音頻鎖相環(huán)精密溫度控都制計(jì)電路設(shè)計(jì)說(shuō)明7477339

1、黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè)音頻鎖相環(huán)精密溫度控制計(jì)電路1 緒 論在工業(yè)生產(chǎn)中溫度、壓力，流量是四種最常見(jiàn)的過(guò)程變量。其中溫度是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過(guò)程。溫度控制不準(zhǔn)確就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量等一系列問(wèn)題。任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都與溫度密切相關(guān)，因此實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要任務(wù)。隨著社會(huì)工業(yè)化程度的提高，溫度這個(gè)和我們每個(gè)人生活息息相關(guān)的詞匯在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，各種工礦企業(yè)，科研機(jī)構(gòu)，都要用到溫度控制。例如：煙花爆竹工廠的倉(cāng)庫(kù)必須對(duì)溫度的上限有嚴(yán)格的控制，煉鋼廠的

2、鍋爐溫度等等，都需要對(duì)溫度的變化進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)和控制。常見(jiàn)的溫度控制系統(tǒng)，是先利用溫度敏感元件，如熱敏電阻，將溫度的變化轉(zhuǎn)換為熱敏電阻本身阻抗的變化，繼而引起其兩端電壓的變化，實(shí)現(xiàn)控制功能，雖其實(shí)現(xiàn)容易，但可靠性低，抗干擾能力差。本篇力求解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)思路是將溫度變化轉(zhuǎn)換為頻率變化加以控制，其具體原理是先借助溫度傳感器-熱敏電阻和ne555集成芯片組成多諧振蕩器，即可把溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幤鬏敵鲂盘?hào)頻率的變化，隨著溫度的漸漸升高，信號(hào)頻率也隨之慢慢改變，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，頻率也將確定。多諧振蕩器后接由lm567音頻譯碼芯片組成的鎖相環(huán)路，在溫度設(shè)定范圍內(nèi)，信號(hào)頻率與鎖相環(huán)路自身的振蕩頻率不

3、一致，該電路輸出為高電平，后續(xù)控制電路不動(dòng)作，指示電路只顯示綠燈，表明目前溫度正常；但當(dāng)溫度達(dá)到控制點(diǎn)，信號(hào)頻率就會(huì)與鎖相環(huán)路的振蕩頻率相一致，該電路將輸出低電平，從而啟動(dòng)后接控制器，接通報(bào)警電路，同時(shí)指示電路將點(diǎn)亮紅燈給予人們提醒。該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，可靠性好，實(shí)用價(jià)值高。在下面的章節(jié)里我們將具體分體其工作原理。2 溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介在電子電路控制系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)溫度的控制，首先要把溫度的變化量轉(zhuǎn)換為電量變化，才能加以分析處理和加以控制。本篇也不例外，取用的溫度敏感元件是具有靈敏度高，體積小，熱慣性小的熱敏電阻，它能把溫度的變化反映為其本身阻值的變化，從而就能引起電量的變化。由于我們要處理

4、的電量為信號(hào)頻率，那么我們就需要一個(gè)波形產(chǎn)生電路-多諧振蕩器，它的振蕩頻率由其外接電阻和電容控制，其兩個(gè)中任何一個(gè)元件參量的變化都將引起振蕩器輸出信號(hào)頻率的改變，因此我們可以用熱敏電阻代替振蕩器的外接電阻，從而就能將溫度的變化轉(zhuǎn)為頻率的變化。要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，必然要有控制條件，本篇的控制條件則是對(duì)溫度下限的控制，即當(dāng)溫度下降到某一設(shè)定值時(shí)，電路加以動(dòng)作，此時(shí)的溫度是確定值，那么熱敏電阻阻值也是確定的，則振蕩器輸出頻率也就確定了，顯然我們現(xiàn)在要做的將是在信號(hào)達(dá)到這一頻率時(shí)，電路采取措施。由此，我們就需要一個(gè)頻率比較電路-譯碼電路，先將該譯碼電路的自身頻率即參考頻率加以設(shè)定，當(dāng)控制信號(hào)頻率與參考

5、頻率不同時(shí)，譯碼電路輸出高電平；當(dāng)控制信號(hào)頻率與參考頻率相同時(shí)，譯碼電路輸出低電平。利用輸出的高低電平，將會(huì)很容易實(shí)現(xiàn)控制和指示，我們的設(shè)計(jì)思路也將由此展開(kāi)。下面是溫度控制系統(tǒng)總體框圖，如圖2.1所示:圖2.1 溫度控制系統(tǒng)總體框圖各部分簡(jiǎn)介如下：直流電源部分：為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定，可靠的直流電源。它由變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓四個(gè)部分組成。溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路：由溫度敏感元件及波形產(chǎn)生電路組成。利用正溫度系數(shù)熱敏電阻的特性-阻值隨著溫度的升高而增大，將溫度的變化轉(zhuǎn)變阻值的變化，阻值的變化引起頻率的變化，從而把溫度的改變轉(zhuǎn)化為信號(hào)頻率的改變。譯碼電路：當(dāng)輸入信號(hào)頻率與參考頻率不同時(shí)，譯碼電路輸出高電

6、平，當(dāng)信號(hào)頻率與參考頻率相同時(shí)，譯碼電路輸出變?yōu)榈碗娖??？刂萍爸甘倦娐罚涸谠试S溫度范圍內(nèi)，電路以綠燈顯示，當(dāng)超出溫度控制點(diǎn)時(shí)，電路以紅燈顯示，同時(shí)接通報(bào)警電路，給予提示。報(bào)警電路：產(chǎn)生音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，提醒人們溫度已超出設(shè)置點(diǎn)。3 電源部分直流電源的組成框圖如圖3.1所示。其中包括四個(gè)組成部分。本文電源部分具體電路如圖3.2所示。圖3.1 直流電源的組成框圖 圖3.2 直流電源部分電路圖3.1 電源變壓器城市電網(wǎng)提供的一般為220v(或380v)/50hz的正弦交流電，而本電路系統(tǒng)所需的是8v的直流電，因此要利用變壓器將220v的市電先降至合適的交流電壓，然后再將變換以后的變壓器次級(jí)電壓去

7、整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓幅值。3.2 橋式整流橋式整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦缘恼髟O管，將正負(fù)交替的正弦交流電壓整流成為單向的脈動(dòng)電壓。但是，這種單向電壓往往包含著很大的脈動(dòng)成分，距離理想的直流電壓還差得很遠(yuǎn)。橋式整流電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3 橋式整流原理圖由圖可知，在u2正半周內(nèi)，二極管d1、d3導(dǎo)通，d2、d4截止；u2負(fù)半周時(shí)，d2、d4導(dǎo)通，d1、d3截止。每?jī)芍欢O管串聯(lián)導(dǎo)通正弦電壓的半個(gè)周期，而負(fù)載電阻在一個(gè)周期內(nèi)均有電流通過(guò)，故兩只二極管中流過(guò)的電流平均值為負(fù)載電流的一半，且流過(guò)負(fù)載電阻rl的電流方向是一致的，因而使輸出電壓的直流成分得到

8、提高，脈動(dòng)成分得到降低。橋式整流電路的波形如圖3.4所示:圖3.4 橋式整流電路的波形圖橋式整流電路的主要參數(shù)如表3.1所示：表3.1 橋式整流電路的主要參數(shù)（忽略變壓器內(nèi)阻和整流管壓降）主要參數(shù)電路形式uo(av)/ u2sid(av)/ io(av)urm/ u2橋式整流0.9067501.41其中uo(av)為輸出直流電壓平均值，s為脈動(dòng)系數(shù)(整流輸出電壓的基波峰值與平均值之比)，id(av)為二極管正向平均電流，urm為二極管最大反向峰值電壓。3.3 濾波電路濾波電路由電容、電感等儲(chǔ)能元件組成。它的作用是盡可能地將單向脈動(dòng)電壓中的交流成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓，顯然，這

9、里需要利用截止頻率低于整流輸出電壓基波頻率的低通濾波電路。這時(shí)我們雖然得到了較平滑的直流電，但電壓值還易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，這樣的直流電源是不穩(wěn)定的。如圖2.2電容c1的作用是濾去電路中的低頻成分，c2、c3的作用是用來(lái)防止自激振蕩，減小高頻噪聲，改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。3.4 穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定。本篇選用固定正輸出8v的三端集成穩(wěn)壓器w7808，它具有體積小、可靠性高以及溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)，而且使用靈活、價(jià)格低廉，只有三個(gè)引出端子，分別接輸入端、輸出端和公共端，基本上不需外接元件，而且內(nèi)部有限流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和過(guò)壓

10、保護(hù)電路，使用更加方便、安全。它的封裝為塑料直插式，如圖3.5所示。 圖3.5 三端集成穩(wěn)壓器的外形、引腳功能及電路符號(hào)w7808是一個(gè)三端集成穩(wěn)壓器，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖3.6所示。圖3.6 三端集成穩(wěn)壓壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖可見(jiàn)，電路內(nèi)部實(shí)際上包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的各個(gè)組成部分，另外加上保護(hù)電路和啟動(dòng)電路?，F(xiàn)對(duì)各部分的作用扼要介紹一下：調(diào)整管在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流波動(dòng)時(shí)，調(diào)整自身的集-射壓降使輸出電壓基本保持不變；放大電路將基準(zhǔn)電壓與從輸出端得到的采樣電壓進(jìn)行比較，然后再放大并送到調(diào)整管的基極，放大倍數(shù)越大，穩(wěn)定性越好；基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路輸出電壓的穩(wěn)定性；采樣電路由兩個(gè)分壓電

11、阻組成，它將輸出電壓變化量的一部分送到放大電路的輸入端；啟動(dòng)電路的作用是在剛接通直流輸入電壓時(shí)，使調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等建立起各自的工作電流，而當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作時(shí)啟動(dòng)電路被斷開(kāi)，以免影響穩(wěn)壓電路的性能；保護(hù)電路將三種保護(hù)電路集成在芯片內(nèi)部，它們是限流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路和過(guò)壓保護(hù)電路。w7808的主要性能參數(shù)如表3.2所示。表3.2 w7808的主要參數(shù)表 參數(shù)名稱輸入電壓輸出電壓電 壓調(diào)整率電流調(diào)整率（5maio1.5a）最小壓差輸出噪聲輸出電阻峰值電流符號(hào)uiuosusiui-uounr0iom單位vv%/vmvvvma參數(shù)值1480.0145210182.24溫度/頻率轉(zhuǎn)換部分

12、4.1 555集成芯片簡(jiǎn)介555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路，在工業(yè)控制、定時(shí)、仿聲、電子樂(lè)器用防盜報(bào)警等方面應(yīng)用很廣。它主要由三個(gè)5k電阻組成的分壓器、兩個(gè)高精度電壓比較器、一個(gè)基本rs觸發(fā)器，一個(gè)作為放電通路的管子及輸出驅(qū)動(dòng)電路組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。圖4.1 555集成定時(shí)器電路結(jié)構(gòu)圖1、分壓器三個(gè)阻值均為5k的電阻串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成分壓器（555也因此而得名），為比較器c1和c2提供參考電壓，c1之同相輸入端“+”：=2vcc/3、c2之反相輸入端“-”：=vcc/3。如果在電壓控制端co(5腳)另加控制電壓，則可改變c1

13、、c2的參考電壓。工作中不使用co端時(shí)，一般都通過(guò)一個(gè)0.01f的電容接地，以旁路高頻干擾。2、比較器c1、c2是兩個(gè)電壓比較器。比較器有兩個(gè)輸入端，分別標(biāo)有“”號(hào)和“-”號(hào)，如果用u+和u-表示相應(yīng)輸入端上所加的電壓，則當(dāng)u+u-時(shí)其輸出為高電平，u+u-時(shí)輸出為低電平，兩個(gè)輸入端基本上不向外電路索取電流，即輸入電阻趨近于無(wú)窮大。3、基本rs觸發(fā)器由兩個(gè)與非門(mén)組成，它的狀態(tài)由兩個(gè)比較器的輸出控制，根據(jù)基本rs觸發(fā)器的工作原理就可以決定觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。是專門(mén)設(shè)置的可從外部進(jìn)行置“0”的復(fù)位端，當(dāng)=0時(shí)，使q=0、=1。4、晶體管開(kāi)關(guān)和輸出緩沖器晶體管td構(gòu)成開(kāi)關(guān)，其狀態(tài)受q端控制，當(dāng)q為“

14、1”時(shí)td截止、為“0”時(shí)td導(dǎo)通。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器，其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響。它的功能如表4.1所示。表4.1 555集成定時(shí)器功能表引腳2（）6（th）4（）3（）7（d）電平1低電平接通電平 -4時(shí)，f0ft，v8=“1”（代表懸空輸出）；當(dāng)t = -4時(shí)，f0ft，v8=“0”。在進(jìn)行電路調(diào)試時(shí)，先使溫度達(dá)到控制點(diǎn)，測(cè)出多諧振蕩器輸出信號(hào)頻率f0，調(diào)節(jié)rp2使lm567的5腳信號(hào)頻率ft=f0，這時(shí)8腳應(yīng)為低電平，在溫度為其它值時(shí)，8腳應(yīng)為高電平，證明電路可以正常工作。6 控制指示及報(bào)警電路 控制及指示電路原理如圖6.1所示。圖6.1 lm

15、567的外部控制原理圖由圖6.1可知：當(dāng)溫度在控制范圍內(nèi)，3腳輸入信號(hào)的頻率f0ft，這時(shí)8腳內(nèi)接晶體管截止，相當(dāng)于8腳內(nèi)部斷路，所以繼電器k不動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)所接的綠色發(fā)光二極管導(dǎo)通，說(shuō)明溫度在正常范圍內(nèi)。當(dāng)溫度下降到控制點(diǎn)時(shí)，3腳輸入信號(hào)的頻率f0ft，這時(shí)8腳內(nèi)接晶體管導(dǎo)通，繼電器k開(kāi)始動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，綠色發(fā)光二極光截止，紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通，同時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)接通后面的報(bào)警電路，以提示人們溫度超出控制范圍。由于繼電器為感性元件，在斷電的瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓，可能會(huì)損壞電路中的其它元件，為此需要在其線圈兩端并接一個(gè)二極管加以保護(hù)，d1叫做續(xù)流二極管，在繼電器斷電瞬間，線圈兩端

16、產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，與原先所加電源電壓方向相反，它使二極管導(dǎo)通，從而消除了對(duì)外電路的影響，起到了抑制瞬時(shí)高壓的作用。 前章電路，報(bào)警電路原理圖如圖6.2示。 圖6.2 電路原理圖報(bào)警電路也是一個(gè)多諧振蕩器，它產(chǎn)生的信號(hào)頻率在音頻范圍內(nèi)。如圖6.2示，在溫度上升到控制點(diǎn)時(shí)，繼電器k將動(dòng)作，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通本報(bào)警電路電源，該電路開(kāi)始工作，ne555的3腳將輸出音頻矩形波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)音。整rp3可以調(diào)整音頻信號(hào)的頻率，以達(dá)到自己滿意的音調(diào)效果，音頻信號(hào)頻率范圍為20hz20khz。圖中將ne555的4腳復(fù)位端接至溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路的輸出端，為的也是能夠改變信號(hào)頻率，這樣在設(shè)置不同的溫度控制點(diǎn)時(shí)，

17、喇叭發(fā)出的音調(diào)效果將會(huì)各不相同?？?結(jié)在整個(gè)電路中所選用的元器件價(jià)格低廉，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，有利于推廣，并且電路中部分元器件可自行更換，從而可適用于更多的領(lǐng)域。如熱敏電阻換為氣敏電阻，可對(duì)高溫蒸汽或有害氣體進(jìn)行監(jiān)控，換為光敏電阻可對(duì)光強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控。電路中采用的ne555集成電路可更換為其它555電路如ha17555等，各電路的引腳基本相同。另外，由于我們所用lm567譯碼芯片有著較寬的頻率范圍，因而對(duì)于熱敏電阻的選擇就更為靈活，只要保證其靈敏度、可靠性等一些重要參數(shù)滿足我們的要求，多諧振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)頻率在lm567鎖相環(huán)捕獲帶寬范圍內(nèi)，就可以進(jìn)行替換，但需要注意的是，若替換的熱敏電阻阻值偏

18、小，多諧振蕩器頻率將會(huì)變高，假若該頻率接近或超過(guò)報(bào)警器的頻率時(shí)，報(bào)警器所用555的復(fù)位端的信號(hào)所起作用將會(huì)變的微弱，音調(diào)變化將不會(huì)很明顯，且聲音也會(huì)變得刺耳，但其并不會(huì)影響溫度控制器的正常使用。這些工作不難從本文的原理中獲得，其具體電路有待于進(jìn)一步研究。致 謝本次關(guān)于音頻鎖相環(huán)精密溫度控制計(jì)電路的畢業(yè)設(shè)計(jì)在其他輔導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)下才得以順利完成，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我把大學(xué)幾年來(lái)所學(xué)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，提高了自己的思考能力，動(dòng)手能力，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，激發(fā)了創(chuàng)新意識(shí)。由于我們的知識(shí)水平有限，書(shū)中一定會(huì)有不當(dāng)與錯(cuò)誤之處，希望各位給予指正賜教。參考文獻(xiàn)1楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程(第三版).北京：高等教育出版，2006.05：26-