电子技术课程设计--化学反应釜温度电子控制器设计与实验.doc

内蒙古工业大学课程设计学校代码： 10128学 号： 201110203029 201110203014课程设计说明书题 目：化学反应釜温度电子控制器设计与实验学生姓名： 学 院： 班 级：电子11-1指导教师： 二一三年八月三十一日内蒙古工业大学课程设计摘 要本次设计旨在将模拟电子技术与数字电子技术相结合，运用放大电路、滤波电路、门电路、逻辑分析电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路的相关知识，解决集成电路、数模和数模转换、数字电路中的若干实际问题，制作一个针对化学反应釜温度和反应次数的控制器，控制器有高、低温报警功能（VCC=5V，POM=1W）、报警和反应次数的计数显示功能，并且可显示反应时间、设定启停温度、存储报警和反应次数，同时可提供控制器5V/2A直流电源电路。本设计经multisim和实测验证均可达到预期要求。关键词：控制电路；温度信号；报警；显示；AbstractThe design aims at combining the analog electronic technology and digital electronic technology, with using the amplification circuit, filter circuit, circuit, logic circuit, combinational logic circuit and sequential logic circuit knowledge ,to solve the integrated circuits, analog and digital to analog conversion, some actual problems in digital circuit .To produce a chemical reaction kettle temperature and reaction times of the controller, the controller has the high and low temperature alarm function (VCC = 5 v, POM = 1 w) count display, alarm and reaction times, and it can display the reaction time, temperature, storage alarm set start-stop and reaction times, at the same time can provide controller 5 v / 2 a dc power supply circuit. This design through the multisim and validation of all can meet the expected requirements.Key words: control circuit; Temperature signal; Call the police; Display; Storage; 目 录一、设计任务概述1二、设计方案论证及方框图11、题目要求简析12、电路分块13、电路结构方框图24、设计方案比对2三、电路组成及工作原理3（一）、信息采集电路4（二）、信号处理电路4（三）、状态表示电路51、计时显示部分52、报警电路及报警计数电路63、工作状态控制电路7四 电路元器件选择与实际测量8模拟电子技术部分8（1）放大、滤波部分测量8（2）比较器部分测量10数字电子技术部分：11(1)计时显示部分测量11(2)高、低温报警计数部分测量13(3)工作状态控制部分测量14参考文献17设计所需仪器设备及元器件清单18一、设计任务概述设计并制作一个针对化学反应釜温度和反应次数的控制器，也适用于大中小工业生产领域。其特点是灵敏、可靠；可是实时记录反应所需的具体时间。该该控制器能够完成如下功能：（1） 当温度升高到150时反应釜停止加热，自然冷却至60时，启动加热器。（2） 反复加热7次后控制反应釜开始排料至下一工艺过程。（3） 控制器有高、低温报警功能（VCC=5V，POM=1W）；报警和反应次数的计数显示功能。可拓展功能:反应时间计时显示、启停温度可设定、报警和反应次数的存储，提供控制器5V/2A直流电源电路设计。二、设计方案论证及方框图1、题目要求简析本设计中传感器（515mv电压型）采集的信息与设计的信息系统有如下关系（表1）；反应温度传感器输出电压信息系统608mv低温报警60- 1508mv - 12.5mv正常工作15012.5mv高温报警 表1 设计要求简析扩展功能：（1）反应七次后停止化学反应釜工作，秒表记时并显示 （2）报警次数记录并显示，二极管闪烁 （3）可提供5V/1A直流电源电路 （4）启停温度2、电路分块：（1）信息采集电路：对传感器输出电压进行放大、滤波处理（2）信息处理电路：化学反应釜工作开始后，对信息采集电路传出的信息进行处理判断，决定化学反应釜工作状态（报警，正常工作）（3）状态表示电路：秒表记时显示电路、报警及报警次数记录显示电路，化学反应釜工作开始与停止控制电路3、电路结构方框图：见图1 图1 电路结构方框图4、设计方案比对在对电路的毫伏级信号进行放大时，因现实和理论可能出现的偏差，进行了双方案的选择，对放大部分的子电路设计如下图，运用一个集成运放设计的单级同相放大电路见图2；运用三个运放设计的三级同相放大电路见图3。 图2单级同相放大电路 图3三级同相放大电路小结：以上系实验前对于电路整体的分析以及整合，并对此提出了方案以便进行multisim仿真，因电路较为复杂，故在整体电路中将采取子电路的方式进行连接，以减少整体电路中连接的错误并可实体线路连接时使方案更为明晰。三、电路组成及工作原理总电路原理图如下图4。 图4 总电路原理图（一）、信息采集电路信息采集电路部分用于对电路的信号放大、滤波（见下图5）此处将信号放大、滤波电路设置为子电路以方便管理。放大电路中,Uo=(R6/R7)(Uhigh-Ulow)(1+2R1/R2),当Uhigh=Ulow=UIc时,R2中电流为零,输出电压Uo=0。可见电路能放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数值越大，共模抑制比越高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。图5.1放大电路 低通滤波电路中，特征频率f0=1/（2R2C），可得通带放大倍数Aup=1+R3/R1。图5.2滤波电路（二）、信号处理电路信号处理电路（见图6）用于对放大、滤波的信号进行比较，判断出此时的温度处于那种状态进而有效的指示系统的下一部分如何去工作。利用单限比较器可直接比对出系统的工作状态，比较的结果以TTL高低电平的方式输出。经此步骤以后，模拟信号已经转变成数字信号。图6 信号处理电路（三）、状态表示电路1、计时显示部分计时显示部分（见图8）是由秒脉冲，七段数码管显示部分构成， 图8 计时显示部分（1）秒脉冲由555定时器和电阻，电容构成，可产生均匀的方波脉冲，其子电路如图9所示图9 秒脉冲子电路（2）七段数码管显示部分如图10，此处将四个计数显示电路做成了一个子电路。图10七段数码管显示部分 2、报警电路及报警计数电路（1）蜂鸣器声音报警部分（见图11），通过蜂鸣器鸣响实现报警功能。图11 蜂鸣器声音报警部分（2）高温报警计数部分（见图12），利用计数器计数、七段数码管显示，对化学反应釜的高温报警做明确的记录。图12 高温报警计数部分（3）低温报警计数部分（见图13），原理与高温报警计数部分相同，这里不再赘述。 图13 低温报警计数部分 3、工作状态控制电路工作状态控制电路通过锁存触发实现（如图14）， 通过状态翻转，可控制计时电路精确、实时、有效的记录反应具体时间，并以此控制化学反应釜的工作,这一部分也是整个电路的驱动电路。图14 锁存触发部分四 电路元器件选择与实际测量模拟电子技术部分：（1）放大、滤波部分测量:放大、滤波部分我们选用的是LM324四运算放大器，因为实际情况，我们把放大电路、滤波电路放在一起测量。所用材料见表2表2 方案材料表序号元器件名称规格型号数量单价总价备注1四运算放大器LM3210.22元0.22元LM324内部电路见图15，管脚排列图16 图15 LM324内部电路图16 LM324管脚排列根据仿真图5.1、5.2连接实物电路,实测结果如表:输入电压输出电压1mv1.02v2mv2.09v3mv3.07v实测图如下（输入2mv，输出2.09v）：实测结果分析:通过实际测量,我们可以成功地将5-15mv的电压放200倍,放大到1-3v,以至于可以满足我们的要求,继而方便下一步骤的实验.我们将8mv、1.25mv方大成1.6v、2.5v，这样以后就可在此设定60C、100C所对应的电压，是比较器的部分更容易操作。（2）比较器部分测量：为区分60C、100C所对应的电压，我们利用单限电压比较器完成此部分设计。这里我们使用的芯片依然是LM324。根据仿真图6，连接实验电路。实验结果如下表。上一系统输入电压输入电压二极管指示1.6v4.13v绿灯亮1.6v 2.5v0.378v无2.5v4.13v红灯亮实测图如下： 实测结果分析:我们通过单限电压比较器的比较，可以成功地区分60C、100C所对应的电压，这样的比对，我们有效地完成了模拟量到数字量的转化。当60C时，系统传出低温报警信号，绿灯报警；当100C，系统传出高温温报警信号，红灯报警。通过高地电平的输出，我们把电信号传递到下级，从此我们的设计从模拟部分转到数字部分。16数字电子技术部分：(1)计时显示部分测量:对计时显示部分，我们都采用NE555芯片、74ls160芯片、BCD七段数码管显示译码器，完成这部分电路。NE555芯片内部电路、管脚排列图见图17，74ls160芯片内部电路、管脚排列图、功能表见图18，BCD七段数码管显示译码器真值表见图19。方案所用材料见表3表3 方案材料表序号元器件名称规格型号数量单价总价备注1定时器NE55511.5元2计数器74ls16012.3元3数码管DCD-HEX12.5元6.3元图17 NE555芯片内部电路、管脚排列图图18 74ls160芯片内部电路、管脚排列图、功能表图19 BCD七段数码管显示译码器真值表根据仿真图8连接实物电路, 实测图如下实测结果分析:当启动信号（第一次低温报警）到来，开始计时；当停止信号（第七次高温报警）到来，停止计时；在我们这里，我们把七次加热的总时间规定成反应时间，利用七段数码管显示，通过这种方式，系统可以准确记录反应时间。(2)高、低温报警计数部分测量:高、低温报警计数部分利用计数器计数、七段数码管显示，原理与计时显示部分相同，这里不再赘述。方案所用材料见表4表4方案材料表序号元器件名称规格型号数量单价总价备注1定时器NE55511.5元2计数器74ls16012.3元3.8根据仿真图12物电路, 实测图如下实测结果分析:当第一次低温报警信号到来，开始计计数，接下来每次低温报警，系统都会做出相应的记录；当第一次高温报警信号到来，开始计计数，接下来每次高温报警，系统也都会做出相应的记录；同时利用七段数码管显示报警次数。利用计数器，我们成功实现了报警计次的功能。(3)工作状态控制部分测量:工作状态控制电路通过锁存触发实现，这里用到了74ls76芯片芯片内部电路、管脚排列图见图20。方案所用材料见表5表5方案材料表序号元器件名称规格型号数量单价总价备注1双JK触发器74ls7611元1元图20 74ls76芯片芯片内部电路、管脚排列图根据仿真图14连接实物电路,实测结果如图:实测结果分析：我们将JK触发器的J、K端都接高电平，当有下降沿信号时，Q端、Q*端状态翻转，利用这个特性，我们将其设定为驱动电路的触发装置，我们将高温报警信号和低温报警状态取与或，把其当做时钟信号，低温报警信号到来，Q端状态翻转成“1”，高温报警信号到来，Q端状态翻转成“0”。让“1”、“0”高低电平来驱动电路，当为“1”时，加热开始，当为“0”时，加热停止，当第七次高温报警信号到达，Q端状态变为“0”，触发器停止翻转，并且整个控制系统，乃至加热系统都停止工作，这标志着整个反映的结束。结 论在本次设计中，根据设计需求我们完成了相应的任务，首先我们成功的做到了当温度升高到150时反应釜停止加热，自然冷却至60时，启动加热器；并在反复加热7次后，成功地控制反应釜开始排料至下一工艺过程。其中，拓展功能中的控制器有高、低温报警功能（VCC=5V，POM=1W）、报警和反应次数的计数显示功能，我们也相应地完成。但在其中我们遇到了许多实际问题，首先放大、滤波电路由于电路的设计方法存在问题，所以导致我们的实际测试并不十分顺利，但最后通过老师指导，和同学们的相互探讨，我们一一攻克了这其中的大多数问题。本次课程设计中，我们使用单限比较器的时候，电路的选择给我们的时带来巨大的困难，经过我们的反复推敲，最后我们设计出了十分适合我们的电路。由于我们并不了解驱动电路的概念，所以在设计触发改变电路的时候，出现了困难，未能十分满意的设计本部分电路。其次，我们所使用的元器件存在一定误差，还有某些实验器件的老化给我们也带来了不必要的干扰，这是我们无法解决的问题。虽然温度控制是比较简单