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1 逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文溫度控制系統之研究 A Study on Heat Exchanger of Temperature Control System 指導教授 : 賴啟智學生 : 田匡堯中華民國九十八年四月二十二日

3 感謝在此專題中, 感謝賴啟智老師在專題製作中的指導與建議, 並協助我完成這份專題, 老師的悉心指導, 使我學到了更多的知識與經驗, 在此深深感謝另外, 感謝所有在專題製作期間給過我幫助的老師助教朋友們等等, 在此感謝各位的幫助, 使我能完成這份專題 ii

4 中文摘要在本文中, 利用一個感測器 AD590 和 8951 微處理器來了解溫度觀測的原理與方法因此, 首先介紹市面上常見的各種感測器, 並深入介紹溫度感測器與 AD590, 並由此感測系統以達到溫度感測的目的接下來, 利用 AD590 本身的特性與電路元件結合, 做到溫度監控的目的此外介紹電路與在實驗中會用到的晶片與元件, 與整體的電路流程最後是檢討與結論, 探討此專題遇到的問題, 及解決的方法, 以達到希望的目標 iii

5 ABSTRACT In this paper, the use of a microprocessor sensor AD590 and 8951 to understand the temperature of the principle and method of observation. Therefore, the first market to introduce a variety of common sensors, and depth information on temperature sensors and AD590, and the resulting sensor system in order to achieve the purpose of sensing temperature. Next, using AD590 own combination of features and circuit elements, to achieve the purpose of temperature monitoring. Also introduced with the circuit used in the experiment with the components of the chip, and the whole process of the circuit. Finally, with the conclusions of the review to explore the problems faced by the topic, and solutions in order to achieve the desired goal. iv

6 目錄感謝...ii 中文摘要...iii 英文摘要...iv 圖目錄...vi 表目錄...vii 1 前言理論探討感測器的用途感測器的分類溫度感測器各式溫度感測器介紹有關 AD 性能簡介特性誤差修正其他應用電路的構造與分析 AD590 與放大器電路 ADC 與七段顯示器 LS 流程圖結論...24 參考資料文獻...25 附錄...26 v

7 圖目錄圖 2.1 熱敏電阻...7 圖 2.2 熱敏電阻 - 臨界溫度變化...7 圖 2.3 電源電壓與出力電流關係圖...8 圖 2.4 AD590 接腳圖...9 圖 2.5 AD590 內部結構...9 圖 2.6 修正電路...10 圖 2.7 修正後的輸出特性...11 圖 2.8 最低溫度測量...11 圖 2.9 平均溫度測量...12 圖 2.10 溫度差測量...13 圖 3.1 AD590 與放大器電路...14 圖 3.2 ADC0804 接腳圖...15 圖 3.3 ADC0804 內部結構方塊圖...16 圖 3.4 MCS-51 接腳圖...17 圖 3.5 使用內部震盪器接線圖...18 圖接腳圖...19 圖 LS139 接腳圖...20 圖 LS139 邏輯圖...20 圖 LS139 邏輯圖...21 vi

8 表目錄表 2.1 半導體材料的感測器...3 表 2.2 陶瓷材料的感測器...4 表 2.3 溫度感測器的分類...5 表 3.1 埠 3 之特殊功能...18 表 LS139 真值表...21 vii

9 第一章前言在現在科技與生活越來越進步的情況下, 用到自動控制的情況是越來越多, 像是有關於溫度的冷氣的定溫控制電熱水瓶的定溫保溫鍋爐的加熱等, 也有利用眼球移動而取代滑鼠移動的系統, 更有利用加速規來測量加速度, 進而發展成電玩遊戲等, 都是自動控制用在生活上的例子然而在自動控制的系統裡, 為了要讓系統能了解外部環境的變化, 便需要使用感測器像溫度就要使用 PT100 AD590 等, 眼球移動要用攝影機來補抓, 在電玩遊戲的控制器裡放入加速規來達到生歷其境的目標等, 都需要使用感測器來擷取外部的訊號, 藉此來達到控制系統的目的然而在各式的感測器中, 有關於溫度的感測器是離我們日常生活最接近的, 並且在日常生活中最常使用的因此此專題的目的便研究如何將溫度感測器的訊號, 轉換成可處理的資訊 1

10 第二章理論探討 2.1 感測器的用途在一個自動控制電路裡, 感測器為得知外部訊息的重要元件, 除了用在感知與測定外, 也有運用在其他用途, 有如人體的眼鼻皮膚等, 若沒有了感測器, 系統便無法得知外界的變化, 更不可能達到控制的效果感測器在接受了訊號之後, 在經由訊號的放大與轉換, 在傳導至處理器, 處理器發送訊號影響外部環境之後, 再由感測器接收, 繼續下一個循環因此, 感測器可說是在一控制電路中最重要的元件之一, 選擇感測器時需要注意其機能與性能, 才不會事倍功半, 達不到想要的效果 2.2 感測器的分類感測器的種類繁多, 可量測的對象有 : 1. 溫度 2. 壓力 3. 流量 4. 位移 5. 液位 6. 加速度 7. 氣體 8. 光線 9. 溼度 2

11 10. 超音波 11. 磁場若依材料分類, 可分為 : 1. 半導體材料, 如下表 2.1 所示 : 表 2.1 半導體材料的感測器分類效應材料光感測器光電效應紫外光用 SE,AS2E3 可見光用 PB2S2,CdSe 紅外光用 PB0 PBs 光電動效應紫外光用 Si Au-Zns 可見光用 Si Ge 壓力感測器磁力感測器壓電半導體效應壓電阻抗效應霍爾效應磁性阻抗效應紅外光用 Ge Si InSb Si Si Ge Ga InSb InSb Ge Si InSb 溫度感測器熱阻抗效應 NiO MnO Fe203 3

12 2. 陶瓷材料 : 陶瓷材料具有耐熱耐蝕耐磨等特性, 如下表 2.2 所示 : 表 2.2 分類陶瓷材料的感測器輸出溫度感測器阻抗變化磁性變化速度感測器光感測器反射波形變化電動勢變化可見光變化氣體感測器阻抗變化電動勢變化溼度感測器阻抗變化介電率變化離子感測器阻抗變化電動勢變化 3. 有機材料 : 利用刺激材料, 使其轉換成電器特性, 達到檢測特性 4. 金屬材料 : 金屬材料的感測器應用範圍有溫度流速磁場等 5. 複合材料 : 是利用各種不同的材料組合, 而達到另一種新的機能, 如雙金屬複合材料可作為溫度感測器 4

13 2.3 溫度感測器目標感測器的種類繁多, 各有學問, 因此在這裡選用溫度感測器, 來做為研究的量測溫度的感測器如下表 2.3 所示 : 表 2.3 溫度感測器的分類溫度感測所得之物理量利用熱膨脹溫度感測器的種類氣體溫度計玻璃棒狀溫度計雙金屬片溫度計液壓溫度計瓦斯溫度計利用電阻變化白金測溫電阻感溫半導體或熱阻器利用熱電動勢利用電容利用電晶體特性利用彈性熱電偶 TIO3 電晶體晶體震盪器超音波溫度計 2.4 各式溫度感測器介紹在溫度感測方面, 有幾種常見的感測方式 : 1. 利用電壓 : 利用隨著溫度的高低而改變的電壓, 例如以 LM35DZ 為例, 其為屬於電壓變化的感測元件, 工作電壓在 +4V 到 +30V 量測範圍在 0 C 到 100 C, 每增加 1 C, 輸出增加 10mV, 誤差在 2 C 之間 5

14 2. 利用電阻 : 利用隨著溫度的高低而改變的電阻, 例如以 PT100 為例, 其為屬於電阻變化的感測元件, 在 0 C 時電阻為 100Ω, 溫度係數為 3850 ppm/ C, 也就是 0.385Ω/ C, 算式為 : 100Ω ppm/ C=0.385Ω PT100 白金感溫電阻, 有分圍繞線式與薄膜式, 不同包裝以適應不同的場合來使用為了將電阻轉換成電壓, 有以下幾種方法 : (1) 分壓法 (2) 定電流法 (3) 電阻電橋法 (4) 有源電橋法 (5) 頻率改變法 3. 利用電流 : 利用隨著溫度的高低而改變的電流, 例如以 AD590 為例, 其屬於電流變化的感測元件, 工作電壓在 +4V 到 +30V 量測範圍在-55 C 到 150 C, 每增加 1K, 輸出增加 1µA,0 C 時輸出為 273.2µA 為本專題的感測用 IC 4. 其他較常見的還有熱敏電阻, 但只適用在於不需要線性變化, 而且在定點的溫度開關, 可分為三大類 : (1) 正溫度係數 (2) 副溫度係數 (3) 臨界溫度變化之熱敏電阻 6

15 圖 2.1 熱敏電阻 -(a) 正溫度係數 (b) 負溫度係數圖 2.2 熱敏電阻 - 臨界溫度變化 (c)(d) 7

16 2.5 有關 AD 性能簡介 AD590 為 Analog Devices 公司所生產的溫度感測器, 它的包裝外型有 TO92 TO52 及扁平的塑膠包裝三種, 而其誤差等級很多, 精確度較高的為 M 級, 而以 I 級的精確度誤差最大, 在國內零售市場內販售的大多為 J 級的產品 AD590 為一個與絕對溫度 ( K) 成正比的定流電源, 它的供應電壓從 4V 至 30V, 如圖 2.3, 而感測的溫度範圍可從 -55 C 到 150 C,A D590 包裝如圖 2.4, 如同電晶體有 3 隻腳, 一為正端輸入腳, 一為負端輸出腳, 一為與外殼相接或空腳 AD590 有一個標準化的輸出 (1µA/ K ), 其線性非常好, 使用容易不需要電橋, 因其輸出為電流, 所以可以使用很長的導線也不會造成壓降或感應雜訊電壓而產生誤差, 且它是極高阻抗的電流源, 所以它對供應電壓並不敏感, 這是其供應電壓範圍非常廣泛的原因, 而圖 2.5 為其內部結構圖圖 2.3 電源電壓與出力電流關係圖 8

17 圖２４ＡＤ５９０接腳圖圖２５ＡＤ５９０內部結構 9

18 2.5.2 特性因為 AD590 之輸出電流與絕對溫度成正比, 即每上升 1 K, 其輸出電流增加 1µA 因此欲換算成攝氏溫度時, 因 0 C 為 K, 所以將其輸出電流減去 µA 即為攝氏溫度, 若欲轉換成電壓, 利用 V=IR, 乘上一個電阻值即可誤差修正 AD590 依其誤差等級會有一定的偏離值, 因此必須要加以修正來獲得精確的測量結果, 在本專題裡, 使用的是利用一個修正電路, 如圖 2.6, 為一修正電路, 圖 2.7 為修正後的輸出特性, 利用 950Ω 的電阻與可變電阻的微調, 使其調整至 1KΩ, 此時因為 V=IR, 所以輸出變成 : 1µA 1KΩ=1mA/ K 即可從電壓的變化得知溫度, 同時修正誤差圖 2.6 修正電路 10

19 圖 2.7 修正後的輸出特性其他應用 1. 最低溫度測量 : 將數個 AD590 安裝在不同的測溫處, 如圖 2.8 所示之串聯刑式, 即可測出各測試溫度中溫度最低者因各 AD590 的測試溫度不一樣, 但因輸出電流受串聯的限制, 其迴路電流為測試溫度最低者之電流值, 若在經過 10KΩ 支負載電阻, 可轉換為電壓輸出圖 2.8 最低溫度測量 11

20 2. 平均溫度測量 : 若將數個 AD590 並聯, 如圖 2.9 所示, 則通過負載電流之電流, 為各 AD590 輸出電流之和, 若選擇的負載電阻為只有一個 AD590 負載電阻的 1/N 倍 (N 為 AD590 數目 ), 則在負載電阻所得到電壓即代表其平均的溫度圖 2.9 平均溫度測量 3. 溫度差測量欲測試 A 與 B 兩點間之溫度差時, 可用兩個 AD590 接成如圖 2.10 所示之電路 A 與 B 之 AD590 電流之差, 即為溫度差其電流差通過電阻 R3 使得 IC741 之輸出電壓轉換率為 10mV/ C 之溫度差而可變電阻 R2 的主要公用是調整當 A 與 B 的溫度相等時,IC741 之輸出為 0 12

21 圖 2.10 溫度差測量 13

第三章電路的構造與分析 3.1 AD590 與放大器電路將 AD590 串聯一個 5KΩ 的電阻接地, 這個 5KΩ 的電阻必須要十分精確, 不然將影響量測的結果, 因此將一固定電阻與可變電阻合為一個 5KΩ 的電阻, 如圖 3.1 所示, 並調整 SVR1 使其總電阻為 5KΩ, 此時電阻兩端的電壓變化為 5mV/ K, 因為 0 C=273.

22 第三章電路的構造與分析 3.1 AD590 與放大器電路將 AD590 串聯一個 5KΩ 的電阻接地, 這個 5KΩ 的電阻必須要十分精確, 不然將影響量測的結果, 因此將一固定電阻與可變電阻合為一個 5KΩ 的電阻, 如圖 3.1 所示, 並調整 SVR1 使其總電阻為 5KΩ, 此時電阻兩端的電壓變化為 5mV/ K, 因為 0 C= K, 所以電阻兩端的電壓在 0 C 時為 V, 可調整 SVR2 使其電壓為 V 以抵補消除, 使它的變化量為 50mV/ C( 放大器電路放大十倍 ) 如果加至 ADC8084 輸入最大電壓為 5V, 轉換之數位值為 250, 必須乘以 0.4 修正, 我們可以將數位值乘以 4, 再顯示時, 取一小數即可圖 3.1 AD590 與放大器電路 14

23 3.2 ADC0804 ADC0804 是一顆八位元的 A/D 轉換器, 它是逐次漸近的 ADC 具有差動式類比較入端, 且含有時脈產生電路, 其頻率由外加的 R C 決定, 其外加零件很少, 故與微處理機介接時比較容易, 其主特性如下 : (1) 八位元 CMOS 逐次漸近型 ADC (2) 三態閂鎖輸出 (3) 轉換時間 100µS (4) 誤差最大 1LSB 圖 3.2 ADC0804 接腳圖 15

24 圖 3.3 ADC0804 內部結構方塊圖 16

25 圖 3.4 MCS-51 接腳圖 VCC(40): 正電源 (+5V) 接腳 VSS(20): 地電位 (GND) 接腳 RST(9): 重置信號輸入腳 /EA(30): 外部存取致能 ALE/PROG(29): 位址閂鎖致能 / 燒錄脈波輸入 /PSEN(29): 程式儲存致能 17

26 P0(32 39): 埠 0 P1(1 8): 埠 1 P2(21 28): 埠 2 P3(10 17): 埠 3 埠 3 的每一隻接腳除了當雙向 I/O 埠外, 都有第二種功能 : 表 3.1 埠 3 之特殊功能埠腳功能埠腳功能 P3.0 RXD( 串列埠輸入 ) P3.4 T0( 計時器 0 外部時脈輸入 ) P3.1 TXD( 串列埠輸出 ) P3.5 T1( 計時器 1 外部時脈輸入 ) P3.2 /INT0( 外部中斷 0 輸入 ) P3.6 /WR( 外部資料記憶體寫信號 ) P3.3 /INT1( 外部中斷 1 輸入 ) P3.7 /RD( 外部資料記憶體讀信號 ) XTAL1/XTAL2(19/18): 時脈接腳使用內部震盪器時 : 圖 3.5 使用內部震盪器接線圖 18

27 與七段顯示器圖接腳圖七段顯示器由發光二極體組合而成, 分為共陰及共陽兩型, 將內部所有 LE D 的陰極接在一起的稱為共陰型, 內部所有 LED 的陽極接在一起的稱為共陽型, 由於七段顯示器分為共陰型及共陽型, 所以 7447 至七段顯示器的數位積體電路也分為兩類,TTL 的及 CMOS 的 4511 必須配合共陰型七段顯示器使用, 而 TTL 的就必須配合共陽型七段顯示器使用這些 IC 的輸出端為了要驅動 LED 均有提高耐壓及輸出電流的設計若七段顯示器的電源為 5V, 限流電阻可用 330Ω, 輸出電流將限制在 10mA 左右專題那所用的七段顯示器為四顆一組的包裝, 接腳為 : 上排 :c4 a f c3 c2 b 下排 :e d p c g c1 19

28 3.5 74LS139 圖 LS139 接腳圖圖 LS139 邏輯圖 74LS139 為一內含二組二線對四線解碼器之 IC, 如上圖所示,1 2 3 和為一組, 和為一組 20

29 圖 LS139 邏輯圖表 LS139 真值表 21

30 3.6 流程圖主程式 : 副程式 : 22

31 第四章結論在這個專題的製作過程裡, 為了達成所需要的電阻值, 而設置了兩個可變電阻來調整到精確的電阻值, 但是想要用可變電阻來調整至分毫不差卻是難以達成的事, 雖比直接接電阻好, 但也因此使裝置產生些許誤差, 若能調整的越精確, 想必越能減少誤差而為了裝置所需要的電壓, 我使用了電源供應器, 然而電源供應器的輸出電壓經過三用電表量測後發現電壓輸出並非剛好是所需的值, 有些許誤差, 進而產生了影響使 AD590 的輸出結果也有了誤差存在, 若能使用更準確的電壓輸出, 想必能得到更精確的結果吧另外, 若能在實驗中使用所介紹量測的其他方法, 如將 AD590 串聯起來的最低溫度測量, 或是並聯的平均溫度測量, 想必也能提升實驗結果的準確性, 使實驗更加精確此外, 在實驗裡, 未能把電路洗成電路板, 縮小其體積, 與體積過大的電源供應器, 都是這個專題裡可以改進的地方, 如果可以加以改進, 想必可以更加實用, 使用範圍更廣在本專題裡, 所做的是有關溫度的量測與觀察, 將來可利用此觀測電路作為基本, 應對各種狀況與需要搭配其他的外接元件, 已達到各種要求另外, 在這次的專題製作裡, 我學到了有關於感測器的原理與用法, 也使我過去在課堂內所學的學問能再一次的複習與了解, 使課本上的知識, 成為實際上的生活體驗, 也使我對相關 IC 零件有了新的了解與發現 23

32 參考資料文獻 1 書名 :8051 單晶片設計實務作者 : 楊明豐出版社 : 碁峯資訊股份有限公司出版日期 :1998 年 5 月 2 書名 : 微處理機實習作者 : 楊明豐出版社 : 松崗電腦圖書資料股份有限公司出版日期 :1996 年 4 月 3 書名 : 單晶片微電腦原理與實習作者 : 楊忠煌黃博俊李文昌出版社 : 碁峯資訊股份有限公司出版日期 :1998 年 5 月 4 書名 : 感測器應用電路作者 : 金進堂出版社 : 建興出版社出版日期 : 民國 78 年 5 書名 : 單晶片微電腦原理與實作作者 : 李齊雄游國幹出版社 : 碁峯資訊股份有限公司出版日期 :1998 年 12 月 24

33 附錄一 : 總電路圖 : 25

34 附錄二 : 程式 : BUF EQU 30H NUM EQU 40H CNT1 EQU 41H CNT2 EQU 42H ; ORG 00H AJMP START ORG 03H AJMP INT0 ORG 0BH AJMP TIMER0 START:ACALL INIT SJMP $ ; INIT:MOV SP,#60H MOV P1,#FFH MOV 20H,#0 MOV 21H,#0 MOV NUM,#0 MOV CNT1,#0 MOV CNT2,#4 MOV R1,#BUF MOV R0,#4 INC R1 DJNZ R0,LOOP1 SETB EA SETB EX0 SETB ET0 MOV TMOD,#1 MOV TH0,#>( ) MOV TL0,#<( ) SETB TR0 MOV R1,#BUF RET ; INT0:PUSH A 26

35 MOVX DJNZ CNT1,S1 MOV CNT1,#0 DJNZ CNT2,S1 MOV CNT2,#4 ACALL TRANS POP A RET1 ; TRANS:MOV B,#4 MUL AB MOV 20H,B MOV 21H,A ACALL BIN2BCD MOV 20H,R4 MOV 21H,R3 ACALL BCD2BUF RET ; BIN2BCD:MOV R5,#16 CLR A MOV R3,A MOV R4,A NEXT:MOV A,21H RLC A MOV 21H,A MOV A,20H RLC A MOV 20H,A MOV A,R3 ADDC A,R3 DA A MOV R3,A MOV A,R4 ADDC A,R4 DA A MOV R4,A DJNZ R5,NEXT EXIT:RET ; BCD2BUF:MOV R0,#BUF MOV A,20H 27

36 SWAP A ANL A,#0FH MOV A,20H ANL A,#0FH INC R0 MOV A,21H SWAP A ANL A,#0FH INC R0 MOV A,21H ANL A,#0FH INC R0 RET ; TIMER0:PUSH A MOV TH0,#>( ) MOV TL0,#<( ) ACALL DISP POP A RETI ; DISP:MOV A,NUM SWAP A ADD A,@R1 MOV P1,A MOV A,NUM INC A MOV NUM,A INC R1 CJNE A,#4,D1 MOV NUM,#0 MOV R1,#BUF D1:RET END 28

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<4D F736F F D20B3E6B4B9A4F930365F32A443AC71C5E3A5DCBEB9B1B1A8EE2E646F63> 七段顯示器控制電路四位數 _ 使用解碼器驅動 +5 V 10 uf 8.2 k 12 MHz 20 pf 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RESET 10 P3.0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 XTAL2 XTAL1

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