传感器技术课程设计-孵化室温湿度控制电路设计.doc

孵化室控温控制电路设计中文摘要传感器是一类用途十分广泛的器件，无论在国民经济建设中还是国防建设中，传感器都扮演着非常重要的角色。传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器不仅充当着计算机、机器人、自动化设备的感觉器官及机电结合的接口，而且已渗透到人类生命、生活的各个领域。从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的传感器。当今时代是一个自动化时代，生产、养殖等好多行业的设备都与计算机密切相关。目前在中国，绝大部分的养殖场的温湿度的检测还停留在人工测量和记录的水平上，没有一个科学的高技术的测试系统。因此，一个好的养殖场的温湿度的控制系统，将给养殖场带来该方面的技术革新。随着电子技术的迅速发展，单片机在仪表中的应用日益广泛。单片机将中央处理器、程序储存器、定时器/计数器、并行串行输入输出口和中断部件等单元集成在一个芯片上，使系统的体积缩小，价格便宜，性能可靠。本次设计中，我课程设计的内容孵化室温湿度控制，可以实现的功能有：孵化室温控制在3642，温度低时启动加热器加热，温度高时，启动制冷器冷却。报警指示，当温度大于42或低于36时，用声光报警；控制湿度保持在一定范围内，湿度低则加湿，高则加湿器停止工作；同时将温度传感器来采集温度的变化，经过放大电路放大后，进行a/d转换，将输入电压信号转换成数字量输出；显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。关键词：温控器，湿度传感器，单片机，数码管，显示1 设计主要内容及要求1 设计主要内容及要求1.1 设计目的：（1）了解温湿度检测和控制技术的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 （2）初步掌握常用测温、测湿方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。 （3）通过学习，具体掌握所选择测温、测湿方法和相关传感器的使用特点和方法。1.2 基本要求（1）孵化室对温度有一定要求，温度是否合适直接影响孵化效果，为此需要对温度进行严格控制，主要指标如下：孵化室温控制在3642，温度低时启动电热器加热，温度高时，启动风扇冷却。报警指示，当温度大于42或低于36时，用声光报警。孵化室湿度要求保持在相对湿度55 60范围内，超出该范围要求声光报警。 （2）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、控制系统和显示系统。 （3）要有相应的控制算法（软件流程图）。1.3 发挥部分 自由发挥2设计思路该系统温度的测量是通过双输出低功耗的温控器lm56来实现的，它是一个高精度、低功耗的温控器，其温度门限是由三个外部电阻对内部的1.25v带隙基准电压的方法产生的。同时将引脚6、7脚的输出通过控制光耦来控制加热器和制冷器的启动与关闭，将5脚的模拟温度值通过单片机ad转换译码器转换通过数码管显示出来；湿度的测量是通过硅湿敏传感器msoi-b来实现的，硅湿敏电阻器是由硅粉掺人少量金属氧化物烧结而成的，具有电阻值随大气相对温度变化而变化的特性。检测电路由比较器lm339、双d触发器cd4013中一只、继电器等组成，再通过继电器来控制加湿器的工作。单片机工作需要给它一个5v的直流电源，这就需要一个稳压的过程，把220v交流电压通过变压器、整流桥、二极管、稳压器、滤波电容转换成5v直流电压。把传感器采集的数据经过译码器显示在液晶屏上，同时控制声光报警电路，当温度大于42或低于36时，用声光报警，同时制冷器或加热器工作，是孵化室温度控制在要求范围内；当孵化室湿度在相对湿度55 60范围外时，加湿器会相应的工作，从而使孵化室湿度在一定范围内变动。3设计方框图温度采集温度控制电路42364236单片机制冷器加热器稳压电路显示电路湿度采集继电器湿度控制电路加湿器启停4各部分电路设计和过程分析4.1.稳压源部分电路的设计电源稳压及过零检测电路由变压器tf、整流桥rb、二极管d、三端稳压器7805、整形电路和滤波电容c1、c2组成。电路如下图4-1所示图4-1稳压源电路变压器tf将220v的交流电压转换为5v低压，并利用整流桥rb转变为脉动直流电压。然后通过二极管d经滤波电容c1和c2滤波后，生成无纹波的直流电压。直流电压经三端稳压器7805稳压后，形成5v直流电压。二极管d在脉动直流电压和滤波后的直流电压之间起隔离的作用。4.2温度采集部分 图4-2 lm56内部电路 lm56是一个高精度、低功耗的温控器，其温度门限(vt2和vt1)是由三个外部电阻对内部的1.25v带隙基准电压的方法产生的。lm有两个数字输出out1和out2，当温度超过t1时，out1变低；而当温度低于t1-thyst时，out1又变高；同样的，当温度超过t2，out2变低；而当温度低于t2-thyst，out2又变高。thyst内部设置为5度。内置温度传感器输出电压表达式为vtemp=(6.20mv/。c*t)+395mv。4.3温度控制部分的设计 图4-3 温度控制电路 图4-4 lm56输出电平电路本设计要求温度可以设定，并要求温度被控制在设定的值附近，由上两图可知，当测量的温度低于设定的温度值t1时，温度传感器的阻值发生改变，out2输出为高电平，光电耦合器1导通，加热器开始工作，out1输出为低电平，光电耦合器2截止，制冷器停止工作，使温度上升；当测量的温度高于设定的温度值t2时，温度传感器的阻值发生改变，out2输出为低电平，光电耦合器1截止，加热器停止工作，out1输出为高电平，光电耦合器2导通，制冷器开始工作，使温度降低；通过上述方法温度将被控制在设定值附近。同时因为需控制温度在36-42，所以根据vt1=1.25v*(r1)/(r1+r2+r3) vt2=1.25*(r1+r2)/(r1+r2+r3),假设设定r1+r2+r3=10，则由vt1或vt2=6.2mv/ *t+395mv，所以得r1=vt1/（1.25v）*27k=13.353kr2=vt2/（1.25v）*27k-r1=0.804k r3=27k-r1-r2=22.843k4.4声光报警系统报警模块的电路图如图4-4所示。电路由电阻、npn三极管和蜂鸣器构成。当温度超过报警温度时，由单片机的脚发出一个4 khz的方波来驱动蜂鸣器发出报警声。声光报警部分流程图如下图4-5。图4-5 声光报警电路4.5显示电路根据技术要求需将湿度测量结果显示出来，考虑到显示电路如不用译码器则电路会较复杂，为简化电路便于安装、调试，我采用了译码驱动电路。如图4-4所示。图4-6数码管显示电路4.6光电隔离电路图4-7光电隔离电路在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：（1）光耦合器的电流传输比(ctr)的允许范围是50%200%。这是因为当ctr50%时，光耦中的led就需要较大的工作电流(if5.0ma)，才能正常控制单片开关电源ic的占空比，这会增大光耦的功耗。若ctr200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。（2）推荐采用线性光耦合器，其特点是ctr值能够在一定范围内做线性调整。4.7湿度采集 硅湿敏电阻器是由硅粉掺人少量金属氧化物烧结而成的，具有电阻值随大气相对湿度变化而变化的特性。湿度发生变化时，湿敏电阻器msoi-b的电阻发生变化，从而为后面的控制电路提供电压变化。4.8湿度控制电路 mosi-b硅湿敏传感器检测的交流信号，经vd5-vd8全桥整流，c5滤波，得到的直流电压，经湿度调节器rp1取样，与比较器lm339相连。当湿度低时，上面的比较器输出变为高电平，该信号直接加到d触发器，使触发器也输出高电平，从而使vt1管导通，继电器ka线圈得以吸合，其常开触电闭合，使加湿设备停止工作。 随着湿度的降下，msoi-b传感器电阻随之增大，整流滤波以后电压随之下降，从而使比较器输出使d触发器复位，vt1管截止，继电器ka线圈断电释放，常开触电闭合，加湿设备重新开始工作，从而实现了湿度自动控制的目的。5 系统软件分析5.1 软件流程图开始关看门狗各功能模块初始化设置工作参数采集电压值计数器所计值与设置值比较声光报警电路结束由p口输入至译码器ad转换不在范围内在 图5-1单片机系统软件流程图6 元器件清单名称型号数量备注湿敏传感器msoi-b1碳膜电阻若干电桥in40042电感2比较器lm3392d触发器cd40131电容若干温控器lm561二极管2三端器im78051led数码管4七段数码管继电器1光电耦合器2三极管4npn/pnp发光二极管1蜂鸣器1单片机c80511电源若干译码器74ls471加湿器1加热器1制冷器17主要元器件介绍7.1 温控器lm56简介7.2 硅湿敏传感器简介硅湿敏电阻器是由硅粉掺人少量金属氧化物烧结而成的，具有电阻值随大气相对温度变化而变化的特性。 硅湿敏电阻器具有以下特点: 体积小，重量轻，寿命长，成本低，且具有优良的机械强度。 抗水性好。可在相对湿度很大或很小(10o%rh-o%rh)的环境中重复使用，在，l0o%rh的水蒸气里可照常工作，甚至短时司内浸大水中也不致完全失效。 响应时间短。比如在2o时，把湿敏电阻从30%rh环境移入90%rh环境中，当电阻值改变全程的63%，响应时间不大于55。 抗污染能力强。抗污染能力的好坏直接影响湿敏元件工作可靠性及使用寿命。硅湿敏电阻器的抗污染能力极强，在微量的碱、酸、盐及灰尘空气中可证常工作，不会失效。阻值变化范围大。在温度为2oc的条件下相对湿度在30%rh-90%rh范围变化时，元件的阻值在数量级范围内变化，常用阻值位于一个容易测量的范围内 (70%rh时为4ok)。7.3比较器lm339简介lm339的特点和一些参数1）电压失调小，一般是2mv；2）共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v；3）他对比较信号源的内阻限制很宽；4）lm339 vcc电压范围宽，单电源为2-36v，双电源电压为1v-18v；5）输出端电位可灵活方便地选用。6）差动输入电压范围很大，甚至能等于vcc； lm339集成块采用c-14型封装，外型及管脚排列如图。由于lm339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大ic生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如ir2339、ani339、sf339等，它们的参数基本一致，可互换使用。lm339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择lm339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mv就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把lm339用在弱信号检测等场合是比较理想的。lm339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15k）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。7.4译码器74ls47简介74ls47是输出低电平有效的七段字形译码器，该电路的输出为低电平时有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时对应字段熄灭。该译码器能够驱动七段显示器显示015共16个数字的字形。输入a3、a2，a1和a0接受4位二进制码，输出qa、qb、qc、qd、qe、qf和qg分别驱动七段显示器的a、b、c、d、e、f和g段。7 个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的bcd 数据及其补码至7 个与或非译码门。剩下的与非门和3 个输入缓冲器作为试灯输入（lt）端、灭灯输入/动态灭灯输出(bi/rbo)端及动态灭灯输入(rbi )端。它在这里与数码管配合使用，它与数码管之间的关系如下： (1)lt()：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当lt()=0时，无论输入a3 ，a2 ，a1 ，a0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。 (2)bi()：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。bi()=0时。不论lt()和输入a3 ，a2 ，a1，a0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。(3)rbi(-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位a3= a2 =a1 =a0=0时，本应显示0，但是在rbi(-)=0作用下，使译码器输出全1。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。(4)rbo()：灭零输出，它和灭灯输入bi()共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。图7-1 74ls47引脚图7.5 单片机c8051简介c8051f020单片机是cygnal公司生产的，它是完全集成的混合信号系统级芯片(soc)。采用全速、非侵入式在系统调试接口，提供c编译调试环境，可以大大提高产品开发速度和效率。我们使用的c8051单片机是目前各大高校及市场上应用最广泛的单片机型.其内部包含: 一个8位的cpu;4k的程序存储空间rom;128字节的ram数据存储器;两个16位的定时/计数器;可寻址64kb外部数据存储器和64kb外部程序存储器空间的控制电路;32条可编程的i/o线;具有两个优先级嵌套的中断结构的5个中断源。其引脚图如下图7-3。图7-2 c8051引脚图7.6 led显示器简介led数码管分共阳极与共阴极两种，其工作特点是，当笔段电极接低电平，公共阳极接高电平时，相应笔段可以发光。共阴极led数码管则与之相反，它是将发光二极管的阴极(负极)短接后作为公共阴极。当驱动信号为高电平、端接低电平时，才能发光。led数码管等效于多只具有发光性能的pn结。当pn结导通时，依靠少数载流子的注人及随后的复合而辐射发光，其伏安特性与普通二极管相似。在正向导通之前，正向电流近似于零，笔段不发光。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升，笔段发光。因此，led数码管属于电流控制型器件，其发光亮度l与正向电流if有关，用公式表示：l=kif即亮度与正向电流成正比。led的正向电压u，则与正向电流以及管芯材料有关。使用led数码管时，工作电流一般选10ma左右段，既保证亮度适中，又不会损坏器件。图7-3 led显示器引脚图小 结两周的传感器课设结束了，虽然也许自己掌握的知识并不是很精，但是我仍了解了很多有关专业课的知识，让我觉得这两周过的非常充实，当然也挺累。在这次传感器课程设计我设计的题目是孵化室温湿度监控电路，按照要求，在这次设计中要实现的功能有：孵化室温度控制在3642，温度低时启动加热器加热，温度高时，启动制冷器冷却。报警指示，当温度大于42或低于36时，用声光报警 ，所以我用温控器lm56进行温度控制，lm56内部的温度传感器检测温度，在内部比较器进行比较，控制6.7脚输出，从而通过6.7脚的输出来控制加热器和制冷器的工作；湿度要求保持在相对湿度55 60范围内，所以我用硅湿度传感器进行湿度测量，湿度变化时传感器的电阻发生变化，从而导致比较器电势高低的变化，从而控制加湿器的工作，湿度低时则加湿器工作，高时则加湿器停止工作。 本次课程设计虽然是传感器的课程设计，但是在设计过程中应用到了单片机、模拟电子、数字电子等等方面的知识。因此，这次课程设计是一次综合性的设计。这次的课程设计让我学会了如何去培养我的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻言放弃。传感器课程设计虽然结束了，但通过设计所学到的东西将长久存在。相信这次设计带给我的严谨学习态度和一丝不苟的科学作风将会给我未来的工作和学习打下一个更坚实的基础。致 谢两周的传感器课程设计已经结束，能够在这短短的时间里很的完成任务，得益于各位老师的指导和帮助，也有同学的互助和自己的辛苦努力。团队的力量是必须的，领头的更是作用更大，同组之间是团队