8路温度巡回检测、报警系统

8路巡回检测、报警系统

一、摘要

随着电子技术的发展，家用电器和办公设备的智能化、系统化已成为发展趋势，而这些高性能几乎都要通过电子电路实现。同时，温度作为与我们生活息息相关的一个环境参数，对其的测量和研究也变得极为重要。本实验基于数字、模拟电子电路相关知识，实现了8路温度巡回检测、报警系统。此系统包括555时钟电路、计数与译码显示电路、拨码开关和数据选择电路、蜂鸣报警电路、电压比较电路、Pt100测温电路等模块。各模块焊接前均用Multisim软件对电路进行了仿真。8路通道中，有6路采用拨码开关实现对通道的工作状态模拟，1路采用滑动变阻器与窗口比较器实现通道的工作状态模拟，还有1路为热电阻Pt100的测温电路，且后两路通道均设置两个阈值，可检测系统工作状态是否处于正常范围之内。该系统能够对多个通道的工作状态（如温度）是否正常进行巡回检测。当某一通道出现故障（如超温）时，由巡回检测系统发出报警并显示故障的通道号，故障排除后，系统可继续进行巡回检测。

二、设计任务

2.1 设计选题

选题八：8路巡回检测、报警系统的设计与实现

2.2 设计任务要求

（1）基本要求：用十进制计数器、数据选择器、显示译码器和适当门电路设计一个8路循环检测报警器，循环检测周期不超过8秒。当某一路出现故障（如超温）时停止检测，并且发出报警和显示故障的通道号；

（2）扩展要求1：电源电压模拟：要求采用滑动变阻器设计与实现2路电源电压输出的模拟。电压比较器可设定上、下限电压报警值；

（3）扩展要求2：实现1路热电阻Pt100的测温电路。

三、方案设计与论证

接通电源后，555芯片在3口输出10Hz的时钟信号，在此信号的控制下，74ls160开始在0~7内循环计数，通过QA，QB，QC，QD输出BCD码到74ls47和74ls151的A，B，C端口。八路通道的电压输出值送入74LS151八路数据选择器的D0~D7端，74LS151的Y和~W互为反码形式输出，Y接74LS160的控制端ENT，~W接蜂鸣器。正常情况下，~W输出为低电平，无法驱动三极管，蜂鸣器不响。当有某一路或多路出现故障时，Y端输出为低电平，计数器74LS160停止计数，QA，QB,QC输出数据保持为出现故障时接受的二进制码，通过译码器在共阳数码管上显示的是一个不变的值，即故障通道号，~W端输出一个高电平，三极管导通，蜂鸣器响。系统方框图见图1：

图1 系统方框图

此系统全部使用硬件搭建，未使用单片机，无需编程，芯片采用了74系列，在

满足题目要求的前提下降低了系统的开发成本，且硬件电路结构简单，易于实现。

四、电路单元参数的选定和设计实现

4.1 555时钟电路

将555接成多谐振荡器，当RST 为高电平时电路正常工作。DIS 端为555芯片内部三极管的集电极，当输出为高时，DIS 端电压被拉低至0V ，电容C1通过D2,R2放电，反之，输出为低时，VCC 通过R1，D1给C1充电。电路参数计算过程如下： 充电时间：1112**T Ln C R = 放电时间：2122**T Ln C R =

振荡周期：121122**()T T T Ln C R R =+=+ 取 10f Hz =

可 得：10.1C uF =，20.1C uF =，1750R k =，2750R k = 电路图如图2所示：

图2 555时钟电路

输出端仿真波形如图3所示：

图3 555仿真输出波形

图4 数码管显示电路

4.3 拨码开关和数据选择电路

八路通道参数由拨码开关模拟，送入74LS151八个数据输入口，其中A,B,C 为数据选择端口。正常情况下，Y 为高电平，~W 输出为低电平，故障时，Y 为低电平，~W 输出为高电平。为防止电流过大，拨码开关接有上拉电阻。74LS151的输出逻辑式为：

01234567(''')('')('')(')('')(')(')()

Y D A B C D A B C D A BC D A BC D AB C D AB C D ABC D ABC =+++++++'W Y = （即Y 和~W 互为反码形式输出）

拨码开关和数据选择电路如图5所示：

图5 拨码开关和数据选择电路

4.4 蜂鸣器报警电路

正常情况下，~W输出为低电平，无法驱动三极管，蜂鸣器不响，当有某一路或多路出现故障时，74ls151芯片的~W脚输出一个高电平（经实验检测为3.7v），三极管导通，蜂鸣器响，数码管显示故障通道号。蜂鸣器报警电路如图6所示：

图6 蜂鸣器报警电路

采用R18、R19、R20、Pt100构成单臂测量电桥（其中R18＝R19=R20=R ），当Pt100的电阻值和R 的电阻值不相等时，电桥输出一个mV 级的压差信号U1，U1经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号U2，电路中R25=R26、R27=R28,放大倍数＝R27/R25，运放采用单一5V 供电。Pt100阻值改变时，U2的阻值大小、正负也随之改变，因此，采用双路放大，可保证Pt100>R 、Pt100

经测试，实验室室温下，Pt100阻值为109Ω，所以取电桥电R=120Ω 具体计算过程如下：

100Pt R R R ?=-

电桥输出电压14E

U R R

=

?

运放输出电压27

2125

R U U R

测温电路如图8所示：

图8 测温电路

五、装调测试过程

5.1 测试仪器

（1）示波器 （2）学生电源 （3）数字万用表 5.2 555时钟电路测试

555时钟发生电路接入电源电压后，用示波器测试能够输出稳定方波信号。信号理论周期值为105ms,实测周期T 约为120ms,但仍满足测试周期小于8m 的要求。实际555输出波形如图9所示:

图9 555输出波形

5.3 计数与译码显示电路测试

正常工作状态下，计数器74ls160在0~7内循环计数，数码管同步显示计数数字，

实测图形如图10所示：

图10 数码管显示实测图

5.4 拨码开关和数据选择电路测试

图11 拨码开关断开，电路输入为高电平

5.5 蜂鸣器报警电路测试

图13 蜂鸣器报警实测电路（通道3出现故障，蜂鸣器响、数码管显示通道号）

5.6 电压比较电路测试

图14 L i H U U U <<，电路正常，数码管循环显示

图15 i H U U >，电路出现故障，蜂鸣器响、数码管显示故障通道号

图 16 i L U U ，电路出现故障，蜂鸣器响、数码管显示故障通道号

5.7 测温电路测试

图17 pt100放入开水中（约100℃），蜂鸣器响、数码管显示故障通道数

图18 pt100在室温中（约20℃），蜂鸣器响、数码管显示故障通道数

图19 pt100放入温水中（约50℃），蜂鸣器不响、数码管循环计数

六、实验注意事项及主要可能故障分析

常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，用以补偿连接导线的电阻引起的测量误差。流过铂电阻的电流不能太大，以不超过1mA为准，以免电流大使得Pt100电阻自身发造成测量温度不准确，查找资料可知，电流大于1.5mA将会有较明显的影响。运放采用单一5V电源供电，如果测量的温度波动比较大，将运放的供电改为±15V双电源供电，测量精度会有较大改善。数码管、拨码开关在使用时都应加上拉电阻，起分压、限流作用。芯片输出电平无法直接驱动蜂鸣器，应加入三极管。电路中适当使用二极管，可起到保护电路、优化电路的作用。电路输出端电平不稳时串入两个反相器即可保证输出稳定的高低电平。实际焊接时，各元件要合理布局，方便布线焊接。在更高频繁的接口，适当使用排针、杜邦线，可方便灵活的更改电路连接。电路未出现预期状态时，要正确使用万用表，先检查是否有虚焊、漏焊、短路现象，然后根据电路原理，从问题出发一步步分析排查故障点，可轻松找出并解决问题。

七、参考文献

附录1 系统电路图

附录2 元器件清单附录3实物照片