任务九 培养箱恒温恒湿控制器的设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,一、任务描述,设计完成一种集温度和湿度测量、显示、报警、控制于一体的培养箱恒温恒湿控制器。主要功能,:,用,4,位,LED,实时显示温度和湿度，能够控制温度和湿度在规定的范围之内，当系统采集到的温度或湿度异常时，报警器会发出报警响声，方便对系统状态的监视。,二、任务目标,(1),掌握集成温度传感器和集成湿度传感器的工作原理。,(2),能够综合运用集成温度和湿度传感器进行电路的设计与制作。,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,三、知识链接,1.,集成温度传感器,集成温度传感器是一种半导体集成电路，内部集成了温度敏感元器件和调理电路。,按照输出信号的模式，可将集成温度传感器大致划分为三大类,:,模拟式集成温度传感器、,逻辑输出式集成温度传感器、,数字式集成温度传感器。,模拟式集成温度传感器将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片,IC,上，实际尺寸小、使用方便，它与热电阻、热电偶和热敏电阻等传统的传感器相比，还具有线性好、精度适中、灵敏度高等优点，常见的模拟式集成温度传感器有,LM3911,LM335,M45,AD22103,AN6701S,电压输出型、,AD590,电流输出型。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,在许多实际应用中，并不需要严格测量温度值，只关注温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其他控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器，其典型代表有,LM56,MAX6501-MAX6504,MAX6509/6510,。,数字式集成温度传感器集温度传感器与,A/D,转换电路于一体，能够将被测温度直接转换成计算机能够识别的数字信号输出，可以同单片机结合完成温度的检测、显示和控制功能，因此在控制过程、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器及网络技术等方面得到广泛应用。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,这里介绍几种典型的集成温度传感器。,1)AD590,集成温度传感器,(1)AD590,的结构和特性曲线。,AD590,是美国,AD,公司研制的一种电流输出型模拟式集成温度传感器，,其外形结构如,图,2-53,所示，,AD590,的直流工作电压为,+430 V,最佳使用温度范围为,-55 150,，在此测温范围内，测量误差为,0.5,，测量分辨率为,0.1,，它的输出电流,I,为温度的关系，可用,式,(2-23),表示，即,式中,I,输出电流，,A;,K,T,标定因子，,AD590,的标定因子为,1 A/;,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,T,热力学温度，,K;,t,摄氏温度，。,AD590,的特性曲线如,图,2-54,所示。,(2)AD590,的应用。,基于,AD590,的特性，可以制作如,图,2-55,所示的温度测量电路，将温度值转换为与之对应的输出电压信号。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,式中,IAD590,的输出电流,;,U,测量的电压值,;,U,2,电压跟随器的输出电压，目的是利用电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低的特点进行电路隔离，减小电流,I,的损耗，,U,2,最后的输出电压，将被测量温度转化为与之对应的电压的大小。,如果现在为,28,，输出电压为,2.8V,，输出电压接,A/D,转换器，那么,A/D,转换输出的数字量就和摄氏温度成线性比例关系。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,2)AN6701,集成温度传感器,AN6701,是日本松下公司研制的一种具有灵敏度高、线性度好、高精度和快速响应特点的电压输出型集成温度传感器，,它有,4,个引脚，其中、脚为输出端，、脚接外部校正电阻,R,C,，用来调整,25,下的输出电压，使其等于,5V,Rc,的阻值在,330 k,范围内。,其接线方式有,3,种,:,正电源供电、负电源供电、输出反相，,如,图,2-56,所示。,实验证明，如果环境温度为,20,，当,Rc,为,1 k,时，,AN6701,的输出电压为,3.189V;,当,Rc,为,10k,时，,AN6701,输出电压为,4.792 V;,当,R,C,为,100k,时，,AN6701,输出电压为,6.175 V,。因此，使用,AN6701,检测一般环境温度时，适当调整校正电阻,R,C,，不用放大器可直接将输出信号送入,A/D,转换器，再给微处理器进行处理、显示、打印或存储。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,3)DS 18B20,集成温度传感器,DS 18B20,是美国,DALLAS,公司在,DS 1820,基础上生产的单线式数字集成温度传感器，其特点是,:,可将被测温度直接转换成计算机能识别的,912,位,(,最高位为符号位，即“,1”,为正温度，,2”,为负温度,),二进制数字信号输出，其测量精度高，信息传送只需一根信号线。,DS 18B20,测温范围为,-55+125,，精度为士,2,，而在,-1085,，其精度为,0.5,。,DS 18B20,有,3,脚,TO-92,封装和,8,脚,SOIC,封装两种，,如,图,2-57,所示，,8,脚,SOIC,封装的芯片中肚口为电源端，脚为数据输入,/,输出端，脚接地，其余为空脚。它既可用于单点测温，又可用于多点测温，由于其输出是数字信号，且是,TTL,电平，因此使用非常方便。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,2.,集成湿度传感器,集成湿度传感器采用集成电路技术，可在集成电路内部完成对信号的调整，具有精度高、线性好、互换性强等诸多优点，其中典型的器件是,HONEYWELL,公司生产的集成湿度传感器,IH3605,。,1)IH3605,集成湿度传感器的结构,由于,IH3605,内部的两个热化聚合体层之间形成的平板电容器电容量的大小可随湿度的不同发生变化，从而可完成对湿度信号的采集。热化聚合体层同时具有防污垢、灰尘、油及其他有害物质的功能。,IH3605,的结构如,图,2-58,所示。,IH3605,采用,SIP,封装形式，其引脚定义如,图,2-59,所示，有,3,个引脚，脚,(,一,),接地、脚,(OUT,）输出与湿度相对应的模拟电压、脚,(+),接电源。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,2)IH3605,集成湿度传感器的特性,IH3605,集成湿度传感器的电源电压为,45.8 V,，供电电流为,200A(SVDC),，精度为士,2%RH(0100%RH,25,、,U=5VDC),，工作温度为,-4085,。,IH3605,的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电源电压升高，输出电压将成比例升高，在实际应用中，通过以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值。,(1),首先根据下述计算公式，计算出,25,温度条件下相对湿度值,RHO,，即,式中,U,OUT,IH3605,的电压输出值,;,U,DC,IH3 605,的供电电压值,;,RHO25,时的相对湿度值。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,(2),进行温度补偿，计算出当前温度下的实际相对湿度值,RH,，即,式中,RH,实际的相对湿度值,;,t,当前的温度值，。,IH3605,的输出电压与相对湿度的关系曲线如,图,2-60,所示。,3)IH3605,集成湿度传感器的接口电路,由于,IH3605,的输出电压较高且线性较好，因此电路无须进行信号放大及信号调整。可以将,IH3605,的输出信号直接接到,A/D,转换器上，完成模拟量到数字量的转换。由于,IH3605,的输出信号范围为,0.83.9 V(25,时,),，所以在选择,A/D,转换器时应选择具有设定最小值和最大值功能的,A/D,转换器,TLC549,。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,IH3605,的典型接口电路如,图,2-61,所示，其核心器件采用,AT89C51,单片机，,A/D,转换器采用,TLC5498,位串行,A/D,转换器，,R,1,R,2,R,3,设定,A/D,转换器的最大输入电压，,R,4,R,5,R,6,设置,A/D,转换器的最小输入电压。在单片机内将读到的湿度值进行温度校正，得到实际的相对湿,度值。,四、任务实施,1.,电路设计,电路结构如,图,2-62,所示，以单片机为核心，配合,HIH3610,大信号线性电压输出湿度传感器和,DS18B20,数字温度传感器，实现温、湿度测试的功能，,TLC1549,是,10,位模数转换器。它采用,CMOS,上艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰能力强。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,该仪器具有测量精度高、硬件电路简单、显示界面友好、可测试多点温湿度等特点。,2.,工作原理,1),温、湿度检测,数字集成温度传感器,DS18B20,采用外加电源供电方式，可根据测温点数的需要将多个,DS18B20,挂在一根总线上，并与单片机,AT89C52,的,P1.0,口线相连。集成湿度传感器,IH3605,采集湿度信号，经过,A/D,转换器,TLC1549,转换为数字信号送入单片机，并用,LED,显示器实时显示温度和湿度值。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,2),温、湿度控制,当采样温度或湿度超出所设报警范围时，单片机对相应,I/O,口执行清零指令。因此，,I/O,口输出低电平。由于电路中采用,PNP,三极管，这时继电器会闭合，蜂鸣器电路接通，系统就能够发出报警，同样能通过继电器开启降温装置或加热装置及加湿或减湿装置，使被测环境温度和湿度保持在设定范围内。,被测环境温度或湿度在正常范围内时，单片机对相应,I/O,口执行置,1,指令，,I/O,口输出高电平，因此蜂鸣器不报警，且继电器不工作。在本电路中采用,PNP,三极管来提高驱动能力，使继电器工作。降温风扇、加热器及蜂鸣器的电气原理如,图,2-63,和,图,2-64,所示。,上一页,下一页,返回,任务五培养箱恒温恒湿控制器的设计,3),数据保存,为了将实时采集的各点温、湿度值保存下来，以便于对历史数据查阅和绘制出实时或历史温、湿度值变化曲线，同时也为便于将历史测量的温、湿度值传送给上位机，由上位机来完成各点温、湿度值的变化规律统计分析。这里扩展了一片基于,I,2,C,总线的高性能铁电存储器,FM24C256,，该存储器兼具,ROM,和,RAM,的优点。存储容量为,32KB,，由于本系统的数据采集周期可在,130 min,的范围内设置。为了便于按采集的日期及时间保存温、湿度值，扩展了,I,2,C,总线实时日历时钟,SD2002,，该器件可与,FM24C256,挂在同一条,I,2,C,总线上。数据保,存格式为,:,小时,(1B),、分钟,(1B),湿度值,(2B),温度值,(1B),，这样保存全部的,11,个通道温、湿度值所需的存储空间为,35B,，当数据采集周期设定为,10min,时，可保存,15h,的温、湿度数据。,上一页,返回,图,2-52 LM3914,内部结构,返回,图,2-53 AD590,外形和电路符号,返回,图,2-54 AD590,的特性曲线,返回,图,2-55 AD590,温度测量电路,返回,图,2-56 AN6701,的接线方式,返回,图,2-57 DS18B20,封装及引脚,返回,图,2-58 IH3605,的结构,返回,图,2-59 IH3605,的引脚,返回,图,2-60,输出电压与湿度关系曲线,返回,图,2-61 IH3605,接口电路,返回,图,2-62,温湿度检测仪,返回,图,2-63,降温风扇、加热器电气原理,(,加热器用,LED,灯代替,),返回,图,2-64,蜂鸣器电气原理,返回,