毕业论文水温控制与检测课程设计论文

西安电子科技大学《模拟电子技术》课程设计题目水温控制与检测学生姓名专业班级11级通信工程二班学号2011院（系）信息工程学院指导教师完成时间2013-5-30目录绪论4221171课程设计的目的 4212682课程设计的任务与要求 142292.1设计任务 1291562.2设计要求 192503设计方案与论证 2245873.1方案选择与论证 2295273.2水温控制器的原理方框图 2265104设计原理与功能说明 3140864.1元器件选用原理 3248164.2总体电路图 810705单元电路设计 9147715.1信号处理单元 9299095.2温度显示单元 10174195.3控制单元 11229166电烙铁的使用 12246837总结 1332417参考文献 1626585附录一：总体电路原理图 173854附录二：元器件清单 18绪论在钢铁、机械、石油化工、电力、等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一;随着科学技术和生产发展,需要对各种参数进行测量,温度是工业对象中主要的被控参数之一.在冶金工业,化工生产,电力工程,机械制造和食品加工等许多领域中,人们都需要对各种环境中的温度进行检测和控制,温度控制对于大型工业和日常生活用品等工程都具有广阔的应用前景.例如冶金工业中的炼钢炉温度控制、化工生产中的培养皿温度控制、食品加工车间的温度控制等。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。温度测量与控制系统是自动控制技术、计算机技术、电子技术和通信技术的有机结合，综合发展的产物。其内容十分的丰富，它包括各种数据的采集和处理系统、自动测量系统、生产过程自动控制系统等，广泛应用于工厂自动化、商业自动化、实验室自动化等人类活动的各个领域。随着工业的发展，对温度控制提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。温度控制是一种具有纯滞后的系统，加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，目前的温度控制系统大多建立在一定的数学模型基础上，对被控对象中的非线性、时变性及随机干扰无能为力，因此，提高系统的抗干扰能力成为关键性的技术。首先，控温精度要高。其次，当环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。最后，由于生产中的实际情况，控制设备要求操作方便，易于维护，成本较低等等。常用的温度控制方法有:电接点温度表温度控制、位式温度显示调节仪温度控制、PID连续电流输出温度显示调节仪表温度控制、PID连续电压输出温度显示调节仪表温度控制。这些温度控制方法大都是在工业生产现场安装温度控制仪表，通过提前设定温度控制的上下限值或PID控制参数，然后再将控制仪表投入使用，进行各种预定的控制。但若被控对象发生变化，难于实时的调整控制参数，不能满足实时控制的要求，而且温度变化曲线的一一记录不易实现。总之，我国的电温度的控制设备的现状不容乐观，主要有以下特点:小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，整体上，我国的温度控制系统比国外发达国家要落后，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益。由于微机控制系统性能的优越性，市场的需求量很大。控制系统对微机的性能需求不是很高，同时由于计算机CPU及外围功能卡的不断升级和价格的不断下降，使得用高档微机进行控制的成本大为降低，而且也使得大批PC机闲置不用。因此，用高档微机甚至闲置不用的PC机构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，中小型的控制系统很少见。这方面的缺口较大，市场前景看好。本设计以温度控制为研究对象，针对环境温度，在比较、研究不同控制策略的基础上，根据实际情况通过模拟电路实现温度控制。本文主要做了以下几个方面工作：(l)论述了温度控制系统的课题目的、意义，当前计算机测控系统的发展动态及本论文的主要内容并对温度控制特点进行了简要分析。(2)介绍温度测量过程相关知识。(3)介绍温度比较控制过程相关知识。(4)设计温度控制的实际电路。(5)对结果进行系统分析与总结1课程设计的目的通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《模拟电子技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。1、学习基于LM35控制水温的设计方法；2、研究基于LM35控制水温的设计方案；3、掌握三极管管脚极性的判断方法；4、熟悉电烙铁的使用方法。2课程设计的任务与要求（1）设计一个水温控制器 （2）能对水温进行测量并指示读数（3）能对水温进行控制，控制范围为0~100℃3设计方案与论证3.1方案选择与论证根据设计要求，有以下3种方案：方案一：采用温度传感器对温度进行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时,还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来。方案二：用LM35温度传感器、放大电路、指示器、比较器、发热元件、控制温度设置等元器件组成的单电源温度控制检测电路。根据电路的简易性与可实行性(比如电路线路多而繁杂，MC14433等芯片在元件库中缺少等)，选用方案二。3.2水温控制器的原理方框图控制温度设置比较器指示器放大电路发热元件被控对象温度传感器控制温度设置比较器指示器放大电路发热元件被控对象温度传感器图3-1水温控制器组成原理图水温控制器的组成原理框图如图3-1所示。本电路由温度传感器、放大电路、指示器、比较器、发热元件、控制温度设置等部分组成。温度传感器的作用是把温度信号转化为电压信号输出，经放大电路放大，送往电压表构成的指示器进行温度指示。同时，由温度传感器输出的电压信号送往比较器，与设置的温度进行比较，控制发热元件的工作，从而控制水温，使其保持在某一范围。4设计原理与功能说明4.1元器件选用原理（一）温度传感器简介LM35是电压输出型集成温度传感器，其特点如下：可直接校正摄氏温度。线性温度系数：+10mV/℃。温度范围：-50~+150℃。非线性度低于±1/4℃。输出抗阻（在1mA负载时）：0.1Ω。工作电压范围：4~30V。成本低。LM35传感器采用了TO-46和TO-92封装，其等效电路及封装形式如下图4-1所示。LM35的最大额度参数范围：电源电压为+35~-0.2V；输出电压为+6~-1.0V；输出电流为10mA；存放温度对于TO-46封装为-60~+180℃，TO-92封装为-60~+150℃；工作范围对于LM35和LM35A为-50~+150℃，LM35和LM35A为-40~+110℃，LM35为0~+100℃。图4-1LM35的等效电路图及封装形式为LM35内部电路；（b）LM35的封装形式（二）LM35的基本应用电路图4-2为LM35的基本应用电路。图4-2（a）为采用LM35构成的单电源温度传感器电路，其中Uo为相应温度的输出电压。图4-2（b）为采用LM35构成+2~+150℃温度传感器电路。图4-2（c）是采用LM35构成的满程摄氏温度计，输出Uo=+1500mV，相当于+150℃；Uo=+250mV，相当于+25℃；Uo=-550mV，相当于-55℃。图4-2LM35的基本应用电路单电源温度传感器；（b）+2~+150℃传感器；（c）满程摄氏温度计（三）放大电路由于LM35输出的电压信号较小，须经运算放大器放大后才能推动电压表进行温度指示。如图4-3所示，0~100℃相应输出电压为0~10V。（四）比较器图4-4中，UREF控制温度设定（对应控制温度），Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定控温精度。图4-3运算放大器图4-4电压比较器（五）三极管管脚的判定B代表基极，c代表集电极，E代表发射极。

1

．基极的判定

将数字表的一支表笔接在晶体三极管的假定基极上，另一只表笔分别接触另外两个电极，如果两次测量在液晶屏上显示的数字均为

0

．

1V

～

0

．

7V

，则说明晶体三极管的两个

PN

结处于正向导通，此时假定的基极即为晶体三极管的基极，另外两电极分别为集电极和发射极；如果只有一次显示

0

．

1V

～

0

．

7V

或一次都没有显示，则应从重新假定基极再次测量，直到测出基极为止。

2

．三极管类型、材料的判定

基极确定后，红笔接基极的为

NPN

型三极管，黑笔接基极的为

PNP

型三极管；

PN

结正向导通时的结压降在

0

．

1V

～

0

．

3V

的为锗材料三极管，结压降在

0

．

5V

～

0

．

7V

的为硅材料三极管。

3

．集电极和发射极的判定

有两种方法进行判定：一种是用二极管挡进行测量，由于晶体三极管的发射区掺杂浓度高于集电区，所以在给发射结和集电结施加正向电压时

PN

压降不一样大，其中发射结的结压降略高于集电结的结压降，由此判定发射极和集电极。

另一种方法是使用

hFE

挡来进行判断。在确定了三极管的基极和管型后，将三极管的基极按照基极的位置和管型插入到卢值测量孔中，其他两个引脚插入到余下的三个测量孔中的任意两个，观察显示屏上数据的大小，找出三极管的集电极和发射极，交换位置后再测量一下，观察显示屏数值的大小，反复测量四次，对比观察。以所测的数值最大的一次为准，就是三极管的电流放大系数卢，相对应插孔的电极即是三极管的集电极和发射极。

第二种方法

电解电容有正负极之分,标记不清时用欧姆档测量,表笔交换测两次,漏电小的那次红表笔是正极(使用数字表时,)

(注意:指针表时黑表笔接的是正极).

其它容量小的电容,用指针表欧姆档的高档位测,有充放电现象,可看得到(指针接触瞬间表针摆动),就是好的.

三极管的基极对另外两个极是两个PN结,用RX1K欧姆档测,

指针表的黑表笔接一个脚,红笔分别测另两个脚,测得两个都是正向导通时,黑笔接的就是NPN型三极管的基极.

指针表的红表笔接一个脚,黑笔分别测另两个脚,测得两个都是正向导通时,黑笔接的就是PNP型三极管的基极.

这就区分出了是NPN还是PNP的三极管了,同时知道了基极(B).

发射极(E和集电极(C)区分：根据基极对集电极和发射极的正向电阻判断，其中正向电阻低的是集电极.

有的万用表有测三极管的插孔,可以插上测放大倍数,放大倍数大的接入的正确(基极的脚已测出).

用指针表测三级管,二极管,电容,比数字表方便,直观.但要记住欧姆档的表笔,黑笔是表内电池的正极,红笔是电池的负极(数字表相反)4.2总体电路图图4-5所示为采用LM35构成的水温控制电路。电路中的Rr用于设定基准电压Ur，而温度传感器LM35检测温度后对应的输出电压。当加热元件RH加热时，水温升高，经过一定时间，当超过预先设定的值（如100℃），即Ux>Ur时，则A输出高电平，VT1截止，功率晶体管VT2也截止，UH停止加热，此后温度慢慢下降；当降低到低于预先设定值时，即Ux<Ur，则A输出低电平，VT1导通，功率晶体管VT2也导通，RH又开始加热。这样周而复始，时水温保持恒定值，从而达到控制温度的目的。法官二极管LED用于显示RH的加热情况，加热时，LED发光；恒温时，LED熄灭。图4-5LM35构成的水温控制电路5单元电路设计5.1信号处理单元LM35输出端的电压因温度改变1摄氏度而改变10mv，很难检测。所以必须经过一定的处理方可成为测量以及控制部分所使用的信号。处理方法也就是将它无损的放大一定的倍数。因控制或测量温度在30摄氏度的时候，LM35输出电压为300mv。温度在0摄氏度的时候输出为0mv。经下面计算：得即0<Av<40。考虑计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数为30为宜。5.2温度显示单元温度显示单元承担两个主要的任务，主要是显示当前以及控制的温度，如果没有它就不知道自己到哪里了。温度显示实质上就是电压显示，主要是设计一个可以表征温度的电压表。因低温区的电压比较小，因此为了提高测量和控制的精度，需要设置两个量程。电阻选择计算：已知：万用表内阻满量程为所以若使其测量10V电压，串联电阻R1需要满足：带入数据可算出若使其测量5V电压，串联电阻R2需要满足：因此可以通过设置一个开关来达到改变量程的目的。另外控制和测量温度都需要使用一个表头来显示。如图4.3.1当单刀双掷开关S2打到左边的时候，可以通过调节电位器R7来调整控制电压，具体的会在控制单元中说明。当开关S2打到右边的时候，表头用来显示当前传感器传过来的经过处理的信号，也就是表征温度的电压量。5.3控制单元控制单元的作用是通过接收来自传感器处理后的信号，判别是否需要对当前的水体进行加热。因为初级放大电路是反向放大电路，所以，电压会变成负电压。因此控制电路处的比较基准电压应该从负电源中索取。电位器选择计算：为了使电位器在阻值最小的时候电路中电流在1.5mA以下，选择固定电阻R为2k。虽然控制温度需要达到30摄氏度，但是为了适应实际，同时以防被毁，控制电压设置最大为50摄氏度。Vo=500mV×30=15V。因此电位器选择10k为宜。6电烙铁的使用1、焊接的注意事项良好的焊接是实验成功的重要保证；反过来说，焊接不良，往往会使实验失败，甚至损毁元器件。虽然焊接技术并不复杂，但如果认为它操作简单而掉以轻心，也会造成种种不良后果。所以应注意以下几点：（1）电烙铁焊接的时候，一定要等电烙铁加热后，拔掉电源插头，用电烙铁的余热焊。否则，温度过高的焊接，会烫坏器件。（2）焊接器件的时候，一定要将连接电源正、负极的导线分别焊接在器件标有“＋”、“—”符号的一端。器件的下方还有两个类似焊点的地方，如果错将导线焊在那儿，器件就会损坏，不能使用了。（3）烙铁使用日久后，烙铁头容易被“烧死”，即在表面出现一层黑色氧化物，而且变得凹凸不平。“烧死”的烙铁头很难熔化和沾取焊锡，需用锉刀将它重新挫亮。尽量使用市场上出售的空心焊锡丝，它是将焊锡做成直径2～4毫米的细管状，在管内装进松香粉。使用这种焊锡丝，能保护烙铁头不易被“烧死”。（4）使用电烙铁一定要注意安全，使用前用万用表测一下电烙铁电源插头两端的电阻是否为正常值。正常时20瓦烙铁的电阻约2000欧，45瓦的为1000欧，75瓦的为600欧，100瓦的约500欧。电源插头与电烙铁外壳、烙铁头之间的电阻应接近无穷大，否则说明这把电烙铁漏电，不能使用。2、电路的连接在连接电路的时候，要严格按照电路图连接电路，也要注意烙铁与电路板接触的时间，不要烧坏电路板。并在联好电路以后进行测量。即使发现问题与改正。7总结经过两周的模拟电子课程设计使我学到了很多关于模电理论方面和实践方面的知识，受益匪浅。不仅锻炼了自己的动手能力，也从一定程度上巩固了仿真软件的应用，亦加深了对模拟电路方面知识的理解。

在这次课设中，第一道题就是要学Multisim这个软件。为了能熟练的使用Multisim软件，以符合设计的需要，我对这个软件的基础操作学习长达两天，这些也是对通信专业方向的基本知识的掌握。对于简易温度控制器这个课题，我们最先要做的是绘制一份合理的水温控制设计的电路原理图。在这过程中我们根据各种元件的用途，型号及实际应用效果，查找了许多有关方面的资料，也观察分析了许多温度控制电路图，学会了如何绘制一张实际的温度控制电路原理图。期间我发现了很多问题，经过反复思考与分析，发现原来许多理论知识都与实践有较大的区别，我耐心的一一进行分析，并请教老师，同学，最后我们确定了合理的原理图，进行了分析和元件参数的一定程度的修改。在仿真过程中，首先我们的第一步是绘制原理图，接着设置元件的参数，最后就是要应用仿真功能观察仿真结果。在此期间，我又根据仿真结果与实际结果的对比，对电路元件参数进行了相应的修改，最后得到了比较理想，比较接近实际的仿真结果。仿真软件的确是非常实用的软件，元件的连接使用自动化的画线工具，对所绘