路溫度巡回檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)

1、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、Pt100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Pt

2、100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（1）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(mén)電路設(shè)計(jì)一個(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）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)2路

3、電源電壓輸出的模擬。電壓比較器可設(shè)定上、下限電壓報(bào)警值；（3）擴(kuò)展要求2：實(shí)現(xiàn)1路熱電阻Pt100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，74ls160開(kāi)始在07內(nèi)循環(huán)計(jì)數(shù)，通過(guò)QA，QB，QC，QD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Y和W互為反碼形式輸出，Y接74LS160的控制端ENT，W接蜂鳴器。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)，Y端輸出為低電平，計(jì)數(shù)器74LS160停止

4、計(jì)數(shù)，QA，QB,QC輸出數(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0V，電容C1通過(guò)D2,R2放電，反之，輸出為低時(shí)，VCC通過(guò)R1，D1給

5、C1充電。電路參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：充電時(shí)間：放電時(shí)間：振蕩周期： 取 可 得：，電路圖如圖2所示：圖2 555時(shí)鐘電路 輸出端仿真波形如圖3所示：圖3 555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)，74ls160開(kāi)始計(jì)數(shù)，通過(guò)QA，QB，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74ls04輸出一個(gè)低電平接回74ls160的CLR端，計(jì)數(shù)清零，重新在07之間循環(huán)計(jì)數(shù)。采用74ls47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，74ls47的OAOG輸出端分

6、別接數(shù)碼管的AG,，完成對(duì)74ls160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：（取300）數(shù)碼管顯示電路如圖4所示：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，Y為高電平，W輸出為低電平，故障時(shí)，Y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：（即Y和W 互為反碼形式輸出） 撥碼開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)選擇電路如圖5所示：圖5 撥碼開(kāi)關(guān)和數(shù)據(jù)選擇

7、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)，74ls151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：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。時(shí)比較器輸出低電平，或時(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)時(shí)電路正常運(yùn)行，或時(shí)電路停止檢測(cè)且蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警。取 R3=R13

8、=1kR14=510 R15=20K R16=3.3K比較器的閾值電壓為： 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R18R19=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Pt100>R、Pt100<R時(shí)輸出總為高電平，Pt100=R時(shí)輸出

9、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74ls151的輸入端D2。Pt100熱電阻分度表如下：溫度 PT100 阻值 傳感兩端電壓 mV0100.00124.381100.39124.850119.40147.79100138.51170.64150157.33192.93200175.86214.68250194.10235.90300212.05256.59350229.72276.79400247.09296.48450264.18315.69500280.98334.42經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室室溫下，Pt100阻值為109，所以取電橋電R=120具體計(jì)算過(guò)程如下：電

10、橋輸出電壓運(yùn)放輸出電壓測(cè)溫電路如圖8所示：圖4系統(tǒng)軟件程序流程圖圖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120ms,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:圖9 555輸出波形5.3 計(jì)數(shù)與譯碼顯示電路測(cè)試正常工作狀態(tài)下，計(jì)數(shù)器74ls160在07內(nèi)循環(huán)計(jì)數(shù)，數(shù)碼管同步顯示計(jì)數(shù)數(shù)字，實(shí)測(cè)圖形如圖10所示：圖10 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)

11、，電路輸入為高電平圖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)）5.6 電壓比較電路測(cè)試圖14 ，電路正常，數(shù)碼管循環(huán)顯示圖15 ，電路出現(xiàn)故障，蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道號(hào)圖 16 ，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)試圖17 pt100放入開(kāi)水中（約100），蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道數(shù) 圖18 pt100在室溫中（約20），蜂鳴器響、數(shù)碼管顯示故障通道數(shù) 圖19 pt100放入溫水中（約50），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