游泳池恒温控制系统的设计.doc

目 录1 绪论 11.1设计目的和意义11.2设计的主要任务12 单元电路的设计计算、元器件选择及电路图 2 2.1 温度转换单元 2 2.2 恒压设计单元 32.3 信号处理单元 32.4 温度控制单元 43 整体电路图及工作原理 53.1 整体电路图 53.2 整体电路的工作原理 64 仿真结果分析 74.1加热仿真分析 74.2 报警仿真分析 85 总结与展望 95.1 成果的评价 9 5.2 本设计的特点 9 5.3 设计缺陷及展望 9参考文献10附录111 绪论1.1设计目的和意义水是生命的源泉，人类生活永远也离不开水。而水的比较大的比热容以及它的流动性使它成为我们日常生活中和工业生产中那个得力的助手。许多系统中需要通过控制水的温度从而达到控制或者测量其它部分温度的目的。对水的温度的测量和控制已经成为系统中很重要的部分，并且也已经在我们的日常生活和工业生产中占据了很重要的地位。它在机器制造，机械运行，工业生产等许多大型方面都广泛的应用。而现今很多的水温控制系统大多数都有很多的缺点，最主要的就是价格昂贵，反应速度慢或者是精度不高等。这些缺点使得水温控制部分成为整个系统中的一个污点。本设计通过本人自身的所学知识，以及所考虑到的问题，尽量设计比较完美的水温控制系统，希望通过设计这样一个简单而价格便宜的水温控制系统达到游泳池的恒温控制。1.2 设计的主要任务本次设计利用电热丝给水加热，使用温度传感器测量水温值，测量范围26-28摄氏度（对应输出电压05V），温度传感器（在实际仿真电路图中由直流信号源代替）收集当前水体的温度，然后经过各部分电路处理，与所要控制的电路进行比较。利用电位器等方式设定加热温度，温度设定值连续可调。电路根据比较的结果决定是否对水体进行加热，如果需要加热会自动开启加热部分。当温度超过所控制的温度后，控制部分要断开加热电路，当水温超过设定值时，停止加热并发声、光报警信号。 单元电路的设计计算、元器件选择及电路图 .1 温度转换单元图2.1.1 温度转换单元电路图电位器控制电压在0-0.5V之间（利用温度传感器将温度变化信号转化为电压变化信号，大约温度变化1摄氏度电压变化5mV）,再利用反馈网络将电压信号放大十倍，使温度在0-100摄氏度之间变化时，相应输出电压在0-5V之间变化。本段设计对放大器的要求只是有较好的虚短和虚断特性，因此通用型的运算放大器便可满足要求，我选用LM324D。反馈网络中选用R8=10k，R9=90k，使输入电压放大10倍。2. 2 恒压设计单元Vee图2.2.1 恒压设计单元利用直流信号源和电位器组合设计出恒定输出电压4V，此时对应温度为28摄氏度。调节电位器66%处，理论电压输出值为4V。2.3 信号处理单元图2.3.1 信号处理单元电路图图中18处输入恒定电压4V，6处输入电压范围为0-5V（对应温度变化为26-28摄氏度）。通过电压比较器，当6处输入电压为0-4V时，比较器输出接近电源的正电压15V，当6处输入的电压为4-5V时，比较器输出接近电源负电压-15V。本设计电压比较器选择性能较好的OPAMP-5T-VIRTUAL。2.4 温度控制单元图2.4.1 温度控制单元电路图在信号处理单元中，电压比较器会输出两种电压信号，当水温对应输出电压为0-4V（水温在26-27摄氏度之间）时，比较器输出+15V电压，当水温对应输出电压为4-5V（水温在27-28摄氏度之间）时，比较器输出-15V电压。当图中19处的电压为+15V时，继电器J1会有相应电流通过，会使加热电路开关闭合，电热丝对水进行加热，此时加热指示绿灯LED1亮。当19处的电压为-15V时，电流无法从LED1通过，开关断开，加热系统停止，报警支路导通，红灯LED2亮并且蜂鸣器发出报警声。报警支路上选择的R12是为了保护电压比较器，防止报警支路接通时电压比较器因输出电流过大而被烧坏。R6起分流、保护比较器作用。R4是用来减小三极管基极电流，保护三极管。3 整体电路图及工作原理3.1 整体电路图图3.1.1 水温控制系统整体电路图3.2 整体电路的工作原理恒压设计单元温度转换单元信号处理单元温度控制单元整体电路图如图3.1.1，按照设计图，可以分为四个部分。温度转换单元是将26-28摄氏度的水温变化通过传感器（用直流信号源代替）转换成0-5V的电压信号变化。恒压设计单元是通过直流源、电位器输出恒定电压4V（对应控制水温为27摄氏度）。信号处理单元是用电压比较器比较恒温设计单元和温度转换单元的电压信号大小，从而控制是否进行加热。温度控制单元是通过分析电压比较器输出的电压信号正负，从而选择导通的支路，当水温低于26-28摄氏度之间时，加热支路会导通，加热指示绿灯会亮，进行加热。当水温为26-28摄氏度之间时，报警支路会导通，报警红灯会亮，并且蜂鸣器会发出报警的声音，而且停止加热。4 仿真结果分析4.1 加热仿真分析图4.1.1 加热仿真分析图在恒压设计单元，理论上恒定电压为4V，仿真结果为4.078V。在温度转换单元，当温度大约为26摄氏度时，传感器输出电压为0.27V，经过反馈网络放大后理论值应该为2.7V，仿真结果为2.635V。在信号处理单元，因为恒压设计单元的输出电压大于温度转换单元的输出电压，故理论上电压比较器会输出+15V电压，仿真结果为14.922V。此时温度没有达到控制温度26-28摄氏度，故理论上应该加热绿灯亮，继电器开关闭合，进行加热，如仿真图所示，符合要求。4.报警仿真分析图4.2.1 报警仿真分析图在恒压设计单元，理论上恒定电压为4V，仿真结果为4.08V。在温度转换单元，当温度刚超过控制温度26-28摄氏度时，理论上经过反馈网络后输出电压为4.15V，仿真结果为4.084V。在信号处理单元，因为恒压设计单元的输出电压小于温度转换单元的输出电压，故理论上电压比较器会输出-15V电压，仿真结果为-14.951V。此时温度超过控制温度28摄氏度，故理论上应该继电器开关断开，停止加热，报警红灯亮，蜂鸣器发出报警声（在用multisim11.0仿真时蜂鸣器会发出报警声），如仿真图所示，符合设计要求。5 总结与展望5.1 成果的评价在本次电路的设计和制作中，使我无形中加深了对计算机控制技术的理解和运用能力，对课本及以前学过的知识有了一个更好的总结。通过此次课程设计，我对设计所用到的集成块有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。尽管将电路图完整的仿真出来花了我大约8个小时，但在此过程中我学到了很多很多，诸如每个设计单元的作用，意义及很多元器件的作用等等。总之，此次恒温控制系统的设计过程，使我获益匪浅。在这次的恒温控制系统设计中，所测试的结果基本达到设计要求。5.2 本设计的特点本设计在仿真时用直流信号源代替了温度传感器，降低了难度，当温度变化1摄氏度时，相应电压变化5mV，相对来说精确度很小，在测量上会更加准确。电压比较器用了性能较好的OPAMP-5T-VIRTUAL，保证了比较器输出电压接近其相应电源电压，5.3 设计缺陷及展望在恒压设计单元和温度转换单元用电位器取压输出时，取压支路肯定会分流，故将取压支路上的电阻尽可能选择大一点，但是仍旧无可避免会有一些系统误差。在电热丝阻值的选择上，应该选择一个更小的电阻进行加热，这样热功率会高一些，我选择的阻值大了点，会造成加热耗时长。现今很多的恒温控制系统大多数都有很多的缺点，最主要的就是价格昂贵，反应速度慢或者是精度不高等。这些缺点使得恒温控制部分成为整个系统中的一个污点。我相信通过研究和实验，更多实用性能好、实惠的恒温控制系统会相继开发出来，更加便于人们的日常生活。参考文献1赵家贵. 传感器电路设计手册。 北京：中国计量出版社。20022何希才实用传感器接口电路实例。北京：中国电力出版社，20073陈有卿，实用555时基电路300例。北京：中国电力出版社。2005. 附录 元件清单名称序号型号数量电阻R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R145K20K1K10K5001K100K10K90K10K9K1K1K10K