電子工程設計1：小型溫度控制系統(tǒng)結題報告

北京工業(yè)大學電子工程設計電子工程設計報告題目：穩(wěn)壓電源與變送器電路設計專業(yè)： 小組：姓名學號： 指導教師：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）設計-5（二） 電路（選擇）設計-6（三） 原理分析-6四 變送器模塊-7（一） 電路（選擇）設計-7（二） 原理分析-7五 驅動器模塊-7（一） 電路（選擇）設計-7（二） 原理分析-8六 數(shù)模轉換模塊-8七 模數(shù)轉換模塊-9八 調試原理與方法-10九 調試過程及數(shù)據(jù)與誤差分析-10十 出現(xiàn)的問題分析及解決-11十一 結論-12十二 體會與建議-12【摘要】 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的迅猛發(fā)展，工業(yè)上的各種技術指標精度的要求也越來越高，在眾多指標中，溫度的測量與控制是一個永恒的話題，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)設計，以單片機AT89C51芯片為核心，和LED數(shù)碼管顯示，數(shù)模、模數(shù)轉換和輔以穩(wěn)壓電源及變送器的測量控制系統(tǒng)。 本設計詳細介紹了穩(wěn)壓電源與變送器電路的工作原理，硬件電路組成的思路。主要包括以下幾個模塊：穩(wěn)壓電源模塊、變送器模塊、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊和變送器模塊等組成。能夠對環(huán)境溫度隨時隨地檢測與顯示?！娟P鍵詞】 ：A/D轉換、D/A轉換、驅動器設計。一 課題背景性能較好的穩(wěn)壓電源模塊能夠將市電220V轉換為5V和12V為溫度測量與控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。而變送器模塊能準確地將傳感器采集到的溫度信息送到模數(shù)轉換器，再由模數(shù)轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號最終發(fā)送給單片機。對應的，數(shù)模轉換器將單片機送出的控制信號通過驅動器控制器件。圖1.系統(tǒng)框圖二 要求分析本系統(tǒng)雖然早已實際應用多年，但是對于初學反饋調節(jié)的本科生而言具有較高的了解價值，同時縱觀現(xiàn)今社會發(fā)展現(xiàn)實，可以看出在至少將近幾十年內還會繼續(xù)擁有參考研究價值，因此這項實驗不會和社會脫節(jié)，具有較為廣泛的需求基礎。（一） 直流穩(wěn)壓電源：1. 將市電220V轉換為穩(wěn)定的三組電源，其中有（+5V，1A）(+12V,1A)(-12V,1A)2. 在安裝調試過程中由于220V交流電源，必須注意單元。（二） 變送器：1. 為降低誤差，在設計中要考慮電路元器件的溫漂，時漂和噪聲問題。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. 負載阻抗： 1 M6. 限制條件： 0V 輸出電壓5V7. 安裝：獨立電路板結構（三） 數(shù)模轉換模塊：1. 輸入范圍：00H 0FFH 2. 對應輸出： -10V+10V 3. 誤差：1%FSR 4. 響應時間： 1ms 5. 電源供電：+5V，12V（四） 模數(shù)轉換模塊：1. 輸入信號范圍：0V+5V 2. 分辨率： 8bit 3. 精度：1LSB 4. 轉換時間： 1ms（五） 驅動器：1. 對應測量溫度： 0 100三 穩(wěn)壓電源：（一） 方案（論證）設計：1. 方案一：（1） 線性穩(wěn)壓電路：特點：a）利用晶體管進行電壓調整1） 動態(tài)響應特性好2） 紋波、噪聲小b）電壓調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：a）采用帶隙（能隙）基準電壓電路 1）溫度穩(wěn)定性好、噪聲小 b）多種保護措施 1）過流、斷路、過熱保護 c）無需其他外圍元件1）使用方便、無需調整2. 方案二：開關穩(wěn)壓電路：（1）特點：a）調整管工作在開關狀態(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）動態(tài)響應特性差 d） 電路復雜、外圍元件多、對元件要求高（2） 開關穩(wěn)壓電路基本類型及其特點：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： 利用開關穩(wěn)壓電路基本原理設計的集成開關穩(wěn)壓器，外圍元件少，易于實現(xiàn)。 3. 方案選擇：交流供電電壓低，輸出功率較小。從實現(xiàn)電路簡單，低成本的考慮應選擇集成線性穩(wěn)壓電路的實現(xiàn)方案。（二） 電路（選擇）設計：圖2.穩(wěn)壓電源模塊原理圖（三） 原理分析：線性穩(wěn)壓電源的特點是起電壓調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導通性質，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闹绷麟姟＝涣魇须娡ㄟ^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兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負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電路或單片機電路的電源。四 變送器模塊：（一） 電路（選擇）設計：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@示設備上，這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。溫度變送器是一個具有較高精度和穩(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行校正。五 驅動器模塊：（一） 電路（選擇）設計：圖4.1驅動器模塊原理圖圖4.2驅動器模塊實物圖（二） 原理分析：在實際的系統(tǒng)里，往往要求放大電路的末級輸出一定的功率，以帶動后面的負載。驅動電路是一個功率放大器, 簡稱功放。驅動電壓為-9V +9V ,驅動電流最大為3A,隨著輸出負電壓的增加,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,達到控制溫度的目的。圖4.2驅動器模塊波形圖六 數(shù)模轉換模塊：（一） 電路（選擇）設計：圖5.數(shù)模轉換模塊原理圖（二） 原理分析：電流開關型：用數(shù)字切換電流開關，產(chǎn)生與電阻網(wǎng)絡權電流對應的電流“和”；脈寬調制型：將數(shù)字轉換為輸出脈沖寬度，用積分器將脈沖寬度轉換為與之對應的電壓輸出。 （三） 理論計算：如： 七 模數(shù)轉換模塊：（一） 電路（選擇）設計：圖6.模數(shù)轉換模塊原理圖（二） 原理分析：積分型：將電壓轉換成脈寬信號或頻率，由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。優(yōu)點：分辨率高；缺點：轉換速率極低 ；逐次比較型 ：由比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。優(yōu)點：速度較高、功耗低，在12位分辯率時價格便宜 ；并行比較型：用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換。優(yōu)點：轉換速率極高；分辯率高時電路規(guī)模大、價格也高，只適用于低分辨率高速場合 ；壓頻轉換型：將模擬信號轉換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉換成數(shù)字量 ，從理論上講其分辨率幾乎可以無限增加。優(yōu)點：分辯率高、功耗低、價格低；但是需要外部計數(shù)電路共同完成AD轉換 ；（三） 理論計算：ADC0804：八 調試原理與方法：（一） 穩(wěn)壓電源電路板：1.利用調試臺電源板右側插座調試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試臺位置插入4.調試臺電源指示燈正常（二） 變送器模塊電路板：1.利用調試臺變送器板調試，電源板需要插上2.在調試臺變送器插座插上變送器板，注意方向3.利用調試臺鍵盤輸入調試溫度。調整電流源輸出（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攝氏度時放大器輸出電壓為0V6.溫度值為：100攝氏度時放大器輸出電壓為5V（三） 驅動器模塊電路板：1.利用調試臺驅動器板調試，電源板需要插上2.當溫度增加時，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.將板插上實驗臺，觀察溫度升高或降低時，指示燈的變化九 調試過程及數(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，紅表皮接三個輸出點來測試三個輸出的電壓值，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。三個管腳的輸出電壓基本符合標準，滿足電路輸出的要求。(二) 變送器模塊電路板：在0的時候，調整滑動變阻器VR1（見圖3）使得電路的輸出電壓為0V；在100的時候，調整滑動變阻器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，輸出電壓的實際值僅僅與理論值相差0.1V左右，誤差在允許范圍內。(三) 驅動器模塊電路板：溫度上升時，指示燈紅燈（加熱）亮，輸出端電壓值升高。溫度下降時，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。在調試臺上調試時，輸入10V電壓時，輸出端輸出電壓8.7V；輸入-10V電壓時，輸出端電壓-9.2V。基本達到設計要求。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管無輸入交流輸入漏接整理橋無輸入保險管損壞電解電容發(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絲是否全部正常工作，若有燒斷需及時找指導老師更換。每次調試完畢記得關閉電源，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算放大器損壞輸出接近正或負電源電壓運算放大器開環(huán)輸出達不到滿刻度放大器增益控制電阻過小輸出不能到達0點平移電路未工作輸出不能到達0點平移電路元件選擇有誤輸出總是高于4.3V接5V保護二極管反接輸出總是低于0.7接地保護二極管反接二極管全部燒毀保護二極管全部反接加載后輸出有明顯的衰減保護電路限流電阻過大無輸出運算放大器電源漏接輸出偏向電源一側不隨輸入變化運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實際中我們?yōu)榻档驼`差，在設計中考慮了電路元器件的溫漂、時漂和噪聲等問題，因此選擇使用了OP07運算放大器。試驗中，試驗臺右排管腳+12V、-12V管腳的錯誤表示容易引起芯片燒壞，調試時應注意。變送器電路的設計與所使用的傳感器密切相關，因此在設計中我們特別注意了傳感器與變送器連接電路的設計和校準方法及實用的關系等問題。(三) 驅動電路板在調試過程中我們遇到了問題。第一個問題就是2955、3955發(fā)熱嚴重，且穩(wěn)壓電源模塊保險絲經(jīng)常燒斷，后來我們將接在正負12V之間的滑動變阻換小成5K，問題解決。另外我們在驗證驅動電路板時，只會正電壓不輸出負電壓，因此進行了幾次查線階段。首先查出了焊接不結實問題，有的地方焊錫多導致連線，用吸拔器吸走多余焊錫又進行了一次排查，檢查無誤后再去驗證，問題依舊沒有解決。隨后我們調整了電路，并且找老師商討之后，驗證成功。十一 結論穩(wěn)壓電源板的三個管腳輸出電壓基本符合標準，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，輸出電壓的實際值僅僅與理論值相差幾乎為零，誤差并不是很明顯。驅動器電路板，溫度上升時，指示燈紅燈（加熱）亮，輸出端電壓值升高。溫度下降時，指示燈綠燈（制冷）亮，輸出端電壓值降低。基本達到設計要求。十二 體會與建議電子工程設計訓練課就想我們大二時上過的電子技術實驗一樣，對動手能力要求較高，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上自己動手將其驗證。張老師在教會我們使用一些必要的軟件，如protel99se，以及一些相應的原理圖之后，告訴了我們一些注意事項及需要用到的知識范圍，剩下的就都是我們要靠我們去設計和調試了，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用到現(xiàn)實上的能力會大大增強。我們先是根據(jù)實驗的要求，結合自己所學的內容，設計出所需要的電路；電路圖經(jīng)過老師認證后，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成功的關鍵；經(jīng)過這一系列的準備工作后，就要開始真正進行焊板了，這是真正考驗耐心和動手能力了，看到有的組因為不小心將手燙傷就始終萬加小心，結果也確實完好無損。最后進行的就是調試，在穩(wěn)壓電源和變送器模塊的調試過程中，我們的調試很成功。可是在做