8路溫度巡回檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

1、此系統(tǒng)全部使用硬件搭建，未使用單片機(jī)，無(wú)需編程，芯片采用了74系列，在8 路巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)一、摘 要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、系統(tǒng)化已成為發(fā)展趨勢(shì)，而這些高性能幾乎都要通過(guò)電子電路實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)，溫度作為與我們生活息息相關(guān)的一 個(gè)環(huán)境參數(shù)，對(duì)其的測(cè)量和研究也變得極為重要。本實(shí)驗(yàn)基于數(shù)字、模擬電子電路相 關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了 8 路溫度巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括 555時(shí)鐘電路、計(jì)數(shù)與譯 碼顯示電路、撥碼開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)選擇電路、蜂鳴報(bào)警電路、電壓比較電路、 Pt1OO 測(cè)溫 電路等模塊。各模塊焊接前均用 Multisim 軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真。 8 路通道中， 有 6 路采用撥

2、碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的工作狀態(tài)模擬， 1 路采用滑動(dòng)變阻器與窗口比較器 實(shí)現(xiàn)通道的工作狀態(tài)模擬，還有1路為熱電阻PtIOO的測(cè)溫電路，且后兩路通道均設(shè) 置兩個(gè)閾值， 可檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)是否處于正常范圍之內(nèi)。 該系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€(gè)通道的工作狀態(tài)（如溫度）是否正常進(jìn)行巡回檢測(cè)。當(dāng)某一通道出現(xiàn)故障（如超溫）時(shí)，由 巡回檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并顯示故障的通道號(hào)， 故障排除后，系統(tǒng)可繼續(xù)進(jìn)行巡回檢測(cè)。二、設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)選題選題八：8路巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.2設(shè)計(jì)任務(wù)要求基本要求：用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器、顯示譯碼器和適當(dāng)門電路設(shè)計(jì)個(gè)8路循環(huán)檢測(cè)報(bào)警器，循環(huán)檢測(cè)周期不超過(guò) 8秒。當(dāng)某一路出現(xiàn)故障(如超

3、溫)時(shí) 停止檢測(cè)，并且發(fā)出報(bào)警和顯示故障的通道號(hào)；2路電源電壓擴(kuò)展要求1:電源電壓模擬：要求采用滑動(dòng)變阻器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)輸出的模擬。電壓比較器可設(shè)定上、下限電壓報(bào)警值;擴(kuò)展要求2:實(shí)現(xiàn)1路熱電阻PtIOO的測(cè)溫電路。三、方案設(shè)計(jì)與論證接通電源后，555芯片在3 口輸出10Hz的時(shí)鐘信號(hào)，在此信號(hào)的控制下，74IS160 開(kāi)始在07內(nèi)循環(huán)計(jì)數(shù)，通過(guò)QA QB QC QC輸出BCD碼到74ls47和74ls151的A,B, C端口。八路通道的電壓輸出值送入 74LS151八路數(shù)據(jù)選擇器的D0D7端，74LS151 的丫和W互為反碼形式輸出，丫接74LS160的控制端ENT W接蜂鳴器。正常情況下，W輸

4、出為低電平，無(wú)法驅(qū)動(dòng)三極管，蜂鳴器不響。當(dāng)有某一路或多路出現(xiàn)故障 時(shí)，丫端輸出為低電平，計(jì)數(shù)器74LS160停止計(jì)數(shù)，QA QB,QC俞出數(shù)據(jù)保持為出現(xiàn)故障時(shí)接受的二進(jìn)制碼，通過(guò)譯碼器在共陽(yáng)數(shù)碼管上顯示的是一個(gè)不變的值，即故障通道號(hào)，W端輸出一個(gè)高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響。系統(tǒng)方框圖見(jiàn)圖1:圖1系統(tǒng)方框圖滿足題目要求的前提下降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，且硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。四、電路單元參數(shù)的選定和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4.1 555時(shí)鐘電路將555接成多諧振蕩器，當(dāng)RST為高電平時(shí)電路正常工作。DIS端為555芯片內(nèi)部 三極管的集電極，當(dāng)輸出為高時(shí)，DIS端電壓被拉低至OV,電容C1通過(guò)D2,R2放電,

5、反之，輸出為低時(shí)，VCC!過(guò)R1，D1給C1充電。電路參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下:充電時(shí)間:T1 =Ln2* Ci* R放電時(shí)間:T2 = Ln2* Ci * R2振蕩周期:T =Ti +T2 =Ln2* C1 *( R +R2)f =1OHz可 得:Ci=O.1uF，C2 =O.1uF，Ri=750k，R 750k電路圖如圖2所示:VCC5VU2R1R2750kQ750k62UTcalfHIO,OtuFIXSClExlTrlg.,圖2555時(shí)鐘電路輸出端仿真波形如圖3所示:,百IOk 訓(xùn) oscope-XSClmReverse500.000 mV 500.000 mVO.OOOVTimeiri3450

6、,001 ms0.000 5Charnd.A Clianriel_0TimebaseScale: 50 ms/DffvX P03H（piv）: ”3回両麗両Chanel AScale; 200 mVivypos.CDiv）;I疋e回Chanrtel BScale: 5 V/Divypos,piv）j 0醫(yī)回回口Save丿 Ejrt, triggerTriggerEdge； Sub 區(qū) B E:tLevel; 0vI Single jNormal |Auto屁ine |圖3555仿真輸出波形4.2計(jì)數(shù)與譯碼顯示電路在時(shí)鐘信號(hào)作用下，當(dāng)數(shù)據(jù)控制端處于高電平時(shí),74IS160開(kāi)始計(jì)數(shù)，通過(guò)QA，QB

7、, QC, QD輸出BCD碼到74ls47的A，B，C，D端,數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前檢測(cè)的通道號(hào)。計(jì)數(shù)至8時(shí)QD（ D為最高位）端出現(xiàn)高電平，通過(guò)反相器 74IS04輸出一個(gè)低電平接回74IS160的CLR端，計(jì)數(shù)清零，重新在0-7之間循環(huán)計(jì)數(shù)。采用74IS47驅(qū)動(dòng)顯示譯碼電路，顯示部分使用的是共陽(yáng)數(shù)碼管，74IS47的OA-OG 輸出端分別接數(shù)碼管的 AG,，完成對(duì)74IS160計(jì)數(shù)的同步顯示。通過(guò)上拉電阻對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行分壓限流。經(jīng)查詢，得知LED數(shù)碼顯示模塊的工作電壓為1.66V，工作電流為10mA。上拉電阻阻值計(jì)算為:R=* 二需34 （取 300）數(shù)碼管顯示電路如圖4所示:VCC11F L

8、1111.-.-.LOAE-CLK -T4LS160D-p1-/30& Q R4茫瞿2霊皿二VCC5VVJ圖4數(shù)碼管顯示電路4.3撥碼開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)選擇電路八路通道參數(shù)由撥碼開(kāi)關(guān)模擬，送入74LS151八個(gè)數(shù)據(jù)輸入口，其中A,B,C為數(shù)據(jù)選擇端口。正常情況下，丫為高電平，-W輸出為低電平，故障時(shí)，丫為低電平,W輸出為高電平。為防止電流過(guò)大，撥碼開(kāi)關(guān)接有上拉電阻。74LS151的輸出邏輯式為:丫 =Do（ABC） +Di（ABC） +D2（ABC ）+D3（ ABC）+D4（ABC） + D5（ ABC） + D6（ ABC） + D7（ABC ）L W =Y I （即卩丫和W互為反碼形式輸出）撥碼

9、開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)選擇電路如圖5所示:74LS1I5W15圖5撥碼開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)選擇電路4.4蜂鳴器報(bào)警電路正常情況下，W輸出為低電平，無(wú)法驅(qū)動(dòng)三極管，蜂鳴器不響，當(dāng)有某一路或 多路出現(xiàn)故障時(shí)，74IS151芯片的W腳輸出一個(gè)高電平（經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)為3.7V），三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響，數(shù)碼管顯示故障通道號(hào)。蜂鳴器報(bào)警電路如圖6所示:LS1VCC5VBUZZER200 HzQI- R12j -b I.OkQ.r2N2222圖6蜂鳴器報(bào)警電路4.5電壓比較電路電壓比較電路由兩部分組成，電位器R15和電阻R16組成分壓電路，并將電壓接入由LM324搭建的窗口比較電路。調(diào)節(jié)電位器R15改變輸入電壓6 oUlcUyUh時(shí)

10、比較器輸出低電平，Ui cUl或Ui aUh時(shí)比較器輸出高電平。比較器輸出電壓經(jīng)過(guò) 一個(gè)反相器后接入 74LS151的D3端口，即可實(shí)現(xiàn)ULUiUh時(shí)電路停止檢測(cè)且蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警。取 R3=R13=1kQR14=510Q R15=20K Q R16=3.3KQ比較器的閾值電壓為:R13Ul 飛 +Ri3+Ri4VCC=2VUh 飛：R：；R 7嚴(yán)電壓比較電路如圖7所示:圖7電壓比較電路4.6測(cè)溫電路采用R18、R19、R20、Pt100構(gòu)成單臂測(cè)量電橋（其中R18= R19=R20=R）,當(dāng)Pt100的電阻值和R的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè) mV級(jí)的壓差信號(hào)U1，U1經(jīng)過(guò)運(yùn)放LM324放大后

11、輸出期望大小的電壓信號(hào) U2,電路中R25=R26、R27=R28,放大倍數(shù)=R27/R25,運(yùn)放采用單一 5V供電。Pt100阻值改變時(shí)，U2的阻值大小、正負(fù)也隨之改變，因此，采用雙路放大，可保證 Pt100R、Pt100R時(shí)輸出總為高電平，Pt100=RW輸出為低電平。該輸出信號(hào)的高低電平區(qū)分不明顯，串聯(lián)接入兩個(gè)反相器后接連74IS151的輸入端D2。Pt100熱電阻分度表如下:溫度CPT100阻值 Q傳感兩端電壓 mV0100.00124.381100.39124.850119.40147.79100138.51170.64150157.33192.93200175.86214.6825

12、0194.10235.90300212.05256.59350229.72276.79400247.09296.48450264.18315.69500280.98334.42經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室室溫下，Pt100阻值為109Q，所以取電橋電R=120Q具體計(jì)算過(guò)程如下:R= RPt1oo R電橋輸出電壓Ur = 也R4RU2R27u1R25運(yùn)放輸出電壓測(cè)溫電路如圖8所示:圖8測(cè)溫電路五、裝調(diào)測(cè)試過(guò)程5.1測(cè)試儀器（1）示波器 （2）學(xué)生電源（3）數(shù)字萬(wàn)用表5.2 555時(shí)鐘電路測(cè)試555時(shí)鐘發(fā)生電路接入電源電壓后，用示波器測(cè)試能夠輸出穩(wěn)定方波信號(hào)。信號(hào)理論周期值為105ms,實(shí)測(cè)周期T約為120m

13、s但仍滿足測(cè)試周期小于8m的要求。實(shí)際555輸出波形如圖9所示:ORIGOLJ圖9555輸出波形9 趴ZGI. H.ki h5.3計(jì)數(shù)與譯碼顯示電路測(cè)試數(shù)碼管同步顯示計(jì)數(shù)數(shù)字,正常工作狀態(tài)下，計(jì)數(shù)器74IS160在07內(nèi)循環(huán)計(jì)數(shù), 實(shí)測(cè)圖形如圖10所示:r圖10D數(shù)碼管顯示實(shí)測(cè)圖5.4撥碼開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)選擇電路測(cè)試圖11撥碼開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電路輸入為高電平圖13蜂鳴器報(bào)警實(shí)測(cè)電路（通道3出現(xiàn)故障，蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示通道號(hào)）圖13蜂鳴器報(bào)警實(shí)測(cè)電路（通道3出現(xiàn)故障，蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示通道號(hào)）F r%*圖12撥碼開(kāi)關(guān)開(kāi)通，電路輸入為低電平5.5蜂鳴器報(bào)警電路測(cè)試0nilF-r: fr 15r Jd ；：

14、圖15 Ui aUh，電路出現(xiàn)故障，蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道號(hào)圖15 Ui aUh，電路出現(xiàn)故障，蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道號(hào)5.6 I* SB B * iB AScw,-I iE/.： JI1-圖17 P t100放入開(kāi)水中(約100C),蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道數(shù)圖17 P t100放入開(kāi)水中(約100C),蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道數(shù)r.卜I圖16 Ui Ul，電路出現(xiàn)故障，蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道號(hào)5.7測(cè)溫電路測(cè)試-眄運(yùn)r產(chǎn)Ijr*/, f.M V- cV? jI 嚴(yán)”殳圖18pt100在室溫中（約20C）,蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道數(shù)圖19pt100放入溫水中（約

15、50C）,蜂鳴器不響、數(shù)碼管循環(huán)計(jì)數(shù)六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及主要可能故障分析常用的Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，用以補(bǔ)償連接導(dǎo)線的電阻引起的測(cè)量誤 差。流過(guò)鉑電阻的電流不能太大，以不超過(guò) 1mA為準(zhǔn)，以免電流大使得Pt100電阻自身發(fā)造成測(cè)量溫度不準(zhǔn)確，查找資料可知，電流大于1.5mA將會(huì)有較明顯的影響。運(yùn)放采用單一 5V電源供電，如果測(cè)量的溫度波動(dòng)比較大，將運(yùn)放的供電改為15V雙電源供電，測(cè)量精度會(huì)有較大改善。數(shù)碼管、撥碼開(kāi)關(guān)在使用時(shí)都應(yīng)加上拉電阻，起分 壓、限流作用。芯片輸出電平無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，應(yīng)加入三極管。電路中適當(dāng)使用 二極管，可起到保護(hù)電路、優(yōu)化電路的作用。電路輸出端電平不穩(wěn)時(shí)串入兩個(gè)反相器 即可保證輸出穩(wěn)定的高低電平。實(shí)際焊接時(shí)，各元件要合理布局，方便布線焊接。在 更高頻繁的接口，適當(dāng)使用排針、杜邦線，可方便靈活的更改電路連接。電路未出現(xiàn) 預(yù)期狀態(tài)時(shí)，要正確使用萬(wàn)用表，先檢查是否有虛焊、漏焊、短路現(xiàn)象，然后根據(jù)電 路原理，從問(wèn)題出發(fā)一步步分析排查故障點(diǎn)，可輕松找出并解決問(wèn)題。七、參考文獻(xiàn)附錄1系統(tǒng)電路圖VCC SVRM R1ISJSfTfflrK2JI_Wr-i+ lOMtQFU!vccUIBC