水溫控制系統(tǒng)設(shè)計

附件1：學(xué)號：課程設(shè)計題目水溫控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院信息工程學(xué)院專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)班級2008級1班姓名指導(dǎo)教師2010年1月20日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：電子科學(xué)與技術(shù)0801班指導(dǎo)教師：工作單位：信息工程學(xué)院題目:水溫控制系統(tǒng)設(shè)計初始條件：可選元件：溫度傳感器，繼電器，雙向晶閘管（器件選擇應(yīng)滿足技術(shù)指標）。電容、電阻、電位器若干；或自備元器件。直流電源±12V，或自備電源。可用儀器：示波器，萬用表，毫伏表要求完成的主要任務(wù):（1）設(shè)計任務(wù)根據(jù)技術(shù)指標和已知條件，選擇合適的溫度傳感器、選擇合適的繼電器或晶閘管。完成對水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計要求=1\*GB3①設(shè)計制作可以測量和控制溫度的溫度控制器測量和控制溫度范圍：5～80℃，控制精度：±1℃，控制對象：雙向晶閘管或繼電器，晶閘管或繼電器觸點連接：一組轉(zhuǎn)換接點（市電220V/50Hz/2A）。=2\*GB3②選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真）=3\*GB3③安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計報告書。時間安排：1、2010年1月18日分班集中，布置課程設(shè)計任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；課設(shè)答疑事項。2、2010年1月18日至2007年1月21日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計報告撰寫。3、20010年1月22日提交課程設(shè)計報告，進行課程設(shè)計驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名：年月日目錄摘要……………1緒論……………21設(shè)計要求及技術(shù)指標……………………31.1設(shè)計要求及主要任務(wù)………………………31.2設(shè)計內(nèi)容及主要技術(shù)指標…………………32設(shè)計原理分析…………………43方案論證與比較………………44電路的總體設(shè)計………………54.1電源電路的設(shè)計……………54.2溫度控制模塊設(shè)計…………54.2.1信號采集及電壓轉(zhuǎn)換……………………64.2.2KC轉(zhuǎn)換……………………64.2.3比例放大模塊……………74.2.4比較模塊…………………74.3顯示部分設(shè)計………………85硬件安裝與調(diào)試…………96電路主要參數(shù)設(shè)計與測定…………………107元件列表……………………118心得體會……………………12參考文獻………………………13摘要本次模擬電子技術(shù)課程設(shè)計針對《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》中所學(xué)的知識，對所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識進行一次實踐檢測，并通過實踐提高對知識的運用能力。為了實現(xiàn)水溫控制，我制作了一個水溫控制電路，該電路采用AD590溫度傳感器﹑雙刀繼電器﹑LM324四運放集成電路、9013三極管、穩(wěn)壓管等器件，達到了在一定溫度范圍精確可調(diào)控溫的目的。本課設(shè)采用LM324四運放集成電路作核心元件，它所組成的溫度控制器將溫度傳感器采集的溫度信號準確處理后向繼電器發(fā)出通斷指令，從而控制加熱裝置的開關(guān)；溫度傳感器采用了AD590高精度溫度傳感器，它可將溫度精確轉(zhuǎn)化成輸出電流；而通過調(diào)節(jié)電位器可控制設(shè)置溫度，最后通過3位半電壓表顯示輸出。關(guān)鍵詞：LM35溫度傳感器；繼電器；LM324四運放集成電路。AbstractAnalogElectronicsTechnologyCourseDesignonthebasisoftheoreticalknowledgelearnedinpracticeisatestprocess.Inordertoachievetemperaturecontrol,Icreatedawatertemperaturecontrolcircuit,thecircuitusesLM35temperaturesensorrelay﹑LM324opampIC4,9013triode,electrocauterywire,reachedacertaintemperaturerangetomaintainaconstanttemperatureofpurpose.ThiscourseislocatedusingLM324opampICforfourcorecomponents,itwillbecomposedofthetemperaturesensortemperaturecontrollertemperaturesignalacquisitionandaccuratetreatmentgiventotherelay-offcommandstocontroltheheatingdeviceoftheswitch;temperaturesensorusedLM35temperaturesensor,whichcanbeconvertedintoanoutputvoltagetemperature;andcanbecontrolledbyadjustingthepotentiometertosetthetemperature.

Keywords:LM35temperaturesensor;relay;LM324opampIC4.緒論隨著科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展，大規(guī)模集成電路在不同的領(lǐng)域也來越收到廣泛利用，不僅在一般工業(yè)上，而且在其他方面諸多行業(yè)都起著舉足輕重的作用。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)的采集與處理廣泛地應(yīng)用在自動化領(lǐng)域中。在生活或工業(yè)領(lǐng)域中，我們常看到某些特定場合或某些特殊的裝置環(huán)境溫度，須控制在一定范圍內(nèi)，或保持恒定，實現(xiàn)該功能的電路就是溫度控制裝置。水溫控制系統(tǒng)設(shè)計的方案很多。本次設(shè)計所采用的電路設(shè)計方案是通過模擬器件搭建的水溫監(jiān)測電路，水溫范圍測量電路，電阻絲開關(guān)電路，以及顯示電路和電源電路組成。水溫監(jiān)測電路是采用溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)化成電信號。而水溫范圍測量電路是采用滯回較器，其中電路中采用集成運放電路。而電阻絲開關(guān)電路是由三級管和繼電器組成。這樣通過溫度信號轉(zhuǎn)化成電信號與基準電壓進行比較來輸出電壓信號，控制繼電器的開關(guān)來控制外電源，是否對水進行加熱，以次來控制水的溫度，使其符合預(yù)定的溫度。其總體流程圖如圖1所示。圖1水溫檢測電路現(xiàn)代社會的電子科技的日新月異，這就要求我們獨力思考，理論聯(lián)系實際，并且發(fā)揮我們的創(chuàng)新意識，此次模電課程設(shè)計為我們提供了良好的實踐平臺，也為我們走向社會提供了良好的基礎(chǔ)。圖1水溫檢測電路我們通過此次設(shè)計能將學(xué)到的理論知識應(yīng)用于實際，不僅能鞏固書本上的知識，而且要求我們獨立查閱資料，設(shè)計電路，焊接電路板，培養(yǎng)我們獨立思考的能力。我希望自己能夠充分利用這次機會，更加深刻的了解課本上的知識，以及培養(yǎng)自己的動手操作能力。1．設(shè)計要求及技術(shù)指標1.1設(shè)計要求及主要任務(wù)1.1.1設(shè)計目的學(xué)會基本電路的組裝與調(diào)試，通過對溫度控制電路的設(shè)計、安裝和測試與了解溫度傳感器件的性能，學(xué)會在實際電路中應(yīng)用。進一步熟悉集成運算放大器的線性和非線性應(yīng)用。1.1.2設(shè)計任務(wù)①設(shè)計制作可以測量和控制溫度的溫度控制器②選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。學(xué)習(xí)Mutisim的電路仿真過程，繪制電路圖，進行基本的仿真實驗對設(shè)計的電路進行分析。擴展功能：在測溫的基礎(chǔ)上實現(xiàn)實時控制及溫度精確顯示。③安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計報告書。1.2設(shè)計內(nèi)容及技術(shù)指標整個電路通過溫度檢測系統(tǒng)對溫度信息進行檢測、提取，送至處理系統(tǒng)，進行與預(yù)設(shè)溫度的比較，然后將比較結(jié)果送至電路的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對結(jié)果做出反應(yīng)，或加熱或停止加熱，以此來達到將水溫控制的目的。本課設(shè)電路中應(yīng)用溫度傳感器將溫度信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，在運算放大器組成的電路換算處理后，并與預(yù)先設(shè)定的溫度值相比較，然后將結(jié)果轉(zhuǎn)化為高低電平并送至繼電器控制部分以達到控制電路的目的。而本實驗的重點在于水溫的檢測，因為它決定了電路是否可以準確的達到自動控制作用。技術(shù)指標測量和控制溫度范圍：5～80℃，控制精度：±1℃，控制對象：雙向晶閘管或繼電器，晶閘管或繼電器觸點連接：一組轉(zhuǎn)換接點（市電220V/50Hz/2A）。2.設(shè)計原理分析本次設(shè)計由溫度傳感器實現(xiàn)對水溫的檢測，之后采集的信息由運算放大器構(gòu)成的電壓比較器來處理，將決定是應(yīng)繼續(xù)加熱還是停止加熱，指令發(fā)出后再由執(zhí)行部分執(zhí)行。3.方案比較與論證3.1方案一1.AD590溫度傳感器電路Lad590溫度傳感器AD590是單片集成感溫電流源，具有良好的互換性和線性性質(zhì)，能夠消除電源波動，輸出阻抗高達10MΩ。器件采用B-1型金屬封裝。其主要特征如下；1).流過器件的電流變化1μA,等于器件的熱力學(xué)溫度變化1K即轉(zhuǎn)換當(dāng)量為1μA/K。2）測量溫度范圍為-55℃～+150℃3）AD590的電源電壓范圍為4～30V。電源電壓可4～6V范圍變化，可承受44V正向電壓和20V的反相電壓，器件反接也不會被損壞。4）精度高，AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。AD590為電流型PN結(jié)集成溫度傳感器，其輸出電流正比于熱力學(xué)溫度。0℃溫度時輸出電流為273.2μA，溫度每變化1℃，輸出電流變化1μA。由于生產(chǎn)是經(jīng)過精密校正，AD590的接口電路十分簡單，不需要外圍溫度補償和線性處理電路，便于安裝和調(diào)試［６］。2、其他電路=1\*GB2⑴溫度-電壓變換電路Uo1=(1μA/K)*R=R*10-6/K如R=10K則Uo1=10mV/K=2\*GB2⑵K-℃變換電路因為AD590的溫控電流值是對應(yīng)熱力學(xué)的溫度K,而溫控中需要采用攝氏溫度℃由運算放大器組成的加法器可實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，其表達式滿足以下關(guān)系：UO2=-[（-UR)]元件參數(shù)的確定和-UR的選取的指導(dǎo)思想是：0℃（即273K）時，UO2=0V。=3\*GB2⑶放大器設(shè)計一個反相放大器，進行參數(shù)調(diào)整，使其輸出Uo3滿足10mv/℃。用數(shù)字電壓表可實現(xiàn)溫度顯示。=4\*GB2⑷溫度比較電路溫度比較電路由電壓比較器組成，VREF為控制溫度的設(shè)定電壓（對應(yīng)控制溫度的），Rf2用于改善比較器的遲滯特性，決定控制溫度的精度。=5\*GB2⑸繼電器驅(qū)動電路當(dāng)被測溫度超過設(shè)定溫度時，繼電器動作，使觸發(fā)器斷開，停止加熱；反之被測溫度低于設(shè)置溫度時，繼電器閉合，進行加熱。NPN型晶體管VT作為開關(guān)管用來驅(qū)動繼電器線圈是否得電，從而控制加熱裝置達到控制溫的目的。二極管VD的作用是繼電器線圈斷電瞬間，提供能量釋放回路，防止擊穿驅(qū)動晶體管VT［３］。運算放大器LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。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電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。在此次試驗中所選用的的繼電器為12V繼電器，有8個管腳，最大交流耐壓值為220V，最大直流耐壓值為12V。本實驗中所加直流電源為5V，所加交流電源為220V，故此繼電器完全符合要求。3.2方案二1、采用LM35溫度傳感器LM35是由國半公司所生產(chǎn)的溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式如式，0時輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。LM35有多種不同封裝型式。在常溫下，LM35不需要額外的校準處理即可達到±1/4℃的準確率3.3綜合分析考慮到本次設(shè)計說要求的溫度范圍寬，而且要與水直接接觸，抗腐蝕要求強，及溫度的精度要求，綜上，選擇方案一來完成本學(xué)期模擬電子基礎(chǔ)課程設(shè)計。4.電路的總體設(shè)計4.1電源電路一個完整的系統(tǒng)往往有自己的獨立電源，故在水溫控制系統(tǒng)中加入了獨立電源。本系統(tǒng)的控制電路均為+-12伏，但加熱裝置為交流220V供電，因此電源分為直流部分和交流部分［１］。4.2溫度控制轉(zhuǎn)換主模塊溫度測量與控制原理框圖如圖下所示。本電路有溫度傳感器，K-OC變換、控制溫度設(shè)置、數(shù)字電壓表（顯示）和放大器等部件組成。溫度傳感器的作用是把溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號或電壓信號，K-OC變換將熱力學(xué)溫度K轉(zhuǎn)換成攝氏溫度OC。信號經(jīng)放大器放大和刻度定標后由數(shù)字電壓表直接顯示溫度值，并同時送入比較器與預(yù)先設(shè)定的固定溫度值進行比較，由比較器輸出電平的高低變化來控制執(zhí)行機構(gòu)（如繼電器）工作，實現(xiàn)溫度的自動控制［４］。4.2.1信號采集模塊采用ＡＤ５９０與一１０ｋ電阻串聯(lián)，再接一個電壓跟隨器，電壓信號從運放的處出端輸出［６］，電路如下：4.2.2KC轉(zhuǎn)換模塊由于AD590輸出電流值是對應(yīng)的絕對溫度K，而在控制系統(tǒng)中需要采用攝氏溫度C，因而采用以運算放大器構(gòu)成加法器，將絕對溫度輸出轉(zhuǎn)換為攝氏溫度的輸出。其中元件參數(shù)的設(shè)置以及Ur的設(shè)定應(yīng)該滿足在0攝氏度（即273K）時的輸出Uo2=0［４］。綜上，得到如下的K-C變換部分，取-Ur=-2.73V，其余電阻參數(shù)如下圖所示，得到系統(tǒng)的第二級輸出電壓滿足：（Uo2=Uo1-273）V電路圖如下:4..2.3比例放大模塊

該部分由反比例放大其構(gòu)成，目的是將輸出電壓與控制溫度相互關(guān)系清晰的表現(xiàn)出來,第三極輸出為：Uo3=100mV/C.該部分電路圖如下:4.2.4比較器模塊該部分由電壓比較器組成，電路結(jié)構(gòu)如圖所示.該部分功能是達成設(shè)置控制電壓的目的，Uref為控制溫度所對應(yīng)的電壓，通過該部控制電壓來改變控制溫度的設(shè)定。圖中比較器的遲滯電阻Rf2的作用是改善比較器的遲滯特性，決定控制溫度的精度。當(dāng)Uo3低于Uref時該比較器的輸出電壓為正值；反之輸出為負值［１］。電路如下：4.2.5繼電器模塊繼電器是本次課設(shè)電路能否實現(xiàn)自動控制加熱裝置的關(guān)鍵所在。電路利用PNP型三極管9013將電壓比較器輸出的微弱電流放大后送至繼電器，電流通過繼電器線圈控制銜鐵與觸點接觸來實現(xiàn)加熱回路的通斷。繼電器驅(qū)動電路當(dāng)被測溫度超過設(shè)定溫度時，繼電器動作，使觸點斷開停止加熱，反之被測溫度低于設(shè)定溫度時，繼電器觸點閉合，進行加熱。4.3溫度顯示模塊采用三位半數(shù)字電壓表顯示，主芯片用ｍｃ１４４３３模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，此芯片直接輸出ＢＣＤ碼數(shù)字信號，在經(jīng)ＣＤ４５１１實現(xiàn)ＢＣＤ碼轉(zhuǎn)段選碼，最后在４位一體數(shù)碼管上顯示電壓值［２］5硬件安裝與調(diào)試（1）根據(jù)電路原理圖準備好所需要的元器件；（2）對每個單元電路進行試驗，檢測所用集成器件AD590以及LM324是否能夠正常工作；(3)對線路進行布局，使得電路連接簡化清晰，然后面包板上連接電路。該溫控裝置電路的連接應(yīng)該逐步完成，每完成一部分的連接后，要對參數(shù)進行測設(shè)，再與理論值進行比較，若正確在進行下一步的電路連接；若電路參數(shù)不正確，則需檢查電路，直至電路正確為止。（4）調(diào)通后再逐步擴展到整體電路。只有整體電路調(diào)試通過后，進行性能指標測試。注意事項:在焊接時，我根據(jù)電路圖對實物進行了模塊分割，逐級焊接，這大大減少了我的焊接工作量，每焊接一級便用萬用表測試一下此級中有無損壞的元件或是連線錯誤。安裝時注意不要將太多錫絲弄到電路板上，以免出現(xiàn)短路的情況，避免虛焊，盡量一次到位，以免電路板上的鍍銅脫落影響后面的焊接工作。盡量用給出的電阻引腳的鐵絲不要刻意去找外面的導(dǎo)線焊，且布線時盡量讓線橫豎有一定的布局，保持電路板的整體美觀。將多出的線一定整理干凈，以免造成短路，發(fā)生危險。６電路主要參數(shù)設(shè)計與測定理論計算：Uo1=（實際攝氏溫度+273）/100

（V）

Uo2=--(Uo1-2.73)V=-實際攝氏溫度/100

（v）

Uo3=-10*Uo2=實際攝氏溫度/10測試時空氣溫度：21攝氏度隨著通過對AD590的加熱時記錄不同值如下表所示。

Uref（V）2．42.44.04.05.06.06.08.09.0Uo1

（V）2.943.033.033.243.333.383.433.513.53Uo2

（V）-0.21-0.30-0.30-0.51-0.60-0.65-0.70-0.78-0.80Uo3

（V）2.13.03.05.16.06.57.07．88.0發(fā)光二極管亮滅亮滅滅滅滅亮亮

７存在問題與解決方案1、

存在問題：在反比例放大器的電路中，由于電阻誤差的存在以及外界干擾的存在，使得其放大倍數(shù)不能夠準確到-10倍。解決方法：

反比例放大器中的電阻Rf1用電位器來替代定值電阻，當(dāng)出現(xiàn)放大倍數(shù)偏差時，可以調(diào)解電位器的阻值，從而將誤差降低，達到實驗要求。2、存在問題：

比較器溫控精度不夠好，使得溫控不靈敏。解決方法：

用電位器替代定值電阻Rf2，調(diào)節(jié)電位器，從而改變該比較器的上下門限電壓的值，以達到提高溫控精度的作用。3、存在問題：在簡易溫控系統(tǒng)的實驗設(shè)計中，出現(xiàn)的主要問題是加法器的電壓設(shè)置Ur以及比較電壓Uref的設(shè)置問題。（實驗