2毕业设计指导书-智能温度变送器-梁文祯

毕业设计指导书毕业设计题目智能温度变送器设计关键词（不超过5个）变送器，线制，接地方式，比例运算放大器，电气隔离一、智能温度变送器的简介智能温度变送器是利用控制器读取温度传感器的温度值，以电流或电压形式传输到远程测量系统。要求该变送器的温度测量范围为-55℃至+125℃，工作温度范围为-25℃至+85℃，在电流传送方式下电流范围为4至20mA，在电压传送方式下电压范围为0至10V。二、智能温度变送器的系统结构智能温度变送器由控制器、温度传感器以及DA转换器组成。控制器读取温度传感器的温度值，经过DA转换器输出电压值；当以电流形式输出时，该电压经过电流信号转换器转换成4至20mA的电流输出；当以电压形式输出时，该电压经过电压信号转换器转换成0至10V的电压输出。图2.1智能温度变送器的系统结构图三、智能温度变送器的硬件设计1、电源电路设计（1）电源电路要求有防止反接电源正负极而烧录电路板的功能，要求有过压保护的功能。智能温度变送器要求电压输出范围为0至10V，因此电源电压必须比10V高。这里选择工业常见电源12V直流开关电源。控制器需要5V直流电压，这里还需要将12V降到5V。为了显示电源是否正常工作，需要设计一个5V电源的电源指示灯。电路板在存放与工作过程中常常遇到瞬态电压问题。瞬态电压的主要表现形式有两种：一是ESD，二是雷电。ESD产生的瞬态电压是静电释放会产生一个很高的瞬态电压，而且速度非常快，可以在数亿分之一秒内完成，如果不能将这么高的电压瞬间导走，会对电路系统产生严重的破坏。雷电产生的能量也是非常控制器温度传感器DA转换器电流信号转换电压信号转换具大的。常见的瞬态电压保存方法是使用TVS瞬态抑制二极管，它能够吸收ESD与雷电的能量、保护系统免受损害。一般应用在被保护系统的，保护电压略高于被保护系统的额定电压时，TVS导通吸收能量令电压不会超过额定电压值。按导通方向来划分，TVS二极管妥为单向与双向。常见的TVS产品有P6KExxxA、1.5KExxxA、SMAJxxxA、SMBJxxxA、SMCJxxxA等等。选择TVS二极管需要考虑保护电压值、吸收功率、导通方向等因素。（2）常见的直流电源电路有三端稳压电源和开关电源。三端稳压电源内部是串联稳压电路结构，电源转换效率不高，当功耗大时芯片发热量大，需要散热片。开关电源的转换效率高，可以不使用散热片。三端稳压电源的常见芯片有7805、7809、7812等等，开关电源的常见芯片有LM2576、LM2596、MP1484、MP1593、MP2359等等。电源芯片的选择需要考虑最大输入电压范围、输出电压范围、最大输出电流、开关频率、电源转换效率、价格等因素，具体参看表3.1.1。表3.1.1开关电源芯片参数表型号转换效率（%）最大输入电压（V）输出电压（V）最大输出电流（A）开关频率（kHz）参考价格LM257675401.23-373521.3LM259675401.2-3731500.95MP148495230.925-2033401.2MP159395281.22-2533851.4MP235992240.81-151.24601.5LM2576电源芯片有多种型号，分别为LM2576-3.3、LM2576-5、LM2576-12、LM2576-15以及LM2576-ADJ，各型号在输出稳压值上有所不同，像LM2576-3.3专门用于输出3.3V电压；像LM2576-ADJ用于输出少见电压的场合，比如3.6V稳压电源、9V稳压电源。LM2596电源芯片有多种型号，分别为LM2596-3.3、LM2596-5、LM2596-12以及LM2596-ADJ。LM2596属于LM2576的升级版，因此，电路结构通用，电路元件参数相似。2、温度传感器选择温度传感器要求测量温度范围为-55℃至+125℃，工作温度范围为-25℃至+85℃，并且方便与控制器连接。常见的温度传感器有数字式温度传感器DS18B20和电压式温度传感器LM35等等。温度传感器的选择需要考虑测量范围和工作温度范围、测量精度等因素，具体参看表3.2.1。（1）DS18B20采用单总线通讯方式读取温度值。在同一总线上可以挂载许多个DS18B20，靠内部64位激光ROM编码来区分各个器件。它内部存贮器的暂存器RAM由温度低字节、温度高字节、高温触发器TH、低温触发器TL、保留字节、COUNTREMAIN寄存器、COUNTPER寄存器以及CRC寄存器组成。读取温度值就是读取暂存器RAM的前两个字节。（2）LM35有许多型号，不同型号有不同的封装与参数指标，如表3.2.1。表3.2.1LM35各型号参数表型号封装工作温度范围存放温度LM35DZTO-92塑封0℃至+100℃-60℃至+150℃LM35CZTO-92塑封-40℃至+110℃-60℃至+150℃LM35CAZTO-92塑封-40℃至+110℃-60℃至+150℃LM35HTO-46金属封-55℃至+150℃-60℃至+180℃LM35AHTO-46金属封-55℃至+150℃-60℃至+180℃LM35CHTO-46金属封-40℃至+110℃-60℃至+180℃LM25CAHTO-46金属封-40℃至+110℃-60℃至+180℃LM35DHTO-46金属封0℃至+100℃-60℃至+180℃LM35DMSO-8表面贴0℃至+100℃-65℃至+150℃3、控制器常用的单片机有AVR、PIC、MSP430、STM32。这里选择性价比非常高的单片机作为控制器，方案一是利用8位AVR单片机的Arduino，方案二是32位单片机STM32F103C8T6。（1）Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件（各种型号的arduino板）和软件（arduinoIDE)。它适用于爱好者、艺术家、设计师和对于“互动”有兴趣的朋友们。Arduino是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simpleI/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino学习资料可以参考《LWZArduino教程V1.0》与《LWZArduino教程V1.1》，里面详细讲述Arduino编程语言的语法、常用函数以及应用实例。Arduino包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接和Arduino电路板；另外一个则是ArduinoIDE，你的计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，收录进微控制器。对Arduino的编程是利用Arduino编程语言(基于Wiring)和Arduino开发环境(basedonProcessing)来实现的。基于Arduino的项目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件，他们之间进行通信(比如Flash、Processing、MaxMSP)来实现。Arduino特色有：1）开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需求自己修改。2）使用低价格的微处理控制器(AVR系列控制器)，可以采用USB接口供电，不需外接电源，也可以使用外部9VDC输入。3）Arduino支持ISP在线烧，可以将新的“bootloader”固件烧入AVR芯片。有了bootloader之后，可以通过串口或者USBtoRs232线更新固件。4）可依据官方提供的Eagle格式PCB和SCH电路图简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制；可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接(例如：红外线、超音波、热敏电阻、光敏电阻、伺服马达等等)。5）支持多种互动程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等。6）应用方面，利用Arduino，突破以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。（2）STM32F103C8T6是ST公司推出的基于Cortex-M3内核的工业级的32位单片机，最高工作频率为72MHz，拥有64KB的FLASH、20KB的SRAM、10路12位的ADC模数转换、SPI、PWM等等常见外围硬件功能。4、DA转换器DA转换器是将数字信号转为模拟信号。常见的实现方法有DA芯片、PWM波经过滤波器输出DA。从价格方面来考虑，DA芯片的价格比较贵，而第二种方法比较便宜，即使没有PWM硬件功能的单片机也能实现。从输出电压的精度考虑，DA芯片比第二种方法要好很多，因为第二种方法使用PWM方波，所以输出信号含有不同频率的谐波，虽然滤波器可以滤去一部分的高频谐波，但是未能根除。选择DA芯片也要考虑其与控制器之间的通信方式。因为在使用隔离电源的模式时通信导线也要经过光耦隔离，所以可以使用SPI三总线通信方式。5、电压信号转换这里选用运算放大器芯片来实现电压信号转换功能。根据输出电压的取值范围（0-10V），需要选择正确的运算放大器的工作模式（比例、加法、减法、积分、微分、对数、指数等），根据比例运算放大器的放大倍数计算电子元件的参数值。6、电流信号转换这里选用精密的信号转换器XTR115实现4-20mA电流信号输出。根据输出电流的取值范围（4-20mA），计算电子元件的参数值。电流流动是有方向的，要是接错线就会烧坏设备，因此，这里利用全波整流原理，设计输出电路，解决这个问题。四、智能温度变送器的软件设计1、主程序的流程图上电后，控制器读取温度值，在数码管显示出来；根据电压信号转换要求与电流信号转换要求，计算出输出电压，利用DA芯片输出该电压值。图4.1主程序的流程图五、实验结果1、电压信号转换的实验结果，如表5.1所示表5.1电压信号转换的实验数据温度值温度测量值DA电压值输出电压值根据实验数据，写出实验结论。2、电流信号转换的实验结果，如表5.2所示表5.2电流信号转换的实验数据温度值温度测量值DA电压值输出电流值根据实验数据，写出实验结论。开始读取温度值DA输出电压数码管显示温度设计要点重点：各部分的电路设计：电源电路、温度采集电路、DA输出电路、电压信号转换、电流信号转换。难点：掌握印刷电路图的布线原则，当布线质量差时智能变送器容易受到干扰，影响运行效果。设计任务毕业设计划分出十个任务，具体如下：任务内容电源设计设计系统的电源电路温度采集设计LM35或DS18B20的温度采集电路DA输出设计TLC5615的DA输出电路电压信号转换利用比例运算放大电路设计电压信号放大电路电流信号转换利用XTR115设计电流信号输出电路智能温度变送器的原理图利用ProtelDXP软件完成智能变送器的电路原理图。智能温度变送器的印刷电路图利用ProtelDXP软件完成智能变送器的印刷电路图。制作以及焊接制作以及焊接智能变送器。软硬件调试软硬件调试智能变送器。毕业论文论文格式要规范，包括封面、目录、摘要与关键字、课题结论、课题方案设计、课程硬件设计、课程软件设计、课题实验结论、参考文献、致谢、附录。工作进度计划毕业设计在10周内完成，其工作进度计划如下：时间工作内容第1周讲解毕业设计的内容、硬件设计要求、毕业论文格式要求、上交的成果以及工作进度计划；根据毕业设计的内容，划分多个任务，并分阶段完成。根据毕业设计的内容，查找相关资料。第2周完成电源部分的电路设计以及工作原理。第3周完成控制器的资源分配（IO引脚分配）、DA芯片输出的电路设计以及工作原理。第4周完成比例运算放大电路的电路设计、XTR115电流输出的电路设计以及工作原理。第5周利用ProtelDXP软件完成智能变送器的电路原理图。第6周利用ProtelDXP软件完成智能变送器的印刷电路图。第7周制作以及焊接智能变送器。第8周软硬件调试智能变送器。第9周编写毕业设