課程設(shè)計--可設(shè)置溫度的保溫箱設(shè)計報告

1、<p>　　可設(shè)定溫度值的保溫箱</p><p><b>　　一、電路設(shè)計：</b></p><p><b>　?。ㄒ唬?、行為描述：</b></p><p>　　溫度是日常生活中不可避免的話題，它關(guān)系到我們的衣食住行，關(guān)系到我們每日穿衣的多少，關(guān)系到食物的保存，關(guān)系到溫室的保溫，關(guān)系到各種物品的制造材料等等，因此

2、溫度測量和控制是人們絕對關(guān)心的問題。</p><p>　　我們設(shè)計的電路目的正是用于實際溫度的測量與控制方面的。</p><p>　　在這個設(shè)計中，我們的目標(biāo)是設(shè)計一個電路將保溫箱中的溫度保持在設(shè)定值。我們先設(shè)計一個顯示設(shè)定溫度值的電路，通過實測溫度值與這個設(shè)定值的比較，再決定是否加熱電熱絲而最終使目標(biāo)溫度達(dá)到設(shè)定值。我們想把模擬電路與數(shù)字電路結(jié)合起來，通過數(shù)字電路設(shè)置溫度，通過模擬電路控

3、制電熱絲的加熱與否。</p><p>　?。ǘ?、各部分電路設(shè)計： </p><p>　　根據(jù)以上對電路行為的分析，我們將整個電路分成三大塊進(jìn)行設(shè)計，即溫度設(shè)定與顯示及數(shù)模轉(zhuǎn)換、溫度測量電路，比較控制電路三個部分。</p><p>　?。?）、溫度的設(shè)定與顯示</p><p>　　這部分模塊又可分為兩小塊進(jìn)行設(shè)計：a、溫度的設(shè)定與顯示；b、數(shù)

4、字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　a、溫度的設(shè)定與顯示：</p><p>　　這部分是將設(shè)定的溫度顯示出來，屬于數(shù)字電路設(shè)計的范疇。</p><p>　　根據(jù)要求需要用到計數(shù)器和數(shù)碼顯示管以及譯碼驅(qū)動，我們選用了兩個集成計數(shù)器74161構(gòu)成同步二進(jìn)制模10遞增計數(shù)器，一個顯示十位的數(shù)值，一個用來顯示個位的數(shù)值。因此能夠設(shè)定溫度的范圍為0～99攝氏度。<

5、/p><p><b>　　具體方法如下：</b></p><p>　　目標(biāo)是得到二進(jìn)制模十計數(shù)器，按照反饋置0法，即當(dāng)計數(shù)到1001時，將Qa與Qd經(jīng)過與非門接到計數(shù)器的同步置0端，同時將A、B、C、D等置數(shù)端接地，在下一次時鐘信號上升沿將計數(shù)器置0。</p><p>　　同樣的方法得到兩個計數(shù)器電路分別作為十位與個位溫度數(shù)值的設(shè)定與顯示。<

6、/p><p><b>　　具體電路如下顯示：</b></p><p><b>　　b、D/A轉(zhuǎn)換：</b></p><p>　　在這次設(shè)計由于數(shù)字信號的位數(shù)比較少，我們采用了四位權(quán)電阻與運放構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換電路。具體電路如下：</p><p>　　該電路中運放為反相輸入接法，反相輸入端虛地，運放輸入電壓

7、Vo為：</p><p>　　Vo= －Vref ×Rf (D/R5 + C/R6 + B/R7 + A/R8)</p><p>　　考慮到電阻間的關(guān)系，Vo為：</p><p>　　Vo= －Vref（8D + 4C + 2B + 1A）</p><p>　　這樣，運放輸出電壓恰好與四位二進(jìn)制代碼的大小相對應(yīng)，達(dá)到了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為

8、模擬電壓的要求。</p><p>　?。?）、溫度測量電路：</p><p>　　這部分電路我們采用的是熱電阻恒流電路，電路如下所示：</p><p>　　該電路中鉑熱電阻Rt采用標(biāo)稱值為1kohm的TRRA102B作為溫度傳感器（仿真電路中用電位器Rt代替）。因其阻值大，所以受接線電阻的影響較小。流經(jīng)測溫電阻的電流值規(guī)定為1mA。設(shè)基準(zhǔn)電壓V1＝2V。</p

9、><p>　　則，流經(jīng)Rt的電流為：</p><p>　　I＝（V1×R3/（R2＋R3））/R1=1mA</p><p>　　這樣使溫度為0時傳感器的電壓降為1mA×1kohm＝1V，該電壓為傳感器的偏置電壓。鉑熱電阻Rt的阻值與溫度的關(guān)系為：</p><p>　　Rt＝1000（1＋3.90802e-3×T－0.

10、581095e-6×T×T）ohm</p><p>　　則，運放A1的輸出電壓Vo1為：</p><p>　　Vo1＝－（3.90802e-3×T－0.581095e-6×T×T）ohm</p><p>　　因為運放A1的的輸出電壓較小，并為負(fù)電壓，電路中用運放A2改變電壓極性，并放大到所需的電壓值。由上式可得，在0

11、～100攝氏度溫度變化范圍內(nèi)，Vo1有3.85mV/C的溫度靈敏度，該電路要求輸出10mV/C的溫度靈敏度，所以A2的增益要求為10/3.850＝2.597倍。該電路中用24kohm的電阻R5和15kohm的電位器Rp2調(diào)節(jié)A2的增益，使其達(dá)到所需的大小。運放A1、A2均采用溫漂較小的LM358通用運放。</p><p>　　這部分電路在使用前需要進(jìn)行一些校準(zhǔn)，具體過程如下：</p><p&g

12、t;　　a、接入相當(dāng)于0度的1kohm的電阻，即調(diào)節(jié)Rt＝1kohm，調(diào)節(jié)Rp1使0攝氏度時輸出為0V；</p><p>　　b、接入相當(dāng)于100度的1.385kohm電阻，即調(diào)節(jié)Rt＝1.385kohm，調(diào)節(jié)Rp2至運放輸出為1V；</p><p>　　c、反復(fù)調(diào)整多次，在0～100度全溫度范圍內(nèi)適宜為止。</p><p>　　調(diào)節(jié)準(zhǔn)確后得到的電路為靈敏度為10m

13、v/C。</p><p>　　（3）、比較控制電路：</p><p>　　這部分電路的功能相當(dāng)于一個開關(guān)，它的作用就是控制對電熱絲的加熱與否，以往的設(shè)計中多用三極管的開關(guān)特性完成電路的設(shè)計，在這里我們采用1A 400V晶閘管代替三極管。具體電路如下：</p><p>　　電路中，U1是電壓比較器，R1代表的是電熱絲。通過改變U1兩端的電壓差，而使其輸出電壓變化，使得

14、晶閘管導(dǎo)通或截止，從而改變了電熱絲R1兩端的電壓，需要加熱時，其兩端電壓為220V，要求停止加熱時，它兩端的電壓幾乎為0。這里考慮到實際情況，給電熱絲加熱用的是市電220V交流電壓。</p><p>　　需要說明的一點是，這一部分的電路中，運放正相輸入端的輸入電壓代表的是與設(shè)定的溫度相對應(yīng)的電壓值，而反相輸入端的輸入電壓是與實測溫度值相對應(yīng)的電壓值。</p><p>　　另外，該電路用到的

15、基本電壓比較器，其中的運放為＋5V單電源供電。因為該電路對轉(zhuǎn)換速率要求不是很高，所以僅使用了普通運放，若實際需要，以后還可改進(jìn)。</p><p>　　實際仿真說明，設(shè)定溫度高于實測溫度時，電阻絲加熱；反之，不加熱。</p><p><b>　　二、電路仿真：</b></p><p>　　我們使用Multisim 8軟件進(jìn)行電路仿真。</p

16、><p>　　由以上三大部分逐一級聯(lián)成最終的電路，整體仿真電路原理圖見附圖1。</p><p>　　仿真前先按照溫度測量電路的要求將電路校調(diào)好。</p><p>　　圖中，計數(shù)器顯示了需要設(shè)定的溫度，電壓表U21表示的是與設(shè)定溫度顯示值相對應(yīng)的模擬電壓的大?。?0mV/C），電壓表U23顯示的數(shù)值是根據(jù)實際溫度轉(zhuǎn)化后的模擬電壓（10mV/C），實際溫度高低的調(diào)節(jié)可通過調(diào)

17、節(jié)滑動電阻器Rt的大小代替，電壓和溫度的關(guān)系為近似線性關(guān)系，U12交流電壓表所顯示的是電熱絲兩端的電壓，表示它是否處于加熱狀態(tài)。</p><p>　　首先設(shè)定預(yù)使電熱絲到達(dá)的溫度，即數(shù)碼管顯示的數(shù)值，然后任意改變溫度值，通過電壓表U23和U21的對比，可以看出實際溫度和預(yù)設(shè)溫度的大小關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系可以清楚的判斷出是否加熱電阻絲，當(dāng)U21>U23時，說明設(shè)定溫度大于實際溫度，此時需加熱，U12顯示的電壓應(yīng)該

18、接近220V；當(dāng)U21<U23時，說明設(shè)定溫度小于實際溫度，不需要加熱，此時U12顯示的電壓應(yīng)當(dāng)接近0V。</p><p>　　在這里需要說明的一點是，由于電路中所使用的器件比較多，因此計算機(jī)仿真時運行速度比較慢，但實際不會出現(xiàn)這種情況；另外，由于精度的問題，必然會出現(xiàn)誤差，譬如在顯示電熱絲兩端電壓的時候，理論上應(yīng)該是加熱時大小為220V，不加熱時為0V，而仿真時有所偏差，畢竟任何電路都是不可避免出現(xiàn)誤差的

19、，并且存在一定誤差的電路比較接近實際，所以并不妨礙實際電路功能的實現(xiàn)情況。</p><p>　　三、電路系統(tǒng)的不足：</p><p>　　1、設(shè)定溫度顯示方面為了避免一些險象，故取消了進(jìn)位端的級聯(lián)，雖然最終不影響電路的功能，但缺少了一些便捷；</p><p>　　2、該電路僅采用了兩個數(shù)碼管進(jìn)行顯示，代表十位和個位，范圍僅為0～99度，但根據(jù)同樣的原理可以方便地擴(kuò)展

20、溫度的范圍；</p><p>　　3、電路的精度有待提高，可以選用精度較高的運放和高精度的電阻通過精細(xì)的調(diào)節(jié)提高電路的精度。還可以通過一些電路設(shè)計方面的改進(jìn)來提高精度，比如提高恒流源的精度、通過補(bǔ)償電路提高鉑熱電阻的線性度。</p><p><b>　　四、電路板的設(shè)計：</b></p><p>　　我們設(shè)計電路板的過程可以分為三個步驟：電路原

21、理圖的設(shè)計、產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表、印制電路板的設(shè)計。</p><p>　　（一）、電路原理圖的設(shè)計</p><p>　　電路原理圖的設(shè)計主要是用Protel 99 Se所提供的原理圖設(shè)計系統(tǒng)（Advanced Schematic）來繪制一張電路原理圖。</p><p><b>　　1、繪制原理圖</b></p><p>　　在工程

22、中新建一個*.sch文件，我們把自己設(shè)計的電路繪制到該文件中即可得到一張電路原理圖。在繪制電路原理圖的過程中，有些元件在元件庫中找不到，比如開關(guān)S1、S2、電位器R21，我們就在元件庫編輯器中繪制了該元件，步驟如下:</p><p>　　a、在File/New菜單中選擇原理圖編輯器，使用元件庫繪圖工具繪制所需要的元件形狀;</p><p>　　b、在剛剛繪制的圖形里需要加管腳的地方加上管腳

23、。</p><p>　　完整原理圖見附圖2。</p><p><b>　　2、元件的封裝</b></p><p>　　在繪制完原理圖后需要對每個元件進(jìn)行封裝，元件封裝是指實際元件焊接到電路板時所指示的外觀和焊接位置。各元件封裝方法如下：</p><p><b>　?。ǘa(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)表</b><

24、/p><p>　　網(wǎng)絡(luò)表是電路原理圖設(shè)計（Sch）與印制電路板設(shè)計（PCB）之間的一座橋梁，它是電路板自動布線的靈魂。網(wǎng)絡(luò)表可以從電路原理圖中獲得，也可從印制電路板中提取。我們在原理圖中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)表。</p><p>　?。ㄈ?、印制電路板的設(shè)計</p><p>　　在這個過程中，我們借助 Protel 99 SE提供的強(qiáng)大功能實現(xiàn)電路板的版面設(shè)計，完成高難度的布線工作。

25、</p><p>　　1、在工程中新建一個*.PCB文件，在keepoutlayer層中畫出電路板的大小，我們使用電路板的大小為4000mil×3000mil。在toplayer層中加載網(wǎng)絡(luò)表，將protel 99se提示的錯誤全部改正后執(zhí)行加載。手動調(diào)整元件至合適的位置后，使用protel 99se的自動布線功能自動布線。我們的電路板為雙層布線，線寬10mil，焊盤直徑30mil，安全間距10mil。

26、</p><p>　　2、自動布線完成后還需要完善和調(diào)整一下，大電流接線、電源、接地線需要加寬，我們將晶閘管的接線加寬到20mil。調(diào)整后的PCB見附圖3。</p><p><b>　　五、心得感受：</b></p><p>　　1、對電路中運用軟件的總結(jié)和感受：</p><p>　　在這次的電路設(shè)計中，我們主要運用了兩

27、大軟件：Multisim 8和Protell 99 se，由前述的步驟可以看出，Multisim 8主要用來調(diào)試電路及仿真，而Protell 99 se的主要用途是繪制印制電路板即制作PCB。</p><p>　　對于Multisim 8的運用我們比較熟悉，在以前的學(xué)習(xí)中經(jīng)常使用，其連接電路比較簡單，并且數(shù)字電路和模擬電路的器件比較齊全，選擇時也比較方便，適合調(diào)試較小型的電路及整個電路的仿真。在運用過程中，我們逐

28、漸增加對這個軟件的認(rèn)識，又學(xué)習(xí)到很多以前沒有接觸過的過程和器件，比如把模擬電路的模塊和數(shù)字電路的模塊聯(lián)系起來進(jìn)行仿真，同時對比較器的運用也是一次新的嘗試。在調(diào)試電路的過程中，不可避免的出現(xiàn)了很多問題，計數(shù)器的使用出現(xiàn)險象，溫度電路中對代替鉑熱電阻的變阻器的調(diào)試，以及最后級聯(lián)中用理想運放代替比較器時出現(xiàn)的問題等等。但是我們并沒有放棄，耐心地調(diào)試每一部分電路和總體的仿真情況，無論處理方法的好壞，最終問題都解決了。這是我們集體的智慧和不懈的努

29、力帶來的，說到這里不得不提到我們在這次集體的設(shè)計過程中，不僅體現(xiàn)了個人的智慧，同時也很大程度地發(fā)揮了集體的力量，很好地在個人遇到問題的時候利用集體的力量解決了問題，并最后一起完成了第一部分仿真的設(shè)計。</p><p>　　在過去的學(xué)習(xí)過程中，我們不是很熟悉這方面的制作，通過這次設(shè)計過程，我們基本是從基礎(chǔ)開始起步做起，學(xué)習(xí)基本的電路圖的繪制以及以上各步驟中所提到的內(nèi)容，在這個制作過程中，我們逐步學(xué)習(xí)完善對Prote

30、ll 99 se的運用，在這個過程中，與仿真相同，很多問題的出現(xiàn)阻礙了我們的繼續(xù)，最大的問題就是很多封裝的錯誤以及一些管腳的處理問題。我們在面對它們時，積極和其他同學(xué)共同討論，在大家一起努力以及老師的指導(dǎo)和幫助下，逐步解決了這些問題，最終得到了完成我們設(shè)計的電路功能的印制電路板的設(shè)計，并在整體布局上采用了手動布局以增加電路的可靠性，比如盡量減少實際中各部分間可能存在的相互干擾情況，以及數(shù)碼管顯示時的位置和各部件的整齊度（這一點主要是考慮

31、到實際焊接電路板時的可操作性）。</p><p>　　2、對設(shè)計過程中學(xué)習(xí)方法的總結(jié)和感想：</p><p>　　設(shè)計過程其實也是一個學(xué)習(xí)的過程，整個過程培養(yǎng)了我們對此的學(xué)習(xí)興趣，同時也提高了我們的學(xué)習(xí)能力，包括合作能力和自學(xué)能力等等。整個設(shè)計中，我們主要的學(xué)習(xí)方式還是參閱相關(guān)的書籍和文章，這些素材有的借自圖書管，有的來源于網(wǎng)上，還有些是慕名購買的，這些資料對我們很重要，Protell 9

32、9 se的使用基本就是靠這些資料學(xué)會的。</p><p>　　其次，網(wǎng)絡(luò)是一個學(xué)習(xí)材料的海洋，理所當(dāng)然應(yīng)該好好利用，我們自然不會丟下這個工具，除了以上所說的利用網(wǎng)絡(luò)搜索有關(guān)書籍和文章，我們還在其中尋找一些常用元件庫和封裝庫，借此來最大限度地發(fā)揮我們設(shè)計的電路的用途，盡量做到用最好的元件，最理想的器件，并對這些器件都能順利的找到封裝。</p><p>　　書籍資料的瀏覽學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)的搜索基本屬

33、于自學(xué)的范疇，同時，集體的討論也是不可或缺的，正如前述所說，電路的仿真和PCB的制作中不可避免的出現(xiàn)了實際的問題，這些問題并不都是常見的易解決的問題，為此我們一起討論，并請教老師同學(xué)，這樣的學(xué)習(xí)方式也取得了很好的效果，不光光是對這次電路設(shè)計的過程和結(jié)果，更重要的是對我們整個學(xué)習(xí)能力的一種提高，相信對以后的學(xué)習(xí)也是一種很好的幫助。</p><p>　　3、對這門課的感受：</p><p>　

34、　這是一門綜合模擬電路和數(shù)字電路設(shè)計的課程，它和我們以前所學(xué)的單獨的數(shù)字電路和模擬電路等課程不同，主要要求我們的創(chuàng)新能力，實踐能力以及合作能力，通過這門課的設(shè)計的完成，我們掌握了Multisim 8和Protel 99 SE的基本技能，為以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。因此我們覺得這門課放在二、三年級過渡的短學(xué)期非常適合，既可以鞏固以前學(xué)過的知識，也可為以后的再學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。相信這門課也可以繼續(xù)保持下去，成為越來越多同學(xué)學(xué)習(xí)和培養(yǎng)能力的平臺！

35、</p><p><b>　　附，參考書籍：</b></p><p>　　傳感器技術(shù)及應(yīng)用 何希才 主編 北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　電子技術(shù)基礎(chǔ) 康華光 主編 高等教育出版社 </p><p>　　電路與數(shù)字邏輯設(shè)計實踐

36、 王澄非 主編 東南大學(xué)出版社</p><p>　　計算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計 黃正瑾 主編 高等教育出版社</p><p>　　Protel 99 SE應(yīng)用教程</p><p>　　――印制電路板設(shè)計 李啟炎 主編 同濟(jì)大學(xué)出版社</p><p>　　綜合電子設(shè)計與實踐