水溫控制系統(tǒng)設計電子技術課程設計

1、<p>　　課 程 設 計</p><p>　　2013 年 7月 5日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程 電 子 技 術 課 程 設 計 </p><p>　　題目

2、 水溫控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　專業(yè) 自動化 姓名 學號 </p><p><b>　　主要內容：</b></p><p>　　根據(jù)技術指標和已知

3、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)的設計、裝配與調試。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　?、?設計制作可以測量和控制溫度的溫度控制器</p><p>　　測量和控制溫度范圍：5～80℃，</p><p><b>　　控制精度：±1

4、℃，</b></p><p>　　控制對象：雙向晶閘管或繼電器，</p><p>　　晶閘管或繼電器觸點連接：一組轉換接點（市電220V/50Hz/2A）。</p><p>　?、?選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。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）</p>

5、<p>　　③ 安裝調試并按規(guī)定格式寫出課程設計報告書。</p><p><b>　　主要參考資料：</b></p><p>　　[1] 吳友宇.模擬電子技術基礎.北京:清華大學出版社[M].清華大學出版社.2009年05 月</p><p>　　[2] 全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編[J].北京理

6、工大學出版社.2004年01月</p><p>　　[3] 張鳳言.電子電路基礎[M].北京:高等教育出版社.1995</p><p>　　[4] 華中科技大學電子技術課程組 電子技術基礎[M].高等教育出版社.2005年07月</p><p>　　[5] 吳慎山.電子線路設計與實踐——高等學校電子信息類教材[J].電子工業(yè)出版社.2005年09月</p&g

7、t;<p>　　[6] 黃錦安, 付文紅, 蔡小玲編-電路與模擬電子技術[M].高等教育出版社.1997.</p><p>　　2013年 7月5 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 任務和要求3</p><p>　　2 總體方案設計與選擇3</p>

8、<p>　　2.1 設計原理及方法3</p><p>　　2.2 單元模塊設計4</p><p>　　2.2.1 電源模塊4</p><p>　　3.2.2 溫度傳感器模塊4</p><p>　　3.2.3 放大器模塊5</p><p>　　3.2.4 比較器模塊7</p>&

9、lt;p>　　3.2.5 繼電器模塊8</p><p>　　3.2.6 加熱模塊9</p><p>　　3.2.7溫度過低報警模塊10</p><p>　　2.3電路的安裝與調試10</p><p>　　3.3.1 電路的安裝10</p><p>　　3.2.2 電路的調試11</p&

10、gt;<p>　　3 電路的仿真12</p><p><b>　　4 設計總結12</b></p><p><b>　　參考文獻14</b></p><p>　　附 錄 Ⅰ 元件清單1</p><p>　　附 錄 Ⅱ 整體電路圖2</p><p>

11、<b>　　1 任務和要求</b></p><p>　　(1)任務：設計一種可實現(xiàn)測溫和控溫的電路 (2)水溫控制系統(tǒng)性能要求</p><p>　　工作溫度范圍：室溫~100℃。</p><p>　　控溫精度 ：±1 oC。</p><p>　　控溫通道輸出為雙向晶閘管或繼電器，一組轉換觸點為市電（2

12、20V，10A）。</p><p>　　2 總體方案設計與選擇</p><p>　　2.1 設計原理及方法</p><p>　　根據(jù)原理方框圖，該設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，溫度過低報警模塊及溫度顯示模塊。由于電路中含有運算放大器，需接入±12V直流穩(wěn)壓電源，所以電源模塊也可算在其中。</p>

13、<p><b>　　原理方框圖</b></p><p>　　2.2 單元模塊設計</p><p>　　2.2.1 電源模塊</p><p>　　本設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2-3-1-1：</p><p><b>　　電源電路</b>&

14、lt;/p><p><b>　　圖3-2-1-1</b></p><p>　　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交流電后經變壓器后變?yōu)?5V左右的交流電，再經橋式整流后濾波，此時的電壓不穩(wěn)定，經上述集成穩(wěn)壓器后就能得到較穩(wěn)定的電壓。</p><p>　

15、　3.2.2 溫度傳感器模塊</p><p>　　本設計選用LM35溫度傳感器連轉化溫度。LM35的輸出電壓與攝氏溫度呈線性關系，轉換公式為：</p><p>　　Vout=10mV oC T oC</p><p>　　在0℃時輸出為0V，每升高1℃輸出電壓增加10mV,LM35的外觀如圖所示</p><p><b>　　圖3-2-

16、2-1</b></p><p><b>　　LM35</b></p><p><b>　　圖3-2-2-2</b></p><p>　　常溫下LM35不需要額外的校準處理即可達到±1/4℃的準確率。此設計采用單電源供電，在25℃下的靜默電流約50μA，非常省電，并且無散熱問題，精度非常高。并且輸入電壓

17、寬，從4V到30V都可以。所以選擇LM35很合適。</p><p>　　3.2.3 放大器模塊</p><p>　　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，這個設計中選擇其中的兩個使用。LM324的接線圖如圖3-2-3-1：</p><p><b>　　LM324集成運放</b><

18、;/p><p><b>　　LM324N實物圖</b></p><p>　　下面說明放大器的原理：</p><p>　　此設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：</p><p>　　正向比

19、例放大器原理圖</p><p><b>　　圖3-2-3-3</b></p><p>　　由運放的“虛短”“虛斷”的性質有</p><p>　　這里取R1=10K，則R2=90 K，因為電源電壓為12V，保持10倍放大，則設定的電壓值與溫度的轉換關系就為10 倍，比較容易控制和調節(jié)。實際中取R=90.9 K。</p><p&

20、gt;　　3.2.4 比較器模塊 </p><p>　　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：</p><p><b>　　單門限電壓比較器</b></p><p>　　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

21、或負兩種飽和值。這種情況下運算放大器的輸入端“虛短”不再適用。當VP>VN時，=12V，當VP<VN時，=-12V。這種情況下，運算放大器的“虛短”仍然可用，則有</p><p><b>　　Vi=VN</b></p><p><b>　　VP=V4=V11</b></p><p>　　所以可以通過調節(jié)滑動變阻

22、器來控制的值。</p><p>　　圖中增加R=5 KΩ的電阻，是為了控制V11的最大值不超過8V，即設定的溫度值不超過80 oC。當滑動變阻器的接入電阻為0時，</p><p>　　取R3=10KΩ，R9=5 KΩ 即可達到要求。</p><p>　　3.2.5 繼電器模塊</p><p>　　繼電器是可以高溫控制低溫的器件，其內部構造及

23、工作原理如圖3-2-5-1：</p><p><b>　　繼電器原理及實物</b></p><p>　　當?shù)蛪弘娫炊碎_關接通后電磁鐵由于電流產生磁性，吸住磁鐵使高壓電源的開關接通，實現(xiàn)了低壓控制高壓。</p><p>　　下面要解決的問題就是怎樣在電路中實現(xiàn)低壓電源端的開關自動打開和閉合。考慮到比較器的輸出電壓為正或負的12V，就可想到二極管的

24、單向導電性。因此可以用二極管來代替自動開關的作用。使用發(fā)光二極管能夠看到電路的通斷。</p><p>　　繼電器模塊的電路圖如圖3-2-5-2：</p><p><b>　　繼電器模塊電路圖</b></p><p><b>　　圖3-2-5-2</b></p><p>　　圖中Port端接比較器模塊

25、的輸出電壓作為此電路的輸入電壓，當輸入電壓為+12V時，發(fā)光二極管導通，當輸入電壓為-12V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)光二極管的導通電流與三極管的基極電流不匹配（發(fā)光二極管的導通電流大一些），故需要在發(fā)光二極管的負極接一個電阻，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。</p><p>　　一般取R=10KΩ，實際的發(fā)光二極管正向導通時有2V

26、的壓降，所以發(fā)光二極管正向導通時負極的電位約為10V，流過的電流約為6mA。三極管的基極電流為μA量級，所以與基極并聯(lián)電阻R=2 KΩ即可。</p><p>　　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，繼電器高壓端開關打開，加熱電路不工作，當有一定的電流通過時，繼電器產生磁性使高壓端開關閉合。</p><p>　　普通二極管的作用是保護繼電器不因電流反流時燒壞。

27、</p><p>　　3.2.6 加熱模塊</p><p>　　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生危險。電路圖如圖3-2-6-1：</p><p><b>　　加熱模塊電路圖</b></p><p><b>　　圖3-2-6-1</b></p>

28、<p>　　Port端接220V市電即可。繼電器電路自動控制開關的閉合。</p><p>　　3.2.7溫度過低報警模塊</p><p>　　將比較器輸出的信號直接加到9013的基極,構成一個高通飽和開關電路.當水溫低于設定的電壓值時,比較器輸出12V的電壓,此時開關電路導通,蜂鳴器發(fā)出聲響.</p><p><b>　　溫度過低警報模塊<

29、/b></p><p>　　2.3電路的安裝與調試</p><p>　　3.3.1 電路的安裝</p><p>　　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，要注意布線的規(guī)則。</p><p>　　LM35焊接時，最好用三根導線接出(也可以直接用杜邦線連接)，這是因為LM35是要與加熱電路中的電熱絲放在一起。LM324中

30、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。繼電器的開關端也要用導線引出接電熱絲。最后將所有的+12V端，GND端，端分別連在一個節(jié)點并用導線引出接電源。</p><p>　　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。</p><p>　　3.2.2 電路的調試</p

31、><p>　　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，設為V1，則有</p><p>　　用萬用表測量比較器正向輸入端的電壓，現(xiàn)在的室溫在15 oC左右，調節(jié)滑動變阻器，當比較器的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的兩端電阻，發(fā)現(xiàn)接近0，表明此時開關閉合（若接通加熱電路，則加熱電路工

32、作）；加熱溫度傳感器，很快就可以觀察到二極管熄滅，并能聽到開關動作的聲音，再測繼電器開關端電阻，應是無窮大，表明開關斷開（若接通加熱電路，則加熱電路不工作）。</p><p><b>　　3 電路的仿真 </b></p><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　4 設計總結</b&

33、gt;</p><p>　　此次課程設計考查了我們的設計電路的能力和動手能力。從中我學到了很多東西。設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，所以按照設計的電路焊出來的實物在調試過程中遇到了一些問題，但我都一步一步地解決了。</p><p>　　由于是第一次課程設計，所以花的時間很多。通過這次課程設計，我學會了如何使用仿真軟件P

34、rotel和Multisim，進一步鞏固了電路的焊接能力。</p><p>　　最重要的是通過這次課程設計我深深體會到能把所學的知識運用到實踐中才是真正掌握。這次的課程設計時間有些倉促，我們剛學完模電的相關知識就運用到電路中，剛開始覺得很難，相關的知識掌握得不到位，但隨著設計的深入，發(fā)現(xiàn)所學的知識在我設計的電路中得到了很好的運用，在課程設計的同時，鞏固和掌握了現(xiàn)學的知識，這才是設計的目的。</p>

35、<p>　　特別是在電路調試成功的那一刻，出現(xiàn)了我所預料的現(xiàn)象，著實讓我高興了一番，自己所設計的東西沒有白費，并且從中獲得了知識，是一件很開心的事。</p><p>　　這只是一次簡單的課程設計，只是一個開始，設計的東西在實際中的運用還尚欠缺，但從中我學到了遇到困難要解決，不能浮躁，要靜心，耐心，細心的做事，堅持下去，總能看到成功的曙光的。</p><p>　　另外實驗中也有一些

36、尚未解決的問題,比如LM324作為比較器用的時候輸出的最大電壓達不到電源電壓,導致蜂鳴器不停地響,達不到報警的作用.</p><p>　　總之，通過這次課程設計，不僅使我對所學過的知識有了一個新的認識。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性以及動手操作能力。使我的綜合能力有了一個很大的提高。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

37、p>　　[1] 吳友宇.模擬電子技術基礎.北京:清華大學出版社[M].清華大學出版社.2009年05 月</p><p>　　[2] 全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編[J].北京理工大學出版社.2004年01月</p><p>　　[3] 張鳳言.電子電路基礎[M].北京:高等教育出版社.1995</p><p>　　[4]

38、華中科技大學電子技術課程組 電子技術基礎[M].高等教育出版社.2005年07月</p><p>　　[5] 吳慎山.電子線路設計與實踐——高等學校電子信息類教材[J].電子工業(yè)出版社.2005年09月</p><p>　　[6] 黃錦安, 付文紅, 蔡小玲編-電路與模擬電子技術[M].高等教育出版社.1997.</p><p>　　附 錄 Ⅰ 元件清單<