水溫控制電路的設(shè)計(jì)報(bào)告

1、華北科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)水溫控制電路設(shè)計(jì)報(bào)告一 設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn) 1.1系統(tǒng)概述 水溫控制器電路的總體框圖如圖1所示。它由溫度傳感器、同相比例運(yùn)算放大電路、比較電路、加熱電路，顯示電路和電源電路6部分組成。 圖1 水溫控制電路的總體框圖本設(shè)計(jì)要將水溫轉(zhuǎn)化成電信號(hào)才能控制。所以采用溫度傳感器來(lái)轉(zhuǎn)化,將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，經(jīng)同相比例運(yùn)算放大電路適當(dāng)放大后與設(shè)定的電壓比較，設(shè)定的電壓就代表特定的溫度值。當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，控制電路停止加熱，同時(shí)顯示電路開(kāi)始工作，進(jìn)行報(bào)警提示；當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，使電路接通加熱。這樣就能自動(dòng)控制溫度在某個(gè)值或小范圍波動(dòng)。電源電路的功能是為上述所有電路提供電源

2、，包括直流電源和交流電源，設(shè)計(jì)中唯一用到交流電源的是加熱電路，其余部分均為直流電源供電。 該設(shè)計(jì)問(wèn)題可分為溫度傳感器模塊，放大電路模塊，比較器模塊,繼電器、加熱模塊，顯示報(bào)警模塊以及電源模塊。溫度傳感器模塊，主要負(fù)責(zé)溫度信號(hào)與電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化；放大器模塊，使輸出電壓變?yōu)樵瓉?lái)的十倍；比較器模塊，控制溫度的預(yù)設(shè)定電壓；繼電器、加熱模塊，當(dāng)被測(cè)溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，繼電器動(dòng)作，是觸點(diǎn)斷開(kāi)停止加熱，反之被測(cè)溫度低于設(shè)置溫度時(shí)，繼電器觸點(diǎn)閉合，進(jìn)行加熱；顯示報(bào)警模塊，當(dāng)被測(cè)溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，LED燈和蜂鳴器同時(shí)工作，提示報(bào)警。 1.2 單元電路設(shè)計(jì)、仿真與分析 1.2.1溫度傳感器模塊本設(shè)計(jì)選用LM35溫

3、度傳感器來(lái)轉(zhuǎn)化溫度為電信號(hào)。LM35是NS公司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器系列產(chǎn)品之一，它具有很高的工作精度和較寬的線(xiàn)性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度線(xiàn)性成比例。其轉(zhuǎn)換公式為： oC T oC （式1-1） 在0時(shí)輸出為0V，每升高1輸出電壓增加10mV,LM35的外觀如圖2所示 圖2 LM35外觀 圖3 LM35實(shí)物圖常溫下LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到±1/4的準(zhǔn)確率。此設(shè)計(jì)采用單電源供電，在25下的靜默電流約50，非常省電，并且無(wú)散熱問(wèn)題，精度非常高。并且輸入電壓寬，從4V到30V都可以。所以選擇LM35很合適。 1.2.2 放大器模塊放大器和比較器均要用到運(yùn)算放大器，這

4、里采用LM324集成運(yùn)放。LM324是4個(gè)運(yùn)算放大器的集成器件，這個(gè)設(shè)計(jì)中選擇其中的三個(gè)使用。LM324的接線(xiàn)圖如圖4：圖4 LM324管腳連接圖LM324系列器件是帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖所中示的符號(hào)來(lái)表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“Vcc”、“VEE”分別為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，

5、Vi-為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 下面說(shuō)明放大器的原理： 此設(shè)計(jì)用正相比例放大器，使輸出時(shí)正電壓，考慮到控制的溫度是室溫到60 oC，所以取放大器的放大倍數(shù)為10倍（即溫度縮小10倍）比較合適。同相比例放大器的原圖如圖5：圖5 放大器原理圖 由運(yùn)放的“虛短”“虛斷”的性質(zhì)有這里取R=1K，則R =9K，因?yàn)檩斎腚妷簽?V（電源電壓為12V，為保護(hù)LM35，設(shè)計(jì)電路時(shí)，我在LM35的電源端串聯(lián)了個(gè)電阻)保持10倍放大，則設(shè)定的電壓值與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系就為10 倍，比較容易控制和調(diào)節(jié)。如圖6所示：圖6

6、放大器輸出結(jié)果 3.2.3比較器模塊 比較電路也即水溫檢測(cè)和水溫范圍測(cè)量電路。將輸入的變化的電壓與基準(zhǔn)電壓（上下限電壓）進(jìn)行比較，通過(guò)運(yùn)放輸出高低電平來(lái)控制后面的電路。 這里分別采用了一般單限比較器和比較穩(wěn)定，抗干擾性比較強(qiáng)的滯回比較器，使用的運(yùn)算放大器為L(zhǎng)M324中的兩個(gè)。電路圖如圖7： 圖7 比較電路圖7中24接放大器的輸出電壓作為比較器的輸入電壓，7和11分別為滯回比較電路和一般單限比較電路的輸出端。此時(shí)放大器工作在非線(xiàn)性狀態(tài)， 輸出電壓只有正或負(fù)兩種飽和值。若集成運(yùn)放的輸出電壓的幅值為，則當(dāng)時(shí),；則當(dāng)時(shí),。如圖7所示，通過(guò)調(diào)節(jié)R4和滑動(dòng)變阻器R5的阻值，可以改變的大小，即參考電壓的大小

7、。參考電壓生的功能是設(shè)定水溫范圍的上限值。在電路中，電阻R4，R5構(gòu)成參考電壓電路，滯回比較器構(gòu)成水溫測(cè)量范圍電路。現(xiàn)在先以滯回比較電路為例進(jìn)行說(shuō)明，其電壓傳輸特性如圖8所示： 圖8 滯回比較器的電壓傳輸特性根據(jù) Un=Up： 所以，即從高電平轉(zhuǎn)化為低電平和從低電平轉(zhuǎn)化為高電平的分界點(diǎn)就有了的差別。根據(jù)以上幾個(gè)公式我們可以知道，參考電壓瘦集成運(yùn)放的正反饋的影響，在仿真時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)低的數(shù)值。接下來(lái)我們分析一下另一路電壓比較器一般單限比較電路。我們將信號(hào)源接入運(yùn)算放大器的同相輸入端，將比較電壓從反向輸入端輸入?？梢赃\(yùn)用運(yùn)算放大器的“虛短”原理，則有 所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)控制 的值。 3.2.

8、4 繼電器、加熱模塊 繼電器是可以低壓控制高壓的器件，其內(nèi)部構(gòu)造及工作原理如圖9：圖9 繼電器構(gòu)造及原理圖當(dāng)?shù)蛪弘娫炊碎_(kāi)關(guān)接通后電磁鐵由于電流產(chǎn)生磁性，吸住磁鐵使高壓電源的開(kāi)關(guān)接通，實(shí)現(xiàn)了低壓控制高壓。繼電器選取的是額定電壓為12V的常開(kāi)型型號(hào)。即在無(wú)電流通過(guò)繼電器時(shí)，繼電器高壓端開(kāi)關(guān)打開(kāi)，加熱電路不工作，當(dāng)有一定的電流通過(guò)時(shí)，繼電器產(chǎn)生磁性使高壓端開(kāi)關(guān)閉合。普通二極管D5、D6的作用是保護(hù)繼電器不因電流反流時(shí)燒壞。 加熱模塊加熱電阻是很簡(jiǎn)單的加熱器串聯(lián)電路，采用家用220V交流電源直接供電。繼電器、加熱模塊如圖10：圖10 繼電器、加熱和顯示報(bào)警模塊3.2.5 顯示報(bào)警模塊 如圖10所示在上

9、路電路中，當(dāng)溫度值低于我們?cè)O(shè)定的值時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器開(kāi)關(guān)閉合，紅色發(fā)光二極管發(fā)光，開(kāi)始加熱；而當(dāng)溫度超過(guò)我們?cè)O(shè)定的值時(shí)，三極管截止，繼電器和發(fā)光二極管都停止工作，加熱停止。 相似的，在下路電路中，當(dāng)溫度高于我們?cè)O(shè)定的值時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器開(kāi)關(guān)閉合，橙色發(fā)光二極管發(fā)光，同時(shí)蜂鳴器發(fā)聲，提醒報(bào)警；而當(dāng)溫度低于我們?cè)O(shè)定的值時(shí)，三極管截止，繼電器、發(fā)光二極管和蜂鳴器都停止工作。3.2.6 電路的仿真如圖11所示我們把溫度定在40左右，其對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0.4V，我們可以看到加熱模塊在工作，加熱指示燈發(fā)光。圖11 加熱狀態(tài)如圖12所示我們把溫度定在63左右，其對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0.63V，我們可以看

10、到加熱模塊已經(jīng)停止工作，報(bào)警電路工作，保溫指示燈發(fā)光，蜂鳴器工作。圖12 保溫狀態(tài)水溫控制器總原理電路圖如圖13和圖14圖13 水溫控制器電路圖14 直流穩(wěn)壓電源電路3.3 PCB版電路制作這次使用的軟件是Protel 99 SE軟件，Protel 99SE是ProklTechnology公司開(kāi)發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計(jì)軟件。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，易學(xué)易用。這次我們使用它來(lái)進(jìn)行PCB畫(huà)板，如圖15，是水溫控制器電路的原理圖：圖15 原理圖 如圖16，是最后生成的PCB圖：圖16 PCB圖四 課程設(shè)計(jì)心得 此次課程設(shè)計(jì)考查了我們?cè)O(shè)計(jì)電路的能力和動(dòng)手繪圖的能力。從中我學(xué)到了很

11、多東西。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們通過(guò)的這個(gè)方案包括設(shè)計(jì)了一套電路原理和PCB連接圖。在仿真和制版過(guò)程中，遇到很多問(wèn)題，是以前我從沒(méi)有接觸過(guò)的，比如說(shuō)在使用Protel 99 SE軟件生成PCB的過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)“Error: Node not found”的錯(cuò)誤提示，后來(lái)在我的指導(dǎo)老師梁秀榮老師的幫助下，終于弄懂，原來(lái)是原理圖中的元件引腳名與PCB分裝里的名稱(chēng)不一樣導(dǎo)致的，改正之后軟件就再?zèng)]有報(bào)錯(cuò)了。在這里，我要深深的感謝我的指導(dǎo)老師梁秀榮老師，謝謝您對(duì)我的幫助和支持，謝謝您！而且這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)

12、是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。還有，在這次課程設(shè)計(jì)中遇到的一系列問(wèn)題讓我學(xué)會(huì)了思考，找到了以往學(xué)習(xí)中的缺陷：不善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，缺乏解決問(wèn)題的能力。理論知識(shí)的不足在這次學(xué)習(xí)中表現(xiàn)的很明顯。這將有助于我今后的學(xué)習(xí)，端正自己的態(tài)度，從而更加努力的學(xué)習(xí)，以書(shū)本上的知識(shí)為主，實(shí)踐動(dòng)手能力為輔，實(shí)踐與理論兩手抓。同時(shí)我認(rèn)為我們的實(shí)踐工作是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。 由于是第一次做課程設(shè)計(jì)，所以花的時(shí)間很多。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何使用制版軟件Protel

13、 99 SE和仿真軟件Multisim。在使用Protel 99 SE時(shí)，我學(xué)會(huì)了如何自己去畫(huà)原理圖和PCB圖的封裝，也學(xué)會(huì)了PCB板的布局原則，雖然運(yùn)用的還不是很熟練，但我相信，在接下去的學(xué)習(xí)生活中，我會(huì)慢慢將它學(xué)懂。 最重要的是通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我深深體會(huì)到能把所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中才是真正掌握。這次的課程設(shè)計(jì)時(shí)間有些倉(cāng)促，我們剛學(xué)完模電的相關(guān)知識(shí)就運(yùn)用到電路中，剛開(kāi)始覺(jué)得很難，相關(guān)的知識(shí)掌握得不到位，但隨著設(shè)計(jì)的深入，發(fā)現(xiàn)所學(xué)的知識(shí)在我設(shè)計(jì)的電路中得到了很好的運(yùn)用，在課程設(shè)計(jì)的同時(shí)，鞏固和掌握了現(xiàn)學(xué)的知識(shí)，這才是設(shè)計(jì)的目的。 最后我要感謝我們的梁秀榮老師，這次模具設(shè)計(jì)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和每個(gè)數(shù)

14、據(jù)，都離不開(kāi)老師您的細(xì)心指導(dǎo)。而您開(kāi)朗的個(gè)性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很順利的完成了這次課程設(shè)計(jì)。 由于本人的設(shè)計(jì)能力有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤，懇請(qǐng)老師們多多指教。5. 附錄 元器元件明細(xì)表名稱(chēng)型號(hào)序號(hào)數(shù)量電阻貼片電阻R1R2R3R4R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16 1K1K9K10K1K10K10K10K1K10K1K50010K1K1K 111111111111111滑動(dòng)變阻器 R520K1集成運(yùn)放U1LM3241發(fā)光二極管D1D5LED(紅)LED(橙)11二極管D2、D3、D41N58343溫度傳感器U1LM351繼電器K1、K2、AC250DC302三極管Q1、Q2、90132六 參考文獻(xiàn)1童詩(shī)白，