西华大学课程设计说明书温度监测与控制系统摘要：本设计中，以高精度温度传感器LM35为中心元件，将温度的变化信号转化为电压信号，通过UA741放大电压后，通过AD0808转化为数字信号。人为设置方面，采用两片74HC161串行构成100进制的计数器，设定的温度可以通过数码管显示出来。之后将设定的温度与AD0808采集后的温度信号进行比较，比较的结果影响温控部分的运行。若采集的温度信号小于设定值，则功率灯丝工作给予加热；若采集的温度信号大于设定值，则风扇工作给予降温。此外，超温报警模块主要是由555定时器构成的多谐振荡器。关键词：温度传感器，温度控制，超温报警，555定时器Abstract：In this design, with high precision temperature sensor LM35as the center element,the temperature signal into voltage signal, amplifies the voltage by UA741, through the AD0808is converted into a digital signal. The artificially, using two pieces of 74HC161serial constitutes 100of the counter, the set temperature through the digital tube display. After the set temperature and AD0808acquisition after the temperature signal is compared, compare the results of the operation effect of the temperature control part. If the acquisition of the temperature signal is less than a set value, then the power for heating filament; if the collected temperature signal is greater than the set value, the fan for cooling. In addition, over-temperature alarm module is mainly composed of555multivibrator.Key words：Temperature sensor, temperature control, Temperature alarm, 555 Timer目 录1.前言12.总体方案设计22.1方案比较22.2方案论证32.3方案选择43.单元模块设计43.1各单元模块功能介绍及电路设计53.1.1温度传感模块53.1.2 AD采集模块63.1.3 温度设定及显示模块63.1.4 数值比较模块73.1.5 555定时器多谐振荡器83.1.6 超温报警模块93.1.7 温度控制模块93.1.8 电源模块103.2 电路参数的计算及元器件的选择113.2.1 NE555时基电路参数113.2.2 温度控制模块参数123.3 特殊（重要）器件的介绍123.3.1 LM35温度传感器介绍123.3.2 UA741运放介绍173.3.3 NE555时钟芯片184 相关设计软件195.系统仿真195.1 Proteus简介195.2 仿真电路总图215.3 功能仿真216.设计总结、体会及改进23参考文献24附录1 仿真总图25附录2 原理图261.前言温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是锅炉生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。基于此，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足了工业生产的需求，提高了生产力。对温度的测量与控制在现代工业中也是运用的越来越广泛。而传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信与信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传器。其发展速度之快，以及其应用之广。并且还有很大潜力为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。此次设计主要采用的是后者。2.总体方案设计2.1方案比较对同一种效果的实现，可以采用不同的方案，下面就着重以下三种方案对同一目的的实现方法，然后比较这几种方案的优劣。2.1.1方案一超限报警装置 PT100温度传感器信号放大处理电路AD转换电路89C51单片机按键控制电路温控执行电路报警电路图1 方案一系统框图方案一工作原理简述：系统方框图如图1所示，该方案采用PT100温度传感器经过运放放大后经过AD将数据采集到89C51单片机内，利用单片机的程序能简单实现复杂逻辑电路功能的特性，在软件中实现温度比较、范围设定和超温报警等功能后直接输出给各个执行电路执行，从而实现题目要求。此方案的特点就是通过编程可以比较容易的实现复杂的功能，并且拓展性比较强。PT100温度传感器报警电路滑动分压设定温度上下2.1.2方案二滤波放大电路电压比较器AD转换电路显示温度温度执行电路图2 方案二系统框图方案二工作原理简述：系统方框图如图2所示，该方案采用PT100温度传感器测量温度，转换成电压信号后经过滤波消除干扰信号，经过放大电路，一路输入给A/D转换电路，经过译码进行数字显示，另一路与滑变分压电路相连，由此设定控制温度上下限，经过电压比较器，输出高低电平指示信号，由此控制温度控制执行模块和声光报警部分。此电路最基本的特点就是电路结构简单，实现比较容易。2.1.3方案三放大电路AD采集温控系统数值比较器超温报警LM35温度传感器人工设定温度显示设定温度图3 方案三系统框图方案三工作原理简述：系统方框图如图3所示，该方案采用了高精度温度传感器LM35测量温度放大后经过AD采集转换成数字信号，通过数字比较器比较与人工设定的温度进行比较，比较的结果作用于温控系统从而实现温度测量与控制的目的。本方案的特点就是可以显示人工设定的温度，所采用的温度传感器LM35精度很高，线性度非常理想，无论是实际运用和仿真应用起来都比较容易。2.2方案论证设计方案一由于采用了单片机，虽然实现各个功能比较容易，但不符合本设计的要求，故将其放弃。设计方案二中的主要处理部件均采用数字式的元器件，从而使信号的模式与之匹配，设计采用PT100温度传感器来采集环境温度，由于器件线性度不高，控制起来较难。电路中采用了滑变分压器来设定温度范围，设计复杂且精度较差，不直观且不人性化，所以放弃此方案。设计方案三中采用了高精度摄氏度传感器LM35来采集温度，该器件线性度非常理想，无论是实际运用和仿真应用起来都比较容易，同时人工设定温度这一环节相比方案二更加精确和先进，不仅实现容易而且还操作方便，也有数码管显示功能。2.3方案选择在经过上面三个方案的分析论证，第三个方案的可行性高，效果好，所以我们决定选择第三个方案作为最后的设计方案。在开始动手设计前，我们先确定好总体方案，再将各个模块在PROTEUS上进行仿真，验证其是否能正常实现所需功能，最后再将各个模块联调整合，画出原理图，整个设计流程如图4所示：把握整个设计的框架和总体电路的流程搜索资料并设计电路仿真并调试无误后画出总图图4 设计流程3.单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及对核心器件进行必要说明。3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1温度传感模块LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。由于它采用内部补偿，所以输出可以从0开始。在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50A），所以芯片自身几乎没有散热的问题。这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。LM35集成温度传感器是利用一个热电偶检测相应的温度，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5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。图5 热电效应原理图LM35温度传感器其输出电压与摄氏温标呈线性关系，0时输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV。转换公式如下：如图6所示，将LM35采集到的信号经过同相比例放大两倍后输出给AD，为了配合AD的使用，增益1选择为6.1，公式为：图6 温度传感模块选择适当的电阻值可以有不同的放大倍数，着有效的增加了此模块移植性3。将图6在PROTEUS中进行仿真后，可以看出结果十分精确，每上升一度就增加输出61mV。3.1.2 AD采集模块 AD芯片我们采用AD0808，其工作的主要思想是运用硬件来模拟ADC0808的时序2，首先我们将ADC0808的通道选择地址全部接地，即选通IN0通道，再将地址锁存端ALE接地使地址被锁入，基准电压端VREF+、VREF-分别接+12V和接地。信号从IN0输入，输入脉冲由555构成的多谐振荡器提供500KHZ的脉冲信号。开始信号由多谐振荡器产生的50HZ的脉冲信号同输出允许端EOC相与后送入START端提供开始脉冲。3.1.3 温度设定及显示模块 此模块主要由74HC161和74HC4511构成，其中两片74HC161构成一个100进制的加法器，用户通过按键实现步进1和清