畢業(yè)設計----數字式溫濕度儀的設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計</b></p><p>　　學 院： 電氣工程學院 </p><p>　　題 目： 數字式溫度濕度儀的設計 </p><p>　　數字式溫濕度儀的設計</p><p>　　一、畢業(yè)設計（論文）內容：

2、</p><p>　　要求利用傳感器技術及計算機軟硬件控制技術，設計一臺基于單片機的的溫度、濕度自動顯示儀表，能實現對溫度、濕度進行實時參數檢測、數字顯示及參數修改、報警，要求相對濕度量程范圍在10%~100%之間，溫度量程范圍在-10~100℃之間，測量精度達到±1%。設計出控制系統的總體方案，選擇對應的傳感器，設計系統的硬件電路和軟件流程，內容包含以下幾方面： </p><p&g

3、t;　　1、設計數字儀表系統的總體方案；</p><p>　　2、設計計算機接口電路，輸入通道及顯示電路；</p><p>　　3、選擇對應的檢測元件，設計溫度、濕度的轉換、放大電路和溫度補償電路。</p><p>　　4、編寫并調試數據采集、數據變換處理、量程變換、顯示等程序，畫出程序流程圖。</p><p>　　5、繪制符合標準的設計圖紙

4、。</p><p>　　6、編寫設計資料、論文。</p><p><b>　　二、方案設計與論證</b></p><p>　　方案1、模擬電路控制方案</p><p><b>　　設計思路</b></p><p>　?。?）對溫度、濕度進行實時參數檢測、數字顯示及參數修改、報

5、警，首先必須將溫度和濕度的度數（非電量）轉換成電量，然后采用電子電路實現題目要求?？刹捎脺囟葌鞲衅骱蜐穸葌鞲衅鳎瑢囟群蜐穸茸兓D換成相應的電信號，并通過放大、濾波后送A/D轉換器變成數字信號，然后進行譯碼顯示。</p><p>　?。?）報警部分：設定檢測溫度對應的最大允許值Vmax，最小允許值Vmin當測量的實際溫度在Vmin~Vmax范圍外時，發(fā)生報警信號。</p><p>　　（3

6、）溫度、濕度的顯示部分采用轉換開關控制，可分別顯示測量的溫度和濕度。控制溫度對應值VREF，報警溫度對應值Vmax。</p><p><b>　　3．參考原理框圖</b></p><p>　　⑴ 傳感器可以采用鉑電阻、精密電阻和電位器 組成測量電橋，電橋的輸出電壓作為運放構成的差動放大器雙端輸入信號，將信號放大后由低通濾波器將高頻信號濾去。如圖3．1所示。</p

7、><p>　　在0oC,調節(jié) ，使顯示器顯示0oC。在50oC時，調節(jié)放大器的增益（調節(jié)電位器 ），使顯示器顯示50oC 。注意放大的輸出電壓不允許大于A/D轉換器的最大輸入電壓值。</p><p>　?、?被測溫度信號電壓加于比較器（Ⅰ）與控制溫度電壓VREF進行比較，比較結果通過調溫控制電路控制執(zhí)行機構的相應動作，使被控系統升溫或降溫。</p><p>　?、?當控

8、制電路出現故障使溫度失控時，使被控系統溫度達到允許最高溫度對應值 ，用聲、光報警電路發(fā)出警報，值班人員將采取相應的緊急措施。</p><p>　?、?開關S1可分別閉合系統溫度、控制溫度電壓VREF和報警溫度電壓 ，通過A/D轉換器將模擬量轉換成數字量，顯示器顯示出相應的溫度數值。</p><p>　　方案二、數字電路控制方案</p><p><b>　　

9、設計思路</b></p><p>　　單片機通過外設ds18B20獲取熱源溫度，單片機對獲取的溫度進行計算，通過端口控制數碼管顯示溫度。</p><p>　　手動輸入要設定的溫度，單片機獲得輸入的溫度后，通過I/O口輸出對應的pwm波形控制開關管從而改變熱源電壓。</p><p>　　單片機通過ds18B20實時檢測熱源溫度，一旦溫度發(fā)生變化不穩(wěn)定時，單

10、片機通過調整pwm占空比馬上對熱源電壓做出調整，使溫度誤差控制在一定范圍內。形成一個閉環(huán)溫控系統。</p><p><b>　　系統結構框圖</b></p><p>　　通過比較，數字控制方案具有精度高、實時監(jiān)測控制、控制準確、電路簡單等優(yōu)點。因此選擇數字控制方案作為課程設計的方案。</p><p>　　單元電路設計與參數計算</p>

11、;<p><b>　　電源部分</b></p><p>　　由于單片機與熱源使用的電源電壓不同，因此系統采用兩個電源模塊分別向單片機和熱源供電。電源部分原理圖如下：</p><p>　　電路中+V為12V直流電源，lm317為熱源負載和7805提供電源，7805則為單片機和數碼管顯示部分提供電源。</p><p>　　LM317作

12、為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算，Vo＝1.25（1＋R2/R1）。僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設定的。</p><p>　　首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是Vo＝1.25V—37V，所以R2/R1的比值范圍只能是0—28.6。</p><

13、p>　　其次是317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。最小穩(wěn)定工作電流的值一般為1.5mA。由于317穩(wěn)壓塊的生產廠家不同、型號不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于5mA。當317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時，

14、沒有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現下述不正?，F象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。</p><p>　　在應用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護電路，防止電路中的電容放電時的高壓把317燒壞。</p><p>　　1.要解決317穩(wěn)壓塊最小穩(wěn)定工作電流的問題，可以通過設定R1和R2阻值的大小，而使317穩(wěn)壓塊空載時輸出

15、的電流大于或等于其最小穩(wěn)定工作電流，從而保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作。此時，只要保證Vo/（R1＋R2）≥1.5mA，就可以保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作。上式中的1.5mA為317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流。當然，只要能保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作，Vo/（R1＋R2）的值也可以設定為大于1.5mA的任意值。 </p><p>　　2.　　經計算可知R1的最大取值為R1≈0.83KΩ。

16、又因為R2/R1的最大值為28.6。所以R2的最大取值為R2≈23.74KΩ。在使用317穩(wěn)壓塊的輸出電壓計算公式計算其輸出電壓時，必須保證R1≥0.83KΩ，R2≤23.74KΩ兩個不等式同時成立，才能保證317穩(wěn)壓塊在空載時能夠穩(wěn)定地工作。 </p><p>　　3.　　當然在317穩(wěn)壓塊的輸出端并聯泄流電阻R，也可以為317穩(wěn)壓塊提供最小穩(wěn)定工作電流。但是，由于并聯的泄流電阻不能隨輸出電壓的變化而變化，如果

17、要保證317穩(wěn)壓塊在輸出電壓為1.25V時，其輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流，則在317穩(wěn)壓塊的輸出電壓為37V時，流過泄流電阻的電流就太大了，這樣不僅浪費了電能，而且增加了317穩(wěn)壓塊的負擔，不是一種妥當的辦法。</p><p>　　7805與lm317一樣為三端穩(wěn)壓器件，不一樣的是7805輸出電壓不可調，穩(wěn)定在5V左右，性能和參數與lm317相差無幾。</p><p>　　電路圖中二極

18、管均為保護二極管，防止電容放電時損壞穩(wěn)壓器件，電解電容和瓷片電容分別濾去輸入輸出中的高頻和低頻干擾，達到濾波作用。</p><p><b>　　顯示部分</b></p><p>　　數碼管溫度顯示部分由單片機控制。</p><p><b>　　控制電路如下：</b></p><p>　　其中89c5

19、2單片機的P0口是數碼管的段選控制，控制數碼管的顯示內容；P2口是數碼管的位選控制，控制哪一個數碼管亮。本系統所采用的數碼管均為共陽極數碼管。如原理圖所示，由于單片機I/O口輸出信號太弱，無法驅動數碼管，因此必須利用三極管8550的開通截止區(qū)來控制數碼管。</p><p>　　數碼管與單片機之間的連接為總線連接方法，為了使每一位數碼管顯示不同的內容，編程時應該用動態(tài)掃描方式掃描數碼管，利用人的視覺暫留使數碼管每位

20、顯示不一樣的內容。</p><p><b>　　溫度采集部分</b></p><p>　　本系統利用溫度傳感器ds18b20進行對環(huán)境的溫度監(jiān)測。</p><p>　　Ds18b20連接方式如下圖：</p><p>　　其中DQ與單片機的P1^2口連接進行數據交換。</p><p>　　DS-18

21、B20 數字溫度傳感器</p><p>　　特點 獨特的一線接口，只需要一條口線通信 多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用 無需外部元件 可用數據總線供電，電壓范圍為3.0 V至5.5 V 無需備用電源 測量溫度范圍為-55 ° C至+125 ℃ 。華氏相當于是-67 ° F到257華氏度 -10 ° C至+85 ° C范圍內精度為±0.5 ° C<

22、/p><p>　　溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位 溫度轉換為12位數字格式最大值為750毫秒 用戶可定義的非易失性溫度報警設置 應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統，消費電子產品溫度計，或任何熱敏感系統</p><p>　　描述該DS18B20的數字溫度計提供9至12位（可編程設備溫度讀數。信息被發(fā)送到/從DS18B20 通過1線接口，所以中央微處理器與DS18B20只有一個一條口線連接。為讀

23、寫以及溫度轉換可以從數據線本身獲得能量，不需要外接電源。 因為每一個DS18B20的包含一個獨特的序號，多個ds18b20s可以同時存在于一條總線。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。它的用途很多，包括空調環(huán)境控制，感測建筑物內溫設備或機器，并進行過程監(jiān)測和控制。</p><p>　　DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。該裝置信號線

24、高的時候，內部電容器 儲存能量通由1線通信線路給片子供電，而且在低電平期間為片子供電直至下一個高電平的到來重新充電。 DS18B20的電源也可以從外部3V-5 .5V的電壓得到。</p><p>　　DS18B20采用一線通信接口。因為一線通信接口，必須在先完成ROM設定，否則記憶和控制功能將無法使用。主要首先提供以下功能命令之一： 1 ）讀ROM， 2 ）ROM匹配， 3 ）搜索ROM， 4 ）跳過ROM， 5

25、 ）報警檢查。這些指令操作作用在沒有一個器件的64位光刻ROM序列號，可以在掛在一線上多個器件選定某一個器件，同時，總線也可以知道總線上掛有有多少，什么樣的設備。</p><p>　　若指令成功地使DS18B20完成溫度測量，數據存儲在DS18B20的存儲器。一個控制功能指揮指示DS18B20的演出測溫。測量結果將被放置在DS18B20內存中，并可以讓閱讀發(fā)出記憶功能的指揮，閱讀內容的片上存儲器。溫度報警觸發(fā)器T

26、H和TL都有一字節(jié)EEPROM 的數據。如果DS18B20不使用報警檢查指令，這些寄存器可作為一般的用戶記憶用途。在片上還載有配置字節(jié)以理想的解決溫度數字轉換。寫TH,TL指令以及配置字節(jié)利用一個記憶功能的指令完成。通過緩存器讀寄存器。所有數據的讀，寫都是從最低位開始。</p><p>　　以下附上對18b20的溫度數據表以及操作的時序圖：</p><p><b>　　PWM控制

27、部分</b></p><p>　　系統的PWM信號根據溫度的變化而改變，從而達到控溫目的。</p><p>　　由于單片機I/O口信號太弱不能驅動熱源，因此要外接器件驅動熱源。理論上可用三極管驅動，但考慮到功率問題，改用uln2003達林頓陣列驅動，以獲得更好的效果。</p><p>　　Uln2003達林頓陣列與熱源連接原理圖如下：</p>

28、<p>　　ULN2003 是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN 達林頓管組成。</p><p><b>　　該電路的特點如下：</b></p><p>　　ULN2003 的每一對達林頓都串聯一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路</p><p>　　直接相連，可以直接處理原先需要標準

29、邏輯緩沖器來處理的數據。</p><p>　　ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還</p><p>　　可以在高負載電流并行運行。</p><p><b>　　方框圖</b></p><p>　　ULN2003內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用

30、來驅動繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅動電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達林頓管組成驅動電路。 ULN是集成達林頓管IC,內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管,它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶輸出口的外接負載可根據以上參數估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡

31、。通常單片機驅動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時，COM引腳應該懸空或接電源。</p><p>　　ULN2003是一個非門電路，包含7個單元，但獨每個單元驅動電流最大可達350mA，9腳可以懸空。 </p><p>　　比如1腳輸入，16腳輸出，你的負載接在VCC與16腳之間，不用9腳。 </p><p>　　uln2003的作用：</p>

32、;<p>　　ULN2003是大電流驅動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域寗永^電器等負載。 </p><p>　　輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。</p><p>　　ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下: ULN2003的每一對達林頓都串聯一個2.7K的基極電阻,在5V

33、的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。</p><p>　　ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅動的系統。</p><p><b>　　總原理圖及元件清單</b></p><p><b&g

34、t;　　元件清單</b></p><p>　　元件清單由dxp生成</p><p><b>　　總原理圖：</b></p><p><b>　　安裝與調試</b></p><p>　　系統最后的裝配成品圖如下圖所示：</p><p>　　本系統由以下幾個部分組成：

35、</p><p>　　1.電源部分 2.顯示部分 3.溫度傳感部分 4.pwm控制部分</p><p>　　硬件電路調試時可以分別對系統的幾個部分進行調試。其中電源部分主要確定lm317三端穩(wěn)壓器件的調節(jié)電阻的阻值。由于lm317負責對熱源負載和單片機供電，輸出達到6.5V，其兩端壓差達到6V以上，加上負載大電流影響。Lm317功耗增大，必須加配散熱器。通過實驗，

36、最終確定lm317的調整電阻的阻值，其中固定電阻阻值未470歐姆，精密電位器阻值為5K歐姆。加上輸入輸出端濾波電容小幅升壓，lm317最終穩(wěn)定輸出6.5V電壓為熱源負載和單片機供電。而7805主要任務就是把lm317輸出的6.5V電壓降壓穩(wěn)壓成為適合單片機的5V電源。</p><p>　　顯示部分基本不需要調試，主要是利用了三極管的電子開關性能控制數碼管。唯一要注意的是P0口段選端需要串聯200歐姆的限流電阻，否

37、則P0口的位選功能將失去。</p><p>　　溫度傳感部分是單片機通過I/O口和ds18b20進行數據交換的過程。溫度傳感部分的調試主要是軟件程序的調試，通過對ds18b20進行讀寫命令的操作達到獲取環(huán)境溫度的目的。</p><p>　　Pwm控制部分主要利用單片機的兩個時間中斷，一個中斷為頻率控制，一個中斷為脈寬控制。面對的調試問題主要還是軟件程序的調試。程序調試過程中發(fā)現pwm控制有

38、可能會因為計數器數值過小，造成單片機中斷果度頻繁，程序無法正常運行；又或者計數器溢出造成數碼管顯示部分顯示不正常。因此程序調試過程中必須加入計數器的數值底限和峰值，使程序能正常運行和數碼管正常顯示。</p><p>　　以下是單片機的c51程序：</p><p><b>　　性能測試與分析</b></p><p><b>　　題目要求

39、：</b></p><p>　　⑴ 被測溫度和控制溫度均可數字顯示；</p><p>　?、?測量溫度為01200C，精度為0．50C；</p><p>　?、?控制溫度連續(xù)可調，精度1OC；</p><p>　?、?溫度超過額定值時，產生聲、光報警信號。</p><p>　　根據ds18b20數字溫度傳感

40、器技術指標可知，本系統測量溫度范圍為-55 ° C至+125 ℃ 。華氏相當于是-67 ° F到257華氏度 -10 ° C至+85 ° C范圍內精度為±0.5 ° C完全滿足設計要求。</p><p>　　實際測量中，按鈕輸入控制溫度后，當熱源溫度上升到接近控制溫度時，pwm信號控制負載緩慢升溫，穩(wěn)定后溫度穩(wěn)定在控制溫度的±0.4℃。而當被測

41、溫度的實數部分與控制溫度實數部分相等時，紅燈亮起，說明溫度已經達到要求并穩(wěn)定。</p><p>　　溫度穩(wěn)定后，系統對溫度進行實時監(jiān)測，當溫度偏離控制溫度是系統馬上對pwm信號做出調整，更正檢測溫度偏離控制溫度的誤差。整個系統構成一個閉環(huán)溫度控制系統。</p><p><b>　　結論與心得</b></p><p>　　整個課程設計過程中，要實

42、現系統的原理是簡單的，理論上也是簡單。一旦動手做實物，做產品，發(fā)現平時學習的知識在沒有實踐之前完全是空談。理論加上實踐，才能真正理解書本上的知識。</p><p>　　通過本次課程設計我理解到了閉環(huán)系統的概念和實現方法。同時提升了自己的動手能力，將自己理解的知識融入到實踐中，把抽象的東西形象化，使自己更加深入地了解平時并不了解的知識。作為工科類學生，就是應該把學習到的東西運用到實踐中，不斷強化自己，提升自己。&l

43、t;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]康華光.電子技術基礎模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.1</p><p>　　[2]康華光.電子技術基礎數字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.1</p><p>　　[3]王兆安、王俊.電力電子技術[M].北