课程设计（论文）-安全指示灯控制电路设计.doc

安全指示灯控制电路设计学 院： 材料与光电物理学院 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 目 录摘要.21 引言.32 原理分析.62.1 自动控制技术分析.62.1.1 开环控制系统.62.1.2 闭环控制系统.72.1.3 自动控制系统.92.2 基于自动控制系统的安全指示灯控制电路.102.2.1 基于开环的情况.102.2.2 基于闭环的情况.102.2.3 安全指示灯控制电路特点.113 电路设计.123.1 设计技术支持.123.2 具体设计.123.2.1 材料选择.123.2.2 具体电路图.123.2.3 原理图分析.134 电路仿真.164.1 参数的设置.164.2 仿真.184.2.1 仿真电路图.184.2.2 网单文件.194.2.3 波形文件.204.3 仿真结果分析.215 结论与展望.22参考文献与致谢.23附录124附录225安全指示灯控制电路设计摘要：控制电路在模拟电路中有着广泛的应用，安全指示灯控制电路是控制电路中的一种。本文给出了安全指示灯控制电路的工作原理、电路结构和参数的分析过程，并用软件PSPICE 9.2.3对其整个电路进行了分析仿真时域分析。根据仿真结果，分析了其性能，并对输出波形做了分析。关键词：电路仿真；Pspice；时域分析；安全指示灯Design and Simulation of Security indicator lightSecurity-indicator-light circuit is one type of the controlled circuit system which is widely used in analog ciurcuits.Abstract：Controlled circuit is widely used in simulation circuit, Security indicator light circuit is one type of the Controlled circuit system. The principle, the structure and the parameter analysis process of the Security indicator light circuit was presented in this article, and the simulation of this circuit was carried out by PSPICE 9.2.3 for transient analysis. According to From the results of the simulation, the performance and output of the circuit wave were analyzed. Keywords: Circuit Simulation; Pspice ; Transient analysis; Security indicator light.1 引言 安全指示灯控制电路是自动控制原理电路当中的一种应用。我选用这个题目是基于我对自动控制原理相关电路的兴趣，安全指示灯控制电路在使用的过程当中能够起到保护的作用，被保护的可能是与人们生活密切相关的各种物资资源，是很有现实意义的。同时，它作为自动控制原理电路的一种应用，去研究自动控制技术也是必须的。自动控制技术的研究有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。自动控制是工程科学的一个分支。它涉及利用反馈原理的对动态系统的自动影响，以使得输出值接近我们想要的值。从方法的角度看，它以数学的系统理论为基础。我们今天称作自动控制的是二十世纪中叶产生的控制论的一个分支。基础的结论是由诺伯特维纳，鲁道夫卡尔曼提出的。150多年前第一代过程控制体系是基于513psi的气动信号标准（气动控制系统PCS，Pneumatic Control System）。简单的就地操作模式，控制理论初步形成，尚未有控制室的概念。第二代过程控制体系（模拟式或ACS,Analog Control System）是基于010mA或420mA的电流模拟信号，这一明显的进步，在整整25年内牢牢地统治了整个自动控制领域。它表征了电气自动控制时代的到来。控制理论有了重大发展，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础；控制室的设立，控制功能分离的模式一直沿用至今。第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量，模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代过程控制体系（CCS，Computer Control System）。这个被称为第三代过程控制体系是自动控制领域的一次革命，它充分发挥了计算机的特长，于是人们普遍认为计算机能做好一切事情，自然而然地产生了被称为“集中控制”的中央控制计算机系统，需要指出的是系统的信号传输系统依然是大部分沿用420mA的模拟信号，但是时隔不久人们发现，随着控制的集中和可靠性方面的问题，失控的危险也集中了，稍有不慎就会使整个系统瘫痪。所以它很快被发展成分布式控制系统（DCS）。第四代过程控制体系（DCS，Distributed Control System分布式控制系统）：随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代过程控制体系（DCS，或分布式数字控制系统），它主要特点是整个控制系统不再是仅仅具有一台计算机，而是由几台计算机和一些智能仪表和智能部件构成一个了控制系统。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一个重要的发展是它们之间的信号传递也不仅仅依赖于420mA的模拟信号，而逐渐地以数字信号来取代模拟信号。第五代过程控制体系（FCS，Fieldbus Control System现场总线控制系统）：FCS是从DCS发展而来，就象DCS从CCS发展过来一样，有了质的飞跃。“分散控制”发展到“现场控制”；数据的传输采用“总线”方式。但是FCS与DCS的真正的区别在于FCS有更广阔的发展空间。由于传统的DCS的技术水平虽然在不断提高，但通信网络最低端只达到现场控制站一级，现场控制站与现场检测仪表、执行器之间的联系仍采用一对一传输的4-20mA模拟信号，成本高，效率低，维护困难，无法发挥现场仪表智能化的潜力，实现对现场设备工作状态的全面监控和深层次管理。所谓现场总线就是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路。简单地说传统的控制是一条回路，而FCS技术是各个模块如控制器、执行器、检测器等挂在一条总线上来实现通信，当然传输的也就是数字信号。主要的总线有Profibus，LonWorks等。自动控制技术的发展历程：40年代-60年代初： 需求动力：市场竞争，资源利用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。主要特点：此阶段主要为单机自动化阶段，主要特点是:各种单机自动化加工设备出现,并不断扩大应用和向纵深方向发展。典型成果和产品：硬件数控系统的数控机床。60年代中-70年代初期： 需求动力：市场竞争加剧，要求产品更新快,产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。主要特点：此阶段主要以自动生产线为标志,其主要特点是:在单机自动化的基础上，各种组合机床、组合生产线出现,同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。 典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。70年代中期-至今：需求动力：市场环境的变化,使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重,要求自动化技术向其广度和深度发展,使其各相关技术高度综合,发挥整体最佳效能。主要特点：自70年代初期美国学者首次提出CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其主要特点是:CIM已作为一种哲理、一种方法逐步为人们所接受；CIM也是一种实现集成的相应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一个优化的整体。所谓哲理,就是企业应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不断提高实力、竞争力的思想策略；而作为实现集成的相应技术，一般认为是:数据获取、分配、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、标准等。同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步促进单元自动化技术的集成。典型成果和产品：CIMS工厂,柔性制造系统(FMS)。2 原理分析2.1 自动控制技术分析12.1.1 开环控制系统图1 开环控制系统原理图如图1所示就是开环控制系统的原理图，从图中可以看出以下几个特征： 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 输出量对控制量没有影响。 输入输出间没有反馈回路。 如图2所示是直流电动机转速开环控制系统，图3所示是直流电动机转速开环控制系统方块图。图2 直流电动机转速开环控制系统图3 直流电动机转速开环控制系统方块图开环控制系统特点：1. 结构简单、造价低。2. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性。3. 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。应用场合：1. 控制量的变化规律可以预知。2. 可能出现的干扰可以抑制。3. 被控量很难测量。2.1.2 闭环控制系统开环系统精度不高，实用性不强。如图4 中的红线所示，将开环控制系统原理图中的输出量引入到输入端，使输出端对控制作用产生影响，形成闭环控制系统。图4 闭环控制系统原理图从图4中可以看出以下几个特征： 控制器与被控对象之间只有正向的控制作用。 输出量对控制量有影响。 输入输出间有反馈回路。现将图2直流电动机转速开环控制系统与图3直流电动机转速开环控制系统方块图进行一定的改进，从输出量中提取一定的反馈量引入到输入端，使得输出端对控制作用产生了影响，形成闭环控制系统。引入的反馈量已经用图5图6中的红色部分代替。图5 直流电动机转速闭环控制系统 下式为图6的闭环控制系统的反馈流程：图6 直流电动机转速闭环控制系统方块图闭环控制系统特点：1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些惯性较大的系统，参数配合不当，控制性能可能变得很差甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。2.1.3 自动控制系统自动控制系统是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差。其典型原理图如下图7所示。图7 典型自动控制系统方块图自动控制系统的特征：1.结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。2.由偏差产生控制作用。3.控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近于期望值。自动控制系统相关名词的解释：测量反馈元件用以测量被控量并将其转换成与输入量同一物理量后，再反馈到输入端以作比较。比较元件用来比较输人信号与反馈信号。放大元件将微弱的信号作线性放大。校正元件按某种函数规律变换控制信号，并产生反映两者差值的偏差信号。以利于改善系统的动态品质或静态性能。执行元件根据偏差信号的性质执行相应的控制作用，以便使被控量按期望值变化。控制对象又称被控对象或受控对象，通常是指生产过程中需要进行控制的工作机械或生产过程。出现于被控对象中需要控制的物理量称为被控量。2.2 基于自动控制系统的安全指示灯控制电路22.2.1 基于开环的情况如图8所示，没有安全指示灯的控制电路就是自动控制技术当中的开环控制系统。开环控制系统的特征：控制器与被控对象之间只有正向的控制作用、输出量对控制量没有影响，输入输出间没有反馈回路决定了控制电路出现故障的情况下难以预知，无法起到安全警示的效果。 图8 没有安全指示灯控制电路的情况 2.2.2 基于闭环的情况如图9所示，有安全指示灯的控制电路就是自动控制技术当中的闭环控制系统。闭环控制系统特征：控制器与被控对象之间只有正向的控制作用、输出量对控制量有影响、输入输出间有反馈回路，这样的结构可以将故障信号当做输出量反馈给初始量，然后从改变的初始量来对控制电路进行调整，可以很好的起到安全警示的效果。这就是安全指示灯控制电路能够安全指示的原理。 图9 有安全指示灯控制电路的情况2.2.3 安全指示灯控制电路特点由基于闭环的情况可知，故障信号就是反馈量，安全指示灯控制电路就是自动控制系统中的测量反馈元件，用以测量反馈量。相较于开环的情况下，反馈的环节是安全指示灯控制电路最主要的特点，基于反馈量，控制系统能够有效的对故障作出调整，没有反馈的环节，安全指示灯控制电路无法运作。3 电路设计3.1 设计技术支持3本文中利用的是 PSpice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）进行仿真。Pspice是美国MicroSim公司于20世纪80年代开发的电路模拟软件。它以图形方式输入，自动进行电路检测，生成网表文件，具有模拟和计算电路的功能。它不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。由于安全指示灯控制电路只需要做简单的时域分析，从时域分析中得出不同状态时的电流时间图以及对电流时间图的验证，看它是否符合设计中所提出的要求即可。3.2 具体设计 3.2.1 材料选择本电路的设计是基于最简单的一种安全指示灯控制电路，外加交流电源选用常用的220V 50Hz的交流电，直流脉冲电源选用高电平5V低电平0V脉宽为50ms周期为200ms的正脉冲，可控硅元件4选用2个2N3873，2个200的灯泡可以用2个200的电阻代替，剩下的都是电阻，后面的图示有标注。3.2.2 具体电路图5 图10就是安全指示灯的设计电路图，可控硅元件的控制端电压在高于阈值电压时，二极管导通，低于阈值电压时二级管截止。R1与R2在回路V1中起到分压作用，其中R2在V1为高电平(5V)时分压4.54V，此时可控硅导通。R3与R4在与V2形成的回路中也是起到分压作用，在后面将作分析。RL1与RL2为小电阻，在与R3，R4，R1，R2电阻相比较，可以近似为导线，对电路的影响不大。图10 安全指示灯设计电路 3.2.3 原理图分析图11显示的是V1为高电平时的情况，如图所示，当V1为高电平(5V)时，设R2的分压为VR2，其电压约为4.54V，可控硅XSCR1导通，由于二极管的导通压降只有0.7V，则图示中的A点分压0.7V，相当于接地，从A点到地回路的电阻R3与R4分压极小，设R4分压为VR4，其电压约为0.23V，不足以使可控硅XSCR2导通，可控硅XSCR2截止，此时电路的主要回路如图中的红色部分所示，RL1导通了，RL2因为可控硅XSCR2截止的情况下相当于断路。图11 V1为高电平的情况如图12所示，当V1为低电平时，R2无分压，可控硅CSCR1截止，此时，图中的回路由图示中的红色部分与蓝色部分显示，蓝色部分回路中，由于电阻R3与R4很大，回路中的电流是很小的，设为I1，为21mA，不足以使RL1发光，B点分压很大，设为Vb，为107V，此时，可控硅XSCR2导通，红色部分中RL2相当于接地，此时RL2发光。图12 V1为低电平的情况4 电路仿真4.1 参数的设置 在这次仿真过程中，我将仿真的电路命名为SCHEMATIC1-1，存储的路径为E:konG1-schematic1-1.sim，如下图13所示，仿真运行时间为400ms。图13 仿真时长考虑到安全指示灯控制电路使用在不同的温度情况下，仿真过程当中加入了对不同温度情况下的仿真，分别在-27C、0C、27C、50C的情况下进行，如图14、图15的设置。图14 可用温度图15 温度的设置4.2 仿真64.2.1 仿真电路图如图16所示，显示的是V1工作在低电平状态时的情况，从图中可以明显的看出RL1，R3，R4回路的分压情况，正如前面计算的情况一样，RL1的电流将会很小，无法使它发光0V2的电源之所以为0V是因为在0时刻时，VOFF=0V，既初始值为0。图16 仿真电路图4.2.2 网单文件如下图17所示，Outputs文件下的1-即为网单文件，从网单文件可以看出电路的连接情况，现列举如下：图17 网单的文件夹* source 1X_XSCR1 N00712 N00498 0 2N3873R_R1 N01155 N00498 1k R_R2 0 N00498 10k R_RL2 N01110 N01083 200 R_R3 N00712 N00866 10k R_R4 0 N00866 5.1k R_RL1 N00712 N01083 200 V_V1 N01155 0 +PULSE 0 5v 50ms 0 0 50ms 200msX_XSCR2 N01110 N00866 0 2N3873V_V2 N01083 0 +SIN 0 311v 50hz 0 0 04.2.3 波形文件先进行V1与V2的比较分析，如图18所示，V1与V2的波形是在400ms的范围内，其中V1的脉冲周期为200ms，峰值电压5V；V2的周期为20ms，峰值电压为311V。图18 电源V1与V2的电压时间波形图在图18波形的基础上再对400ms范围内的RL1，RL2的电流时间图（图19）进行分析，从图中可以看出，RL1的电流波形与RL2的电流波形互补，当V1的脉冲为低电平时，RL2点亮了而RL1熄灭了；当V1的脉冲为高电平时，RL1点亮了但RL2熄灭了，与图11图12的分析刚好吻合。图19 RL1与RL2的电流时间波形图再来分析一下R3的电流图波形的形成原因，如图20所示，当V1为低电平时，XSCR1截止，R3与RL1，R4，V2形成回路，中间没有任何二极管，所以波形就是正弦波；但当V1为高电平时，XSCR1导通，此时，R3与CSCR1，R4形成回路，由于CSR1具有二极管的单向导电性，所以负电流就被滤过了。图20 R3的电流时间波形图4.3 仿真结果分析图18、图19、图20的波形图之所以这么的理想源自于PSPICE软件本身参数的理想性，而在现实中，电路中总是存在着各式各样的误差，由于这些误差的存在，可能会使得波形达不到我们所需要的状态。对环境的精度要求越高，则仿真结果的可实用性就会越低；对环境的精度要求越低，则仿真结果的可实用性就会越高。所以，在对于一个电路进行设计时要充分的考虑对电路精度的一种把握，在可实用性上与高精度上进行折中，来设计出符合我们最理想的电路。7上述安全指示灯控制电路对环境精度要求很低，对于电路仿真的可实用性是很高的，当然，它也就不能很好满足对精确度要求很高的实际的电路了。5 结论与展望在这次课程设计当中，我查找了很多资料来学习自动控制原理与安全指示灯控制电路，发现安全指示灯控制电路就是自动控制原理中的闭环系统。以前从没有用过PSPICE软件，做课程设计时翻阅了PSPICE相关书籍，在网络上寻求别人帮助，吃惊的感受到PSPICE软件的巨大用处，由于它可以方便的分析电路的静态工作点和各式各样的波形图，对于学习电路知识是必不可少的。在学习电路时用PSPICE软件来进行模拟仿真不需要任何的器材，且结论基本上都是理想的，结合各种各样的图表来学习实在是一种享受，最重要的就是能够让我更好的理解我所学的东西，达到事半功倍的效果，这其中就要感谢老师给我这样一次难得的锻炼机会。在使用仿真软件的过程中，安全指示灯控制电路只需要最基本的工作点分析，时域分析与温度分析即可，像噪声分析，灵敏度分析，傅里叶分析没有更多的实际意义，就舍去了这些分析的过程，还请老师见谅。参 考 文 献1 彭康拥,陈来好. 自动控制原理(第二版)M. 广州：华南理工大学出版社，2005.2 郎永强. 电工安全知识要诀M. 北京：机械工业出版社，2007.3 高文焕,汪蕙. 模拟电路的计算机分析与设计Pspice程序应用M. 北京：清华大学出版社，2006.4 /view/685100.htm?fr=ala0_1 可控硅元件原理5 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础(第三版)M. 北京：高等教育出版社，2001.6 陈东. OrCAD电路设计M. 北京：国防工业出版社，2004.7 王俊峰. 实用电路手册M. 北京：机械工业出版社，2010.致 谢首先感谢我的指导老师唐明华教授给我这样的锻炼机会，并耐心的给我指导错误。同时，我要感谢班上的同学们，在做报告的过程中是他们跟我探讨了不少问题，在我遇到困难的时候是他们给予了我耐心的帮助。最后，我要感谢永远在我背后默默支持我的父母。附录 1安全指示灯控制电路仿真电路图中V1与V2中参数的含义电压源V1V1 低电平V2 高电平TD 第一个脉冲相对于0时刻的延迟时间TR 脉冲上升时间，如果为方波则为0sTF 脉冲下降时间，如果为方波则为0sPW 脉冲宽度，为上升到V2后到下降前的宽度PER 脉冲周期电压源V2FREQ 频率VAMPL 峰值电压VOFF 起始电压附录 2安全指示灯控制电路的仿真输出文件* Creating circuit file 1-schematic1-1.sim.cir * WARNING: THIS AUTOMATICALLY GENERATED FILE MAY BE OVERWRITTEN BY SUBSEQUENT SIMULATIONS*Libraries: * Local Libraries :* From PSPICE NETLIST section of e:OrcadPSpicePSpice.ini file:.lib nom.lib *Analysis directives: .TRAN 0 400ms 0 .TEMP -27 0 27 50.PROBE V(*) I(*) W(*) D(*) NOISE(*)