水溫控制系統(tǒng)模擬電子

1、目 錄AbstrctII1緒論12設(shè)計內(nèi)容及要求22.1 設(shè)計的目的及主要任務(wù)2 2.1.1 設(shè)計的目的2 2.1.2 設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)22.2 設(shè)計思想23 設(shè)計原理及單元模塊設(shè)計33.1設(shè)計原理及方法33.2單元模塊設(shè)計3電源模塊33.2.2溫度傳感器模塊33.2.3放大器模塊4比較器模塊6繼電器模塊7加熱模塊93.3電路的安裝與調(diào)試10 3.3.1電路的安裝10電路的調(diào)試104電路的仿真115電路的特點及改進(jìn)126 課程設(shè)計心得及體會13參考文獻(xiàn)14附錄I 元件清單15附錄II整體電路圖16摘要本文主要采用電壓比較器對繼電器的控制實行對水溫的控制。主要運用了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)中的比例

2、放大器，電壓比較器，繼電器的相關(guān)知識。本設(shè)計實現(xiàn)了溫度的測量和對水溫的控制，具有較好的可行性和實用性。信號通過LM35溫度傳感器輸入轉(zhuǎn)化為電信號，在經(jīng)放大器放大后與設(shè)定的電壓值比較，輸出正電壓或負(fù)電壓來實現(xiàn)電路的通斷，間接控制繼電器的工作，實現(xiàn)溫度控制。關(guān)鍵詞：LM35溫度傳感器，比較器，繼電器等。Abstract This paper adopts voltage comparator to relay control of temperature control of practice. Mainly used for simulating electronics proportion o

3、f amplifiers, voltage comparator, related knowledge of relays. The design and implementation of a temperature measurement and control of temperature, good feasibility and practicality. By LM35 temperature sensor signal input into electrical signals in the amplifier amplification, and set the voltage

4、 output voltage, negative or positive to realize the circuit, indirect control relay, realize temperature control.Keywords: LM35 temperature sensor, the comparator, relays, etc.1 緒論人類社會已經(jīng)進(jìn)入信息化時代，信息社會的發(fā)展離不開電子產(chǎn)品的進(jìn)步。隨著我國科學(xué)技術(shù)勢力不段提高，以及世界科學(xué)水平也在飛速發(fā)展。大規(guī)模集成電路再不同的領(lǐng)域也越來越被利用，不論在工業(yè)，還是在其他方面都起著舉足輕重的作用。其中將其他信號通過傳感器

5、轉(zhuǎn)化為電信號處理的產(chǎn)品也是層出不窮。本設(shè)計就是通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號來控制溫度。水溫控制系統(tǒng)的電路有很多種，這次設(shè)計是基于模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上的電路。其原理框架如圖1-1：圖1-1我設(shè)計的水溫控制系統(tǒng)電路圖的原理就是基于上述過程。下面是我的設(shè)計內(nèi)容。2 設(shè)計內(nèi)容及要求2.1設(shè)計的目的及主要任務(wù)2.1.1設(shè)計的目的溫度控制器是實現(xiàn)可測溫和控溫的電路，通過對溫度控制電路的設(shè)計安裝和調(diào)試了解溫度傳感器的性能，學(xué)會在實際電路中的應(yīng)用。進(jìn)一步熟悉集成運算放大器的線性和非線性的應(yīng)用。2.1.2 設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)要求設(shè)計一個溫度控制電路，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）測溫和控制溫度 測量范圍

6、室溫100 oC（2）控溫精度 ：±1 oC（3）控溫通道輸出為雙向晶閘管或繼電器，一組轉(zhuǎn)換觸點為市電（220V，10A）2.2設(shè)計思想本設(shè)計要將水溫轉(zhuǎn)化成電信號才能控制。所以采用溫度傳感器來轉(zhuǎn)化溫度，經(jīng)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)實際溫度高于設(shè)定溫度時，控制電路停止加熱；當(dāng)實際溫度高于設(shè)定溫度時，使電路接通加熱。這樣就能自動控制溫度在某個值或小范圍波動。3 設(shè)計原理及單元模塊設(shè)計3.1 設(shè)計原理及方法根據(jù)緒論中的原理方框圖，該設(shè)計問題可分為溫度傳感器模塊，放大器模塊，比較器模塊，繼電器模塊，加熱模塊。由于電路中含有運算放大器，需接入±12V

7、直流穩(wěn)壓電源，所以電源模塊也可算在其中。3.2 單元模塊設(shè)計電源模塊本設(shè)計的電源電路采用固定集成穩(wěn)壓源電路輸出±12V電壓。穩(wěn)壓源電路如圖3-2-1-1：圖3-2-1-1這是一個用集成穩(wěn)壓器輸出的穩(wěn)壓源電路，LM7812和LM7912是集成穩(wěn)壓器，分別控制輸出±12V直流電壓。電源接220V交流電后經(jīng)變壓器后變?yōu)?8V左右的交流電，再經(jīng)橋式整流后濾波，此時的電壓不穩(wěn)定，經(jīng)上述集成穩(wěn)壓器后就能得到較穩(wěn)定的電壓。3.2.2 溫度傳感器模塊本設(shè)計選用LM35溫度傳感器連轉(zhuǎn)化溫度。LM35的輸出電壓與攝氏溫度呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式為：oCToC在0時輸出為0V，每升高1輸出電壓增加1

8、0mV,LM35的外觀如圖所示圖3-2-2-1圖3-2-2-2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)計采用單電源供電，在25下的靜默電流約50，非常省電，并且無散熱問題，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。 放大器模塊放大器和比較器均要用到運算放大器，這里采用LM324集成運放。LM324是4個運算放大器的集成器件，這個設(shè)計中選擇其中的兩個使用。LM324的接線圖如圖3-2-3-1：圖3-2-3-1圖3-2-3-2下面說明放大器的原理：此設(shè)計用正相比例放大器，使輸出時正電壓，考慮到控制的溫度是室溫到80 oC，所以取放大

9、器的放大倍數(shù)為10倍（即溫度縮小10倍）比較合適。正相比例放大器的原理圖如圖3-2-3-3：圖3-2-3-3由運放的“虛短”“虛斷”的性質(zhì)有這里取R=10K，則R=90 K，因為電源電壓為12V，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)。實際中取R=90.9 K。3.2.4 比較器模塊這里采用簡單的單門限電壓比較器，使用的運算放大器為LM324中的一個。電路圖如圖3-2-4-1：圖3-2-4-1圖3-2-4-1中1接放大器的輸出電壓作為比較器的輸入電壓，3接輸出電壓。此時放大器工作在非線性狀態(tài)，輸出電壓只有正或負(fù)兩種飽和值。這種情況下運算放大器的輸入端“虛

10、短”不再適用。當(dāng)時，=12V，當(dāng)時，=。這種情況下，運算放大器的“虛短”仍然可用，則有所以可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來控制的值。圖中增加R=5 K的電阻，是為了控制的最大值不超過8V，即設(shè)定的溫度值不超過80 oC。當(dāng)滑動變阻器的接入電阻為0時，取=10K，R=5K即可達(dá)到要求。3.2.5 繼電器模塊繼電器是可以高溫控制低溫的器件，其內(nèi)部構(gòu)造及工作原理如圖3-2-5-1：圖3-2-5-1當(dāng)?shù)蛪弘娫炊碎_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關(guān)接通，實現(xiàn)了低壓控制高壓。下面要解決的問題就是怎樣在電路中實現(xiàn)低壓電源端的開關(guān)自動打開和閉合。考慮到比較器的輸出電壓為正或負(fù)的12V，就可想到二

11、極管的單向?qū)щ娦?。因此可以用二極管來代替自動開關(guān)的作用。使用發(fā)光二極管能夠看到電路的通斷。繼電器模塊的電路圖如圖3-2-5-2：圖3-2-5-2圖中Port端接比較器模塊的輸出電壓作為此電路的輸入電壓，當(dāng)輸入電壓為+12V時，發(fā)光二極管導(dǎo)通，當(dāng)輸入電壓為時，發(fā)光二極管截止。接入三極管的目的是放大電流信號，使繼電器能正常工作。由于發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流與三極管的基極電流不匹配（發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流大一些），故需要在發(fā)光二極管的負(fù)極接一個電阻，與基極電阻并聯(lián)，這樣流入基極的電流就變小，使三極管能正常工作。一般取R=10K，實際的發(fā)光二極管正向?qū)〞r有2V的壓降，所以發(fā)光二極管正向?qū)〞r負(fù)極的電位約為

12、10V，流過的電流約為6mA。三極管的基極電流為量級，所以與基極并聯(lián)電阻R=2K即可。繼電器選取的是額定電壓為12V的常開型型號。即在無電流通過繼電器時，繼電器高壓端開關(guān)打開，加熱電路不工作，當(dāng)有一定的電流通過時，繼電器產(chǎn)生磁性使高壓端開關(guān)閉合。普通二極管的作用是保護(hù)繼電器不因電流反流時燒壞。3.2.6 加熱模塊加熱電阻是很簡單的加熱器串聯(lián)電路，加熱電路中串聯(lián)保險絲防止電流過大產(chǎn)生危險。電路圖如圖3-2-6-1：圖3-2-6-1 Port端接220V市電即可。繼電器電路自動控制開關(guān)的閉合。3.3電路的安裝與調(diào)試3.3.1 電路的安裝由于電路中用到了集成塊，所以電路的焊接時空間不是很大，要注意布

13、線的規(guī)則。LM35焊接時，最好用三根導(dǎo)線接出，這是因為LM35是要與加熱電路中的電熱絲放在一起。LM324中要用到其中的兩個運算放大器，最好選用接頭為5/6/7和8/9/10的兩個運放。在兩邊分別安裝比例運放的電阻和比較器的電阻。繼電器的開關(guān)端也要用導(dǎo)線引出接電熱絲。最后將所有的+12V端，GND端，端分別連在一個節(jié)點并用導(dǎo)線引出接電源。電路焊接時，注意LM35，LM324，三極管的管腳，發(fā)光二級管和普通二極管的極性。3.3.2 電路的調(diào)試電路焊好后，接通穩(wěn)壓電源（先不要接通發(fā)熱電路得電源，注意安全）。用萬用表測量LM35輸出端的電位，設(shè)為V，則有用萬用表測量比較器正向輸入端的電壓，現(xiàn)在的室溫

14、在15oC左右，調(diào)節(jié)滑動變阻器，當(dāng)比較器的v為1.5V以上時，就能觀察到很容易就能觀察到發(fā)光二極管燈亮，這時用萬用表測繼電器的開關(guān)的兩端電阻，發(fā)現(xiàn)接近0，表明此時開關(guān)閉合（若接通加熱電路，則加熱電路工作）；加熱溫度傳感器，很快就可以觀察到二極管熄滅，并能聽到開關(guān)動作的聲音，再測繼電器開關(guān)端電阻，應(yīng)是無窮大，表明開關(guān)斷開（若接通加熱電路，則加熱電路不工作）。4電路的仿真圖4-1和圖4-2是電路及其仿真圖（不包括溫度傳感器和繼電器模塊）圖4-1圖4-25 電路的特點及改進(jìn)這個設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計中用到了LM35和LM324集成塊，主要運用了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)中的放大器和比較器的知識，耗材小，省電，安全

15、?；径寄苓_(dá)到預(yù)想的目標(biāo)。這個電路也存在改進(jìn)的地方。本設(shè)計沒有結(jié)合單片機的自動調(diào)節(jié)，還有在設(shè)定溫度時需要用萬用表測量電壓，如果有數(shù)碼管的話就可以直接顯示所調(diào)電壓（即溫度）的值，那樣的話會更方便。6 課程設(shè)計心得和體會此次課程設(shè)計考查了我們的設(shè)計電路的能力和動手能力。從中我學(xué)到了很多東西。設(shè)計上的電路在實際中運用可能不是像仿真那樣理想，由于購買元件的誤差及元件的大小在實際中比沒有很好的匹配，所以按照設(shè)計的電路焊出來的實物在調(diào)試過程中遇到了一些問題，但我都一步一步地解決了。由于是第一次課程設(shè)計，所以花的時間很多。通過這次課程設(shè)計，我學(xué)會了如何使用仿真軟件Protel和Multisim，進(jìn)一步鞏固了

16、電路的焊接能力。最重要的是通過這次課程設(shè)計我深深體會到能把所學(xué)的知識運用到實踐中才是真正掌握。這次的課程設(shè)計時間有些倉促，我們剛學(xué)完模電的相關(guān)知識就運用到電路中，剛開始覺得很難，相關(guān)的知識掌握得不到位，但隨著設(shè)計的深入，發(fā)現(xiàn)所學(xué)的知識在我設(shè)計的電路中得到了很好的運用，在課程設(shè)計的同時，鞏固和掌握了現(xiàn)學(xué)的知識，這才是設(shè)計的目的。特別是在電路調(diào)試成功的那一刻，出現(xiàn)了我所預(yù)料的現(xiàn)象，著實讓我高興了一番，自己所設(shè)計的東西沒有白費，并且從中獲得了知識，是一件很開心的事。這只是一次簡單的課程設(shè)計，只是一個開始，設(shè)計的東西在實際中的運用還尚欠缺，但從中我學(xué)到了遇到困難要解決，不能浮躁，要靜心，耐心，細(xì)心的做事，堅持下去，總能看到成功的曙光的。參考文獻(xiàn)1 吳友宇模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：清華大學(xué)出版社, 2009 年05 月2 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編.北京：北京理工大學(xué)出版社, 2004 年01 月3 華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組 電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社