傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)孵化室溫濕度控制電路設(shè)計(jì)

1、中文摘要傳感器是一類用途十分廣泛的器件，無論在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中還是國防建設(shè)中，傳感器都扮演著非常重要的角色。傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器不僅充當(dāng)著計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備的感覺器官及機(jī)電結(jié)合的接口，而且已滲透到人類生命、生活的各個(gè)領(lǐng)域。從太空到海洋，從各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)到人們?nèi)粘Ｉ畹囊率匙⌒?，都離不開各種各樣的傳感器。當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代，生產(chǎn)、養(yǎng)殖等好多行業(yè)的設(shè)備都與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。目前在中國，絕大部分的養(yǎng)殖場的溫濕度的檢測還停留在人工測量和記錄的水平上，沒有一個(gè)科學(xué)的高技術(shù)的測試系統(tǒng)。因此，一個(gè)好的養(yǎng)殖場的

2、溫濕度的控制系統(tǒng)，將給養(yǎng)殖場帶來該方面的技術(shù)革新。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)在儀表中的應(yīng)用日益廣泛。單片機(jī)將中央處理器、程序儲(chǔ)存器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行串行輸入輸出口和中斷部件等單元集成在一個(gè)芯片上，使系統(tǒng)的體積縮小，價(jià)格便宜，性能可靠。本次設(shè)計(jì)中，我課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容孵化室溫濕度控制，可以實(shí)現(xiàn)的功能有：孵化室溫控制在3642，溫度低時(shí)啟動(dòng)加熱器加熱，溫度高時(shí)，啟動(dòng)制冷器冷卻。報(bào)警指示，當(dāng)溫度大于42或低于36時(shí)，用聲光報(bào)警；控制濕度保持在一定范圍內(nèi)，濕度低則加濕，高則加濕器停止工作；同時(shí)將溫度傳感器來采集溫度的變化，經(jīng)過放大電路放大后，進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出；顯示模塊

3、直接連接數(shù)碼管構(gòu)成，顯示實(shí)際測量值。關(guān)鍵詞：溫控器，濕度傳感器，單片機(jī)，數(shù)碼管，顯示1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)目的：（1）了解溫濕度檢測和控制技術(shù)的基本知識(shí)以及電工電子學(xué)、單片機(jī)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。    （2）初步掌握常用測溫、測濕方法的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，并選擇恰當(dāng)方法應(yīng)用于本設(shè)計(jì)。  （3）通過學(xué)習(xí)，具體掌握所選擇測溫、測濕方法和相關(guān)傳感器的使用特點(diǎn)和方法。1.2 基本要求（1）孵化室對溫度有一定要求，溫度是否合適直接影響孵化效果，為此需要對溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，主要指標(biāo)如下：孵化室溫控制在3642，溫度低時(shí)啟動(dòng)電熱器加熱，溫

4、度高時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇冷卻。報(bào)警指示，當(dāng)溫度大于42或低于36時(shí)，用聲光報(bào)警。孵化室濕度要求保持在相對濕度55 60范圍內(nèi)，超出該范圍要求聲光報(bào)警。 （2）要求設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件電路，選擇合適的傳感器、控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。 （3）要有相應(yīng)的控制算法（軟件流程圖）。1.3 發(fā)揮部分 自由發(fā)揮2設(shè)計(jì)思路該系統(tǒng)溫度的測量是通過雙輸出低功耗的溫控器lm56來實(shí)現(xiàn)的，它是一個(gè)高精度、低功耗的溫控器，其溫度門限是由三個(gè)外部電阻對內(nèi)部的1.25v帶隙基準(zhǔn)電壓的方法產(chǎn)生的。同時(shí)將引腳6、7腳的輸出通過控制光耦來控制加熱器和制冷器的啟動(dòng)與關(guān)閉，將5腳的模擬溫度值通過單片機(jī)ad轉(zhuǎn)換譯碼器轉(zhuǎn)換通過數(shù)碼管顯示出來；濕度的測量是

5、通過硅濕敏傳感器msoi-b來實(shí)現(xiàn)的，硅濕敏電阻器是由硅粉摻人少量金屬氧化物燒結(jié)而成的，具有電阻值隨大氣相對溫度變化而變化的特性。檢測電路由比較器lm339、雙d觸發(fā)器cd4013中一只、繼電器等組成，再通過繼電器來控制加濕器的工作。單片機(jī)工作需要給它一個(gè)5v的直流電源，這就需要一個(gè)穩(wěn)壓的過程，把220v交流電壓通過變壓器、整流橋、二極管、穩(wěn)壓器、濾波電容轉(zhuǎn)換成5v直流電壓。把傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼器顯示在液晶屏上，同時(shí)控制聲光報(bào)警電路，當(dāng)溫度大于42或低于36時(shí)，用聲光報(bào)警，同時(shí)制冷器或加熱器工作，是孵化室溫度控制在要求范圍內(nèi)；當(dāng)孵化室濕度在相對濕度55 60范圍外時(shí)，加濕器會(huì)相應(yīng)的工作，

6、從而使孵化室濕度在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。3設(shè)計(jì)方框圖溫度采集溫度控制電路42364236單片機(jī)制冷器加熱器穩(wěn)壓電路顯示電路濕度采集繼電器濕度控制電路加濕器啟停4各部分電路設(shè)計(jì)和過程分析4.1.穩(wěn)壓源部分電路的設(shè)計(jì)電源穩(wěn)壓及過零檢測電路由變壓器tf、整流橋rb、二極管d、三端穩(wěn)壓器7805、整形電路和濾波電容c1、c2組成。電路如下圖4-1所示圖4-1穩(wěn)壓源電路變壓器tf將220v的交流電壓轉(zhuǎn)換為5v低壓，并利用整流橋rb轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)直流電壓。然后通過二極管d經(jīng)濾波電容c1和c2濾波后，生成無紋波的直流電壓。直流電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后，形成5v直流電壓。二極管d在脈動(dòng)直流電壓和濾波后的直流電壓之

7、間起隔離的作用。4.2溫度采集部分 圖4-2 lm56內(nèi)部電路 lm56是一個(gè)高精度、低功耗的溫控器，其溫度門限(vt2和vt1)是由三個(gè)外部電阻對內(nèi)部的1.25v帶隙基準(zhǔn)電壓的方法產(chǎn)生的。lm有兩個(gè)數(shù)字輸出out1和out2，當(dāng)溫度超過t1時(shí)，out1變低；而當(dāng)溫度低于t1-thyst時(shí)，out1又變高；同樣的，當(dāng)溫度超過t2，out2變低；而當(dāng)溫度低于t2-thyst，out2又變高。thyst內(nèi)部設(shè)置為5度。內(nèi)置溫度傳感器輸出電壓表達(dá)式為vtemp=(6.20mv/。c*t)+395mv。4.3溫度控制部分的設(shè)計(jì) 圖4-3 溫度控制電路 圖4-4 lm56輸出電平電路本設(shè)計(jì)要求溫度可以設(shè)

8、定，并要求溫度被控制在設(shè)定的值附近，由上兩圖可知，當(dāng)測量的溫度低于設(shè)定的溫度值t1時(shí)，溫度傳感器的阻值發(fā)生改變，out2輸出為高電平，光電耦合器1導(dǎo)通，加熱器開始工作，out1輸出為低電平，光電耦合器2截止，制冷器停止工作，使溫度上升；當(dāng)測量的溫度高于設(shè)定的溫度值t2時(shí)，溫度傳感器的阻值發(fā)生改變，out2輸出為低電平，光電耦合器1截止，加熱器停止工作，out1輸出為高電平，光電耦合器2導(dǎo)通，制冷器開始工作，使溫度降低；通過上述方法溫度將被控制在設(shè)定值附近。同時(shí)因?yàn)樾杩刂茰囟仍?6-42，所以根據(jù)vt1=1.25v*(r1)/(r1+r2+r3) vt2=1.25*(r1+r2)/(r1+r2+

9、r3),假設(shè)設(shè)定r1+r2+r3=10，則由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聲光報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警模塊的電路圖如圖4-4所示。電路由電阻、npn三極管和蜂鳴器構(gòu)成。當(dāng)溫度超過報(bào)警溫度時(shí)，由單片機(jī)的腳發(fā)出一個(gè)4 khz的方波來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。聲光報(bào)警部分流程圖如下圖4-5。圖4-5 聲光報(bào)警電路4.5顯示電路根據(jù)技術(shù)要求需將濕度測量結(jié)果顯示出來，考慮到顯示電路如不用譯碼器則電路會(huì)較復(fù)雜，為簡化電路便于安裝、調(diào)試，我采用了

10、譯碼驅(qū)動(dòng)電路。如圖4-4所示。圖4-6數(shù)碼管顯示電路4.6光電隔離電路圖4-7光電隔離電路在設(shè)計(jì)光耦反饋式開關(guān)電源時(shí)必須正確選擇線性光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下：（1）光耦合器的電流傳輸比(ctr)的允許范圍是50%200%。這是因?yàn)楫?dāng)ctr50%時(shí)，光耦中的led就需要較大的工作電流(if5.0ma)，才能正常控制單片開關(guān)電源ic的占空比，這會(huì)增大光耦的功耗。若ctr200%，在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，有可能將單片開關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。（2）推薦采用線性光耦合器，其特點(diǎn)是ctr值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。4.7濕度采集 硅濕敏電阻器是由硅粉摻人少量金屬氧化物燒結(jié)而成的，

11、具有電阻值隨大氣相對濕度變化而變化的特性。濕度發(fā)生變化時(shí)，濕敏電阻器msoi-b的電阻發(fā)生變化，從而為后面的控制電路提供電壓變化。4.8濕度控制電路 mosi-b硅濕敏傳感器檢測的交流信號(hào)，經(jīng)vd5-vd8全橋整流，c5濾波，得到的直流電壓，經(jīng)濕度調(diào)節(jié)器rp1取樣，與比較器lm339相連。當(dāng)濕度低時(shí)，上面的比較器輸出變?yōu)楦唠娖?，該信?hào)直接加到d觸發(fā)器，使觸發(fā)器也輸出高電平，從而使vt1管導(dǎo)通，繼電器ka線圈得以吸合，其常開觸電閉合，使加濕設(shè)備停止工作。 隨著濕度的降下，msoi-b傳感器電阻隨之增大，整流濾波以后電壓隨之下降，從而使比較器輸出使d觸發(fā)器復(fù)位，vt1管截止，繼電器ka線圈斷電釋放

12、，常開觸電閉合，加濕設(shè)備重新開始工作，從而實(shí)現(xiàn)了濕度自動(dòng)控制的目的。5 系統(tǒng)軟件分析5.1 軟件流程圖開始關(guān)看門狗各功能模塊初始化設(shè)置工作參數(shù)采集電壓值計(jì)數(shù)器所計(jì)值與設(shè)置值比較聲光報(bào)警電路結(jié)束由p口輸入至譯碼器ad轉(zhuǎn)換不在范圍內(nèi)在 圖5-1單片機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖6 元器件清單名稱型號(hào)數(shù)量備注濕敏傳感器msoi-b1碳膜電阻若干電橋in40042電感2比較器lm3392d觸發(fā)器cd40131電容若干溫控器lm561二極管2三端器im78051led數(shù)碼管4七段數(shù)碼管繼電器1光電耦合器2三極管4npn/pnp發(fā)光二極管1蜂鳴器1單片機(jī)c80511電源若干譯碼器74ls471加濕器1加熱器1制冷器17

13、主要元器件介紹7.1 溫控器lm56簡介7.2 硅濕敏傳感器簡介硅濕敏電阻器是由硅粉摻人少量金屬氧化物燒結(jié)而成的，具有電阻值隨大氣相對溫度變化而變化的特性。 硅濕敏電阻器具有以下特點(diǎn): 體積小，重量輕，壽命長，成本低，且具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度。 抗水性好?？稍谙鄬穸群艽蠡蚝苄?10o%rh-o%rh)的環(huán)境中重復(fù)使用，在，l0o%rh的水蒸氣里可照常工作，甚至短時(shí)司內(nèi)浸大水中也不致完全失效。 響應(yīng)時(shí)間短。比如在2o時(shí)，把濕敏電阻從30%rh環(huán)境移入90%rh環(huán)境中，當(dāng)電阻值改變?nèi)痰?3%，響應(yīng)時(shí)間不大于55。 抗污染能力強(qiáng)?？刮廴灸芰Φ暮脡闹苯佑绊憹衩粼ぷ骺煽啃约笆褂脡勖９铦衩綦娮杵鞯目?/p>

14、污染能力極強(qiáng)，在微量的堿、酸、鹽及灰塵空氣中可證常工作，不會(huì)失效。阻值變化范圍大。在溫度為2oc的條件下相對濕度在30%rh-90%rh范圍變化時(shí)，元件的阻值在數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)變化，常用阻值位于一個(gè)容易測量的范圍內(nèi) (70%rh時(shí)為4ok)。7.3比較器lm339簡介lm339的特點(diǎn)和一些參數(shù)1）電壓失調(diào)小，一般是2mv；2）共模范圍非常大，為0v到電源電壓減1.5v；3）他對比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制很寬；4）lm339 vcc電壓范圍寬，單電源為2-36v，雙電源電壓為±1v-±18v；5）輸出端電位可靈活方便地選用。6）差動(dòng)輸入電壓范圍很大，甚至能等于vcc； lm339集成塊

15、采用c-14型封裝，外型及管腳排列如圖。由于lm339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大ic生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如ir2339、ani339、sf339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。lm339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇lm339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，

16、輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mv就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把lm339用在弱信號(hào)檢測等場合是比較理想的。lm339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15k）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。7.4譯碼器74ls47簡介74ls47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，該電路的輸出為低電平時(shí)有效，即輸出為0時(shí)，對應(yīng)字段點(diǎn)亮；輸出為1時(shí)對應(yīng)字段熄

17、滅。該譯碼器能夠驅(qū)動(dòng)七段顯示器顯示015共16個(gè)數(shù)字的字形。輸入a3、a2，a1和a0接受4位二進(jìn)制碼，輸出qa、qb、qc、qd、qe、qf和qg分別驅(qū)動(dòng)七段顯示器的a、b、c、d、e、f和g段。7 個(gè)與非門和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器成對連接，以產(chǎn)生可用的bcd 數(shù)據(jù)及其補(bǔ)碼至7 個(gè)與或非譯碼門。剩下的與非門和3 個(gè)輸入緩沖器作為試燈輸入（lt）端、滅燈輸入/動(dòng)態(tài)滅燈輸出(bi/rbo)端及動(dòng)態(tài)滅燈輸入(rbi )端。它在這里與數(shù)碼管配合使用，它與數(shù)碼管之間的關(guān)系如下： (1)lt()：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設(shè)置的。當(dāng)lt()=0時(shí)，無論輸入a3 ，a2 ，a1 ，a0為何種狀態(tài)，

18、譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管正常，是顯示8。 (2)bi()：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)置的。bi()=0時(shí)。不論lt()和輸入a3 ，a2 ，a1，a0為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極7段數(shù)碼管熄滅。(3)rbi(-)：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設(shè)定的。當(dāng)對每一位a3= a2 =a1 =a0=0時(shí)，本應(yīng)顯示0，但是在rbi(-)=0作用下，使譯碼器輸出全1。其結(jié)果和加入滅燈信號(hào)的結(jié)果一樣，將0熄滅。(4)rbo()：滅零輸出，它和滅燈輸入bi()共用一端，兩者配合使用，可以實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。圖7-1 74ls47引腳圖7.5 單片機(jī)c80

19、51簡介c8051f020單片機(jī)是cygnal公司生產(chǎn)的，它是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(soc)。采用全速、非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試接口，提供c編譯調(diào)試環(huán)境，可以大大提高產(chǎn)品開發(fā)速度和效率。我們使用的c8051單片機(jī)是目前各大高校及市場上應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)型.其內(nèi)部包含: 一個(gè)8位的cpu;4k的程序存儲(chǔ)空間rom;128字節(jié)的ram數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器;可尋址64kb外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64kb外部程序存儲(chǔ)器空間的控制電路;32條可編程的i/o線;具有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套的中斷結(jié)構(gòu)的5個(gè)中斷源。其引腳圖如下圖7-3。圖7-2 c8051引腳圖7.6 led顯示器簡介led數(shù)碼管分共陽極與

20、共陰極兩種，其工作特點(diǎn)是，當(dāng)筆段電極接低電平，公共陽極接高電平時(shí)，相應(yīng)筆段可以發(fā)光。共陰極led數(shù)碼管則與之相反，它是將發(fā)光二極管的陰極(負(fù)極)短接后作為公共陰極。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平、端接低電平時(shí)，才能發(fā)光。led數(shù)碼管等效于多只具有發(fā)光性能的pn結(jié)。當(dāng)pn結(jié)導(dǎo)通時(shí)，依靠少數(shù)載流子的注人及隨后的復(fù)合而輻射發(fā)光，其伏安特性與普通二極管相似。在正向?qū)ㄖ?，正向電流近似于零，筆段不發(fā)光。當(dāng)電壓超過開啟電壓時(shí)，電流就急劇上升，筆段發(fā)光。因此，led數(shù)碼管屬于電流控制型器件，其發(fā)光亮度l與正向電流if有關(guān)，用公式表示：l=kif即亮度與正向電流成正比。led的正向電壓u，則與正向電流以及管芯材料有關(guān)。

21、使用led數(shù)碼管時(shí)，工作電流一般選10ma左右段，既保證亮度適中，又不會(huì)損壞器件。圖7-3 led顯示器引腳圖小 結(jié)兩周的傳感器課設(shè)結(jié)束了，雖然也許自己掌握的知識(shí)并不是很精，但是我仍了解了很多有關(guān)專業(yè)課的知識(shí)，讓我覺得這兩周過的非常充實(shí)，當(dāng)然也挺累。在這次傳感器課程設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)的題目是孵化室溫濕度監(jiān)控電路，按照要求，在這次設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能有：孵化室溫度控制在3642，溫度低時(shí)啟動(dòng)加熱器加熱，溫度高時(shí)，啟動(dòng)制冷器冷卻。報(bào)警指示，當(dāng)溫度大于42或低于36時(shí)，用聲光報(bào)警 ，所以我用溫控器lm56進(jìn)行溫度控制，lm56內(nèi)部的溫度傳感器檢測溫度，在內(nèi)部比較器進(jìn)行比較，控制6.7腳輸出，從而通過6.7腳的

22、輸出來控制加熱器和制冷器的工作；濕度要求保持在相對濕度55 60范圍內(nèi)，所以我用硅濕度傳感器進(jìn)行濕度測量，濕度變化時(shí)傳感器的電阻發(fā)生變化，從而導(dǎo)致比較器電勢高低的變化，從而控制加濕器的工作，濕度低時(shí)則加濕器工作，高時(shí)則加濕器停止工作。 本次課程設(shè)計(jì)雖然是傳感器的課程設(shè)計(jì)，但是在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用到了單片機(jī)、模擬電子、數(shù)字電子等等方面的知識(shí)。因此，這次課程設(shè)計(jì)是一次綜合性的設(shè)計(jì)。這次的課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)了如何去培養(yǎng)我的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。更重要的是，我在這一設(shè)計(jì)過程中，學(xué)會(huì)了堅(jiān)持不懈，不輕言放棄。傳感器課程設(shè)計(jì)雖然結(jié)束了，但通過設(shè)計(jì)所學(xué)到的東西將長久存在。相信這次設(shè)計(jì)帶給我的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)習(xí)態(tài)度和一絲不茍的科學(xué)作風(fēng)將會(huì)給我未來的工作和學(xué)習(xí)打下一個(gè)更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。致 謝兩周的傳感器課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，能夠在這短短的時(shí)間里很的完成任務(wù)，得益于