲是否全部正常工作，若有燒斷需及時(shí)找指導(dǎo)老師更換。每次調(diào)試完畢記得關(guān)閉電源，避免出現(xiàn)觸電。(二) 變送器電路板：故障現(xiàn)象故障原因輸出不隨輸入變化運(yùn)算放大器損壞輸出接近正或負(fù)電源電壓運(yùn)算放大器開環(huán)輸出達(dá)不到滿刻度放大器增益控制電阻過小輸出不能到達(dá)0點(diǎn)平移電路未工作輸出不能到達(dá)0點(diǎn)平移電路元件選擇有誤輸出總是高于4.3V接5V保護(hù)二極管反接輸出總是低于0.7接地保護(hù)二極管反接二極管全部燒毀保護(hù)二極管全部反接加載后輸出有明顯的衰減保護(hù)電路限流電阻過大無輸出運(yùn)算放大器電源漏接輸出偏向電源一側(cè)不隨輸入變化運(yùn)算放大器單電源漏接表2.變送器電路板理論上遇到的故障及原因?qū)嶋H中我們?yōu)榻档驼`差，在設(shè)計(jì)中考慮了電路元器件的溫漂、時(shí)漂和噪聲等問題，因此選擇使用了OP07運(yùn)算放大器。試驗(yàn)中，試驗(yàn)臺右排管腳+12V、-12V管腳的錯(cuò)誤表示容易引起芯片燒壞，調(diào)試時(shí)應(yīng)注意。變送器電路的設(shè)計(jì)與所使用的傳感器密切相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)中我們特別注意了傳感器與變送器連接電路的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)方法及實(shí)用的關(guān)系等問題。(三) 驅(qū)動(dòng)電路板在調(diào)試過程中我們遇到了問題。第一個(gè)問題就是2955、3955發(fā)熱嚴(yán)重，且穩(wěn)壓電源模塊保險(xiǎn)絲經(jīng)常燒斷，后來我們將接在正負(fù)12V之間的滑動(dòng)變阻換小成5K，問題解決。另外我們在驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路板時(shí)，只會(huì)正電壓不輸出負(fù)電壓，因此進(jìn)行了幾次查線階段。首先查出了焊接不結(jié)實(shí)問題，有的地方焊錫多導(dǎo)致連線，用吸拔器吸走多余焊錫又進(jìn)行了一次排查，檢查無誤后再去驗(yàn)證，問題依舊沒有解決。隨后我們調(diào)整了電路，并且找老師商討之后，驗(yàn)證成功。十一 結(jié)論穩(wěn)壓電源板的三個(gè)管腳輸出電壓基本符合標(biāo)準(zhǔn)，滿足電路輸出+5V、12V的要求。溫度變送器模塊電路板，經(jīng)過我們的多次測試，在量程范圍內(nèi)，輸出電壓的實(shí)際值僅僅與理論值相差幾乎為零，誤差并不是很明顯。驅(qū)動(dòng)器電路板，溫度上升時(shí)，指示燈紅燈（加熱）亮，輸出端電壓值升高。溫度下降時(shí)，指示燈綠燈（制冷）亮，輸出端電壓值降低?；具_(dá)到設(shè)計(jì)要求。十二 體會(huì)與建議電子工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練課就想我們大二時(shí)上過的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)一樣，對動(dòng)手能力要求較高，不僅僅是要告訴我們一種知識，更要我們在了解了理論的基礎(chǔ)上自己動(dòng)手將其驗(yàn)證。張老師在教會(huì)我們使用一些必要的軟件，如protel99se，以及一些相應(yīng)的原理圖之后，告訴了我們一些注意事項(xiàng)及需要用到的知識范圍，剩下的就都是我們要靠我們?nèi)ピO(shè)計(jì)和調(diào)試了，比如查閱書籍、下載芯片的數(shù)據(jù)手冊等。 在這門課上，我們再一次成為了真正的主體，相信以此我們將理論應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)上的能力會(huì)大大增強(qiáng)。我們先是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，結(jié)合自己所學(xué)的內(nèi)容，設(shè)計(jì)出所需要的電路；電路圖經(jīng)過老師認(rèn)證后，就要去器材室找自己電路所涉及的器件，器件的型號及參數(shù)很重要，而這些都是決定試驗(yàn)成功的關(guān)鍵；經(jīng)過這一系列的準(zhǔn)備工作后，就要開始真正進(jìn)行焊板了，這是真正考驗(yàn)?zāi)托暮蛣?dòng)手能力了，看到有的組因?yàn)椴恍⌒膶⑹譅C傷就始終萬加小心，結(jié)果也確實(shí)完好無損。最后進(jìn)行的就是調(diào)試，在穩(wěn)壓電源和變送器模塊的調(diào)試過程中，我們的調(diào)試很成功。可是在做