酿酒温度控制系统.doc

课 程 设 计 大 纲

学 院 名 称 电子信息与控制工程学院
课 程 名 称 智能仪器设计基础
开课教研室 测控技术与仪器
执 笔 人 韩婷婷
审 定 人
修（制）订日期

山 东 轻 工 业 学 院
课 程 设 计 任 务 书
学院 电 子 信 息 与 控 制 工 程 学 院 专业 测控技术与仪器
姓 名 韩 婷 婷 班 级 测 控08—1 学 号 200802051004
题 目 酿 酒 温 度 控 制 系 统
一、 主要内容
用80C51设计一个温度自动调节装置，选用热敏电阻温度传感器测酒窖内温度，由于热敏元件自身的特性需要在设计中采用线性补偿电路，将采集的信息进行A/D转换后送入单片机80C51，经单片机处理后，若有温度超出合理的温度就由单片机进行自动调节。
二、 基本要求
（1） 选用合适的热敏电阻温度传感器，设计线性补偿电路、转换电路、采样保持电路
（2） 有protel绘制的电路原理图
（3） 采用实验室可以提供的元件进行调试
（4） 完整的实验报告
三、 参考文献
王祁.智智能仪器设计基础.北京：机械工业出版社.2009
程德福，王君.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社.2007
完成期限：自 2011 年 6 月 27 日至 2011 年 6 月 30 日
指导教师：孙凯 孙涛 教研室主任 孙涛

一、课程设计的性质 3
二、课程设计的目的与任务 3
三、课程设计的要求 3
四、课程设计的内容 4
1、热敏温度传感器 4
2、前置放大电路 4
3、采样保持电路 8
4、A/D转换电路 9
5、80C51单片机 11
6、温度调节电路 13
五、课程设计心得 13
六、参考文献 14

酿酒温度控制系统
一、课程设计的性质
温度是影响酒精酵母生长与发酵的主要温度之一，在不同的温度下，酵母活动不同
＜10℃ 酵母菌不能生长繁殖
20～30℃ 液态酵母活动最适温度
20℃ 繁殖速度加快
30℃ 达到最大值
35℃ 繁殖速度迅速下降，呈疲劳态势
在一定范围内，温度越高，酵母菌的发酵速度越快，产酒精率越低，而生成的酒度就越低。因此，要获得高酒度的葡萄酒，必须将发酵温度控制在足够低的水平上。当发酵温度达到一定值时，酵母菌不再繁殖，并且死亡，这一温度就称为发酵临界温度。由于发酵临界温度受通风、基质含糖量、酵母菌的种类及其营养条件等多种因素的影响，所以很难将某一特定的温度确定为发酵临界温度，所以，生产中主要利用“危险温区”这一概念，一般为32~35℃红酒发酵最佳温度26~30 ℃，白、桃红酒发酵最佳温度18~20 ℃这次的设计就是为了更好的控制酒精发酵的温度而设计的。
二、课程设计的目的与任务
通过本次设计的系统，实现酒精发酵温度的更好控制，从而实现酵母菌在温度最适时达到酿酒的最佳效果，排除温度的影响，使酿酒系统得到更好的控制。
三、课程设计的要求
本课题主要实现以下几个部分的设计
（1） 热敏电阻温度传感器的线性补偿电路：运用电阻串并联补偿
（2） 数据采集转换电路：采样保持器与模数转换器的合理连接
（3） 数字信号处理及自动调节电路：通过80C51的各个管脚及软件实现
四、课程设计的内容
本次酒精发酵温度控制系统共包含热敏电阻温度传感器、前置放大器、采样保持电路、A/D转换电路、单片机、调节电路六部分组成。

前
置
放
大
电
路
采
样
保
持
电
路
A/D
转
换
电
路
80
C
51
单
片
机
温
度
传
感
器
温度调节电路

图一 整体电路结构
原理：热敏电阻温度传感器采集到的温度信号改变了热敏电阻的阻值，使传感器输出电压发生变化，这个电压信号在前置放大器中放大到A/D转换器可以接受的最大范围后送入采样保持电路，保证A/D转换器达到所需的动态特性，经过模数转换后的信号送入80C51单片机进行比较与调节。
1、热敏温度传感器
温度传感器选用的是热敏电阻温度传感器，热敏电阻具有灵敏度较高、稳定性强、互换精度高的特点。可使放大器电路极为简单, 又免去了互换补偿的麻烦。    

图一热敏电阻等效电桥原理图
热敏电阻具有负的电阻温度特性,当温度升高时,电阻值减小,它的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线,非线性度较大。热敏电阻虽可获得很好的响应时间和灵敏度，但其非线性严重，使在实际使用时特别是在较大测温范围时，必须加以线性化补偿。这次设计运用了电阻串并联(电阻网络)补偿。改善线性化的程度是以牺牲热敏电阻的灵敏度为代价的，因此只在很窄的温度范围有意义，适合这次的设计温度。

图二线性补偿后电桥电路
2、前置放大电路
放大器是增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要原件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。随着射流技术（见射流元件）的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系（如运算放大器）。
原理:　高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。乙类和丙类都适用于大功率工作丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。
分类：
通用型集成运算放大器
通用型集成运算放大器是指它的技术参数比较适中，可满足大多数情况下的使用要求。通用型集成运算放大器又分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，其中Ⅰ型属低增益运算放大器，Ⅱ型属中增益运算放大器，Ⅲ型为高增益运算放大器。Ⅰ型和Ⅱ型基本上是早期的产品，其输入失调电压在2mV左右，开环增益一般大于80dB。
高精度集成运算放大器
高精度集成运算放大器是指那些失调电压小，温度漂移非常小，以及增益、共模抑制比非常高的运算放大器。这类运算放大器的噪声也比较小。其中单片高精度集成运算放大器的失调电压可小到几微伏，温度漂移小到几十微伏每摄氏度。
高速型集成运算放大器
高速型集成运算放大器的输出电压转换速率很大，有的可达2~3kV/μS。
高输入阻抗集成运算放大器
高输入阻抗集成运算放大器的输入阻抗十分大，输入电流非常小。这类运算放大器的输入级往往采用MOS管。
低功耗集成运算放大器
低功耗集成运算放大器工作时的电流非常小，电源电压也很低，整个运算放大器的功耗仅为几十微瓦。这类集成运算放大器多用于便携式电子产品中。
宽频带集成运算放大器
宽频带集成运算放大器的频带很宽，其单位增益带宽可达千兆赫以上，往往用于宽频带放大电路中。
高压型集成运算放大器
一般集成运算放大器的供电电压在15V以下，而高压型集成运算放大器的供电电压可达数十伏。
功率型集成运算放大器
功率型集成运算放大器的输出级，可向负载提供比较大的功率输出。
光纤放大器
光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。
这次设计使用的是通用测量放大器
通用测量放大器由3个放大器A1、A2、A3构成，如下图所示，其对称性结构使整个放大器具有很高的共模抑制能力，特别适合长距离测量。通常为保证放大器的共模抑制能力，电路参数对称，即R1=R2；R3=R4；R5=R6，此时放大器的输出电压为VOUT=（VIN+—VIN-）（2R1/RG+1）

(1.1)
图二 通用测量放大器结构
本次系统设计采用的是AD公司生产的用于仪器仪表的通用单片放大器，具有成本低、精度高、功耗低、工作频带宽、使用简单等特点，其主要指标如下：
体积小，只有八个引脚。
仅用一个外接电阻设置增益，增益范围为1～1000，G=（49.4k/RG）+1。
电源电压范围宽：±2.3～±18V。
性能优于3个独立的运算放大器。
低功耗，电源电流最大为1.3mA。
优良的直流性能：
输入失调电压<50uF，
输入失调漂移<0.6uV/℃，
输入偏置电流<1.0nA，
共模抑制比>100dB（G=10）。
低噪声
输入信号宽度120kHz(G=100),到0.01%的建立时间为15us

1 8

2 - 7

3 + 6

4 5

外界增益电路RG
输入信号负-IN
输入信号正+IN
负电源输入-VS
外界增益电阻RG

正电源输入+VS
OUTPUT输出
PET参考电压

图三 AD620引脚分配图
3、采样保持电路
采样保持电路由模拟开关、存储元件和缓冲放大器A组成。在采样时刻，加到模拟开关上的数字信号为低电平，此时模拟开关被接通，使存储元件（通常是电容器）两端的电压UB随被采样信号UA变化。当采样间隔终止时，D变为高电平,模拟开关断开,UB则保持在断开瞬间的值不变。缓冲放大器的作用是放大采样信号，它在电路中的连接方式有两种基本类型：一种是将信号先放大再存储，另一是先存储再放大。对理想的采样保持电路，要求开关没有偏移并能随控制信号快速动作，断开的阻抗要无限大，长的时间内保持数值不变。
采样保持器可以把信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。在模数转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，降低模数转换器的孔径时间，提高模数转换器的精确度和消除转换时间的不准确性。一般生产过程控制计算机的模拟量输入可能是每秒几十点、几百点，对于大型系统甚至上千点,往往需要高速采样(如5000～10000点／秒)。为使这些模拟量信号逐个地送到模数转换器，而不至降低被测信号的真实性，必须采用采样保持器。
Vi
S
控制信号VC
C
Vo
A1
A2

图四 采样保持器原理示意图
这次设计使用的是LF398采样保持器，这种保持器具有采样速度快，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。其采样时间小于6us时精度可达0.01%；在保持电容为1uf时，下降速率为5mV/min；作单位增益跟随器工作时，直流增益精度为0.002%；其输入阻抗为1010，与高阻抗信号相连也不会影响精度。
8逻辑
7逻辑参考
2
调零
3
输入
保持电容CH
6
—VEE
4
+VCC
1

——
+
A1
——
+
A3
—
+
A2
输入缓冲
阈值比较器
场效应管开关
30k
300

输出缓冲

5输出

图五 LF398原理结构图
LF398是比较常用的采样保持器，该芯片为8端双列直插封装形式，引脚3为模拟量输入端，引脚5为模拟量输出端，引脚8、7分别为逻辑信号和逻辑参考电平端，引脚8加逻辑高电平采样，加低电平则为保持端，引脚6为保持电容链接端，用以外接保持电容，引脚2为调零端，引脚1、4为电源端，电源设置范围为±5～±18V。
4、A/D转换电路
设计采用了TLC2543的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
TLC2543的特点
（1）12位分辩率A/D转换器；
（2）在工作温度范围内10μs转换时间；
（3）11个模拟输入通道；
（4）3路内置自测试方式；
（5）采样率为66kbps； （6）线性误差±1LSBmax；
（7）有转换结束输出EOC；
（8）具有单、双极性输出；
（9）可编程的MSB或LSB前导；
（10）可编程输出数据长度
引脚号
名称
I/O
说明
1～9,11,12
AIN0～AIN10
I
模拟量输入端。11路输入信号由内部多路器选通。对于4.1MHz的I/OCLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50Ω，而且用60pF电容来限制模拟输入电压的斜率
15
CS(—)
I
片选端。在端由高变低时，内部计数器复位。由低变高时，在设定时间内禁止DATAINPUT和I/O CLOCK
17
DATAINPUT
I
串行数据输入端。由4位的串行地址输入来选择模拟量输入通道
16
DATA OUT
O
A/D转换结果的三态串行输出端。为高时处于高阻抗状态，为低时处于激活状态
19
EOC
O
转换结束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止
10
GND

地。GND是内部电路的地回路端。除另有说明外，所有电压测量都相对GND而言
18
I/O CLOCK
I
输入/输出时钟端。I/OCLOCK接收串行输入信号并完成以下四个功能：（1）在I/O CLOCK的前8个上升沿，8位输入数据存入输入数据寄存器。（2）在I/OCLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/OCLOCK的最后一个下降沿为止。（3）将前一次转换数据的其余11位输出到DATA OUT端，在I/OCLOCK的下降沿时数据开始变化。（4）I/OCLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位
14
REF+
I
正基准电压端。基准电压的正端（通常为Vcc）被加到REF+，最大的输入电压范围由加于本端与REF-端的电压差决定
13
REF-
I
负基准电压端。基准电压的低端（通常为地）被加到REF-
20
Vcc
I
电源
表一 TLC2543
1 20
2 19

3 18

4 17
5 16

6 15

7 14
8 13

9 12
10 11

AIN0
AIN1

AIN2

AIN3
AIN4

AIN5

AIN6
AIN7

AIN8
GND
VCC
EOC

CLOCK

DATAI
DATAO

CS

REF+
REF-

AIN10
AIN9

图六 TLC2543引脚排列
TLC2543进行数据采集非常方便，与单片机的接口只要按照表一进行即可。
5、80C51单片机
　P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/ 地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
　　P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
　　P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
　　P3.0 RXD（串行输入口）
　　P3.1 TXD（串行输出口）
　　P3.2 /INT0（外部中断0）
　　P3.3 /INT1（外部中断1）
　　P3.4 T0（记时器0外部输入）
　　P3.5 T1（记时器1外部输入）
　　P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
　　P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
VCC：供电电压。
GND：接地。

6、温度调节电路
图七 80C51引脚图
五、 课程设计心得
通过这次设计使我对专业课程有了进一步了解，对自己的课程有了进一步的认识，使自己将自己的专业课程系统的复习了一次，这次设计的最大收获就是知道了很多自己不知道的知识，学会了protel99自制元件库的方法，对protel99这个软件有了更深一步的了解与认识，第二次使用，不仅仅是对这款软件的一个学习，也是对它的一个复习，通过这次设计使自己深切体会到了孰能生巧的道理，以后要对学过的知识加强复习与练习，这次设计自己的知识又上了一个新的台阶，动手能力与思维能力更加加强了，以后一定会好好对待设计实验的。
对以前的基础知识进行了系统的复习，对深层次的专业课有了更深的认识，通过这次设计，自己还学会了用word画图的功能，拓展了自己能力。
总之，通过这次设计自己受益匪浅。
六、参考文献
1.王祈.智能仪器设计基础.机械工业出版社.2010
2.程德福，王君，凌振宝，王言章.传感器原理及应用.机械工业出版社.2007
3.王洪君.单片机原理及应用. 山东大学出版社.2009
4.王庆正，郑初华等.Protel99se&DXP电路设计教程.电子工业出版社.2006
5.童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）. 高等教育出版社.2001
6.阎石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社.2005
7.申忠如，郭福田，丁晖.现代测试技术与系统设计（第二版）.西安交通大学出版社.2009
8.邱关源.电路（第四版）.高等教育出版社.1999
9.山东省教育厅组.计算机文化基础（第七版）.2008

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