水温监测控制报警电路.doc

华北科技学院电子信息工程学院课程设计 目录 摘要1一 设计任务和要求11.1 设计目的11.2 设计任务11.3 设计要求2二 设计的方案的选择与论证22.1 设计原理22.2 方案设计32.2.1 可行方案32.2.2 方案的讨论与选择52.3 选定方案的论证52.3.1 选定温度传感器的论证52.3.2 选定运算放大器的论证62.3.3 选定继电器的论证6三 电路设计计算及分析73.1 温度检测元件电路73.1.1 电路结构及工作原理73.1.2 元器件的选择和计算83.2 比较显示电路103.2.1 电路图及工作原理103.2.2 元器件的选择和计算113.3 温度控制电路123.3.1 电路结构及工作原理123.3.2 元器件的选择和计算133.4 电源单元电路143.4.1 电路结构及工作原理143.4.2 元器件的选择和计算153.5 整体电路图163.6 PCB平面图16四 电子电路的焊接174.1 焊接的基本条件174.2 焊接的步骤184.3 焊接的要点19五 总结及心得19附录20参考文献22华北科技学院电子信息工程学院课程设计摘要 水温监测控制报警电路是采用热敏电阻作为温度传感器,由温度的变化而引起电压的变化，再利用比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较，输出高或低电平从而对控制对象即加热器和报警电路进行控制。其电路可分为三大部分：测温电路，比较/显示电路，控制电路。 关键词：测温 显示 窗口比较器一 设计任务和要求1.1 设计目的（1）掌握温度控制电路工作原理。学校温度信号采集方法。（2）熟悉集成运放的使用方法和模拟信号的一般处理方法。熟悉比较器的使用方法。（3）熟悉继电器和发光二极管的使用。（4）熟悉Protel软件的使用。1.2 设计任务设计一个水温监测控制报警电路，以铂电阻Pt100作为温度传感器监测容器内水的温度，用检测到的温度信号控制加热器的开关，将水温控制在一定的范围之内，具体要求如下：（1）当水温小于50。C时，H1、H2 两个加热器打开，将容器内的水加热。（2）当水温大于50。C时，但小于60。C时，H1加热器打开，H2加热器关闭。（3）当水温大于60。C时，H1、H2 两个加热器同时关闭。（4）当水温小于40。C时，或水温大于70。C时，用红色发光二极管发出报警信号。（5）当水温在40。C70。C之间时，用绿色发光二极管指示水温正常。1.3 设计要求（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图（运用PROTEL电路设计软件）；（2 选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）； (3) 进行PCB（印制电路板）设计（用PROTEL等电路设计软件）；（4） 按照规范要求，按时提交课程设计报告（打印或手写），并完成相应答辩。二 设计的方案的选择与论证2.1 设计原理 通过测温部分对水温进行测量，将所测量的温度值与给定值在比较部分进行比较，将比较后的输出信号传递至加热部分，使加热电路调控水温，实现对水温的控制。另外通过另一个电路将输出信号传递到报警部分，对应的红、绿发光二极管工作。最后运用交直流变换电路实现对其供电。原理方框图如下 比较部分 加热部分 水温 测温部分 给定值 显示部分 图2.1.1 总原理图2.2 方案设计2.2.1 可行方案 方案一：想要让电路正常稳定的工作，必须要有一个关于温度的准确信号值，为了使信号输出误差很小，可以选用桥式测压电路，这样可以得出较为准确的与温度相对应的电压值，关于比较部分可以选用比较器LM339构成窗口比较器，再利用滑动变阻器来调节上下限电压，将输出电压值与设定的电压值进行比较来控制三极管，以达到使绿色和红色二极管根据不同温度亮灭的目的。同时也将第一部分输出的电压值在比较部分进行比较来控制继电器以达到控制外电路的目的。通过对电路设计要求的全面考虑，使用LM324比较容易实现第一部分的功能，同时为了方便电路的调试，热敏电阻可以使用铂电阻Pt100。加热器可选用加热电阻丝。 方案二：555时基电路 图2.2.1 555时基电路图IC1555集成电路接成自激多谐振荡器，Rt为热敏电阻，当水温温度发生变化时，由电阻器R1、热敏电阻器Rt、电容器C1组成的振荡频率发生变化，频率的变化通过集成电路IC1555的3脚送入频率解码器集成电路IC2 LM567的3脚，当输入的频率正好落在IC2集成电路的中心频率时，8脚输出一个低电平，使得继电器K导通，触电吸合，从而控制设备的通断，形成温度控制电路的作用。方案三：单片机对于单片机而言，由于现阶段专业知识有限，单片机还不能完全掌握，并且其成本较组合电路更高。方案四：组合电路对组合电路而言，一个组合只能完成一个温度控制点的控制，成本较高并且非常不实用。2.2.2 方案的讨论与选择 方案一符合现在所学内容，运用集成器等原件易获得。而方案二较方案一更复杂，原理更难理解，实现起来更不容易。方案三运用单片机知识，难度更大，并且现阶段还没有涉及到相关知识。方案四虽然技术上易于实现，但实用性不强，且成本较高。综上考虑选择方案一。2.3 选定方案的论证2.3.1 选定温度传感器的论证根据设计要求，设计出的仪器主要用在对室内水温的控制上，水温范围应该在0-100之间，温度传感器应该可以测这之间的任一温度，并且具有很好的稳定性。再结合性能以及价格方面的原因，选择了集成温度传感器铂电阻Pt100。铂电阻Pt100的阻值与温度之间的关系为R=R0(1+At+Btt)，当PT100在0的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升而匀速增涨的，它的线性度也可以在高温的时候保持得非常好。因此铂电阻Pt100完全符合设计要求。2.3.2 选定运算放大器的论证本设计对放大器的要求只是有较好的虚短和虚断特性，稳定性较好，因此通用型的运算放大器便可满足要求。因此选用LM324可以实现相应功能。LM324系列是低成本，四通道运算放大器是真正的差分输入。他们有几个明显的优势。该四通道放大器可以工作在电源电压低至3.0 V或高达32 V的电源之下，静态电流为MC1741的五分之一，共模输入范围包括负电源，从而消除了在许多应用中的外部偏置元件的必要性。该输出电压范围也包括负电源电压。 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0-（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。2.3.3 选定继电器的论证 继电器是低压控制高压的部分，它的开启电压以及稳定性相当重要。因为选用的电源电压是5V的，所以继电器的开启电压应当适当低于5V当接近它，因此选用开启电压为4V的比较适合。另外，由于加热部分的电流比较大，所以继电器的承受电流要大，一般1000W的加热装置电流为4.5A，选择4.5A2=9A以上的比较适合。此电路选择的是JZC22F83，为电磁继电器。三 电路设计计算及分析3.1 温度检测元件电路3.1.1 电路结构及工作原理 工作原理：如下图温度检测元件电路，测温电路选用桥式温度检测电路检测元件选用铂电阻Pt100，铂电阻Pt100会随着温度的改变而发生变化。当外界温度发生变化时，引起集成运算器A2输入端电压增大，而A1的端电压不会发生改变。A1、A2为电压跟随器，即同相输入端的电压和输出端的电压相等。输出值作为与后面电路的比较值。A3为加减运算电路，可通过调整电路中的相应参数实现对输出电压放大倍数的控制的控制，调整好电路中的参数之后，将受温度变化引起的变化的电压信号传递、放大，并将其作为与后面的报警和控温电路的比较较值。实现对温度监测的功能。 图3.1.1 温度检测单元电路图3.1.2 元器件的选择和计算为了获得比较高的测量精度，电阻可以选用1%的五环金属膜电阻，尽可能实现匹配，提高电路的共模抑制比。由于铂电阻Pt100的性质为0时电阻为100，100时电阻为130左右，得A2端的电压要大于A1端电压，但不能相差太大，考虑到现实条件水温不会低于零度，因此电路中R3选择100。Pt100的阻值与温度之间的关系为R=R0(1+At+Btt) 式中，t为摄氏温度；R0为t=0时的阻值；A、B为常数。由于此电路控制精度并不是很高，因此可以将二次项忽略，这样，铂电阻与温度之间的关系变为R=100+0.386/。为使运放在静态时两输入端平衡，令R5=R6,R7=R8。则有U2=5(100+0.386/t)（2100+0.386/t）VU1=5(100/2100)VU3=（U2-U1）R8/R5 =k(U2-U1) (其中K=R8/R5) =5K(100O+0.386/t)/(2100+0.386/ t )-100/2100V =5K0.386/t /(2100+0.386/t) =5K0.386t/2100 令t=100时,U3=5V,则K=54.4,故有R8/R5=54.4,取R5=5k，则有R2=272k，故有R5=R6=5k，取R7=R8=270k。A1同相输入端的电压值为5（100/2100）=0.24V。A2同相输入端的电压值为5（100+0.386t）/（2100+0.386t）V。由上式U3=（U2-U1）R8/R5，（R8/R5=54.4）得，输出电压U3=272（100+0.386t）/（2100+0.386t）-13.1V。因此可以通过温度的改变实现电压的改变，即将温度信号转化为电压信号。方便与后面的电路的比较。 A1、A2要选择输入电阻较大的运算放大器，如TL082。A3要选择精度较高的，输入电阻较大，共模抑制比较高的运算放大器，。本电路采用的LM324也具有相同的功能。3.2 比较显示电路3.2.1 电路图及工作原理工作原理：该部分主要运用了窗口比较器。通过调整滑动变阻器R9、R10的阻值使之分别对应40、70时的电压。当U3U5时，则一定大于U4，所以A5输出正向电压，A4输出反向电压，使得二极管D2导通，D1截止。当U4U3U5时，二极管D1和D2都截止。因此选用窗口比较器较好的符合了在40T70亮绿灯，在T70时亮红灯的要求。当输出端为高电平，即T70时，流经报警电路后三极管T1工作在放大区，而T2管截止，LED红灯导通，绿灯熄灭。当输出端为低电平，即40T70时，T1管工作在截止区，T2管工作在放大区而导通，LED绿灯发光，红灯熄灭。 图3.2.1 比较显示电路3.2.2 元器件的选择和计算滑动变阻器的电阻调控可根据温度检测电路中测得数据得到。滑动变阻器选用10k，采用5V的直流电源供电。根据公式U3=272（100+0.386t）/（2100+0.386t）-13.1可以计算出40和70时的电压分别为1.74V和3.14V。通过调整滑动变阻器来调整输入端的电压分别为1.74V和3.14V。R11、R12为输出高电平时的上拉电阻，可增大输出电流，以确保后面的电路正常工作，选用3.3k。集成器选用LM339J。该集成器差动输入电压范围较大，最大可以等于电源电压值，对比较信号源的内阻限制较宽，发光二极管LED的压降一般为1.5V2.0 V，其工作电流一般取10mA20mA为宜。发光二极管的反向击穿电压约5V,它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R的计算公式为：其中E为电源电压，UF为LED管压降，IF为其工作电流。2SC1815的VCE值为0.25V。通过计算，137.5R325,此处R可选取300。三极管T1与T2之间的电阻可以选取稍微大点的电阻，主要起稳压作用，因此选取4.5k。R13的主要作用是稳压。因此选取5k。3.3 温度控制电路3.3.1 电路结构及工作原理工作原理：控制电路由两个运放，晶体三极管，滑动变阻器，继电器，加热器及电阻组成，运放选用LM339J。通过调整滑动变阻器R17、R18的阻值使之分别对应50、60时的电压，该部分与报警显示电路部分相似。A6、A7反相输入端电压由测温电路控制。当U3U6时，即水温小于50时，两个集成运放电路正常工作，输出高电平，经过三极管2SC1815放大之后，继电器常开触点K1、K2闭合，加热器H1和H2都工作；当U6U3U7时，集成运算电路都输出低电平，T2、T3都工作在截止状态，因此两个继电器无电流流过，继电器断开，两个加热器都停止工作。二极管D3、D4主要对电路起保护作用。由于电磁继电器内部的特殊结构，当该电路断电后，继电器中的电流需要一个回路将电流释放，避免对继电器的损坏，因此通过继电器和二极管构成的回路可以实现对电磁继电器的保护，确保电路的正常运行。 图3.3.1 温度控制单元电路3.3.2 元器件的选择和计算该部分元件选择与上一部分的的窗口比较器部分相似，仍然采用5V直流电源给10k的滑动变阻器供电。根据公式U3=272（100+0.386t）/（2100+0.386t）-13.1可以计算出50和50时的电压分别为2.22V和2.68V。通过调整滑动变阻器来调整输入端的电压分别为2.22V和2.68V。运算电路采用LM339J，3.3k的上拉电阻增加电流。二极管D3、D4主要起保护作用。继电器选用JZC22F83，该继电器是电磁继电器，只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。选用此继电器可以较好地满足电路要求。加热电路选用220V交流电供电，加热器选用800W的电阻丝加热。可以实现在不浪费的情况下，最大化的缩短加热时间，达到加热目的，又不会因为电路中的电流较大，而影响继电器的正常工作。3.4 电源单元电路3.4.1 电路结构及工作原理工作原理：该电路可以实现由220V的交流电转化为5V、+12V和-12V的直流电。为后面的电路提供稳定的工作电压。直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波、稳压电路等四部分组成。第一部分为电源变压器，将幅值较高的交流电降低，变压器的副边的有效值决定与后面电路的需要；变压器的副边电压通过整流电路从交流电压转变为直流电压。即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压；为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压光滑；交流电压经过整流、滤波后虽然变为交流量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将素质改变。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性，获得较稳定的直流电压。 图3.4.1 电源单元电路3.4.2 元器件的选择和计算在滤波电路中，电容越大，负载电容越大，滤波后输出电压越平滑，因此滤波电路中的电容可选择大电容，选择4700uF。在稳压电路中的电容的数值可以选择小一点的。整流管选用1N4001整流二极管。3.5 整体电路图 将以上各单元电路通过导线连接起来之后，形成图3.51，该电路可以实现设计要求。第一部分的温度检测电路传递电压信号通过集成运放作用于控制和显示电路。实现对温度的控制。 图3.5.1 总体电路图3.6 PCB平面图 将制作好的电路图进行封装，封装好后形成PCB的格式，下图即为封装好后的PCB格式的平面图。 图3.6.1 PCB平面图四 电子电路的焊接焊接是使金属连接的一种方法。它利用加热手段，在两种金属的接触面，通过焊接材料的原子或分子的相互扩散作用，使两种金属间形成一种永久的牢固结合。利用焊接的方法进行连接而形成的接点叫焊点。4.1 焊接的基本条件（1）焊接的工具 焊接时用的基本工具是电烙铁。一般电子实验所用的烙铁功率在2030 W，它们能够胜任一般小型电子元件的焊按工作，在使用不很频繁的情况下，温度也不会太高。当焊接较粗的导线或焊接面积较大的部件时，可适当选用功率较大的电烙铁。其他辅助工具有镊子、斜口钳、尖口钳等。（2）焊料合格焊料的选择对焊接质量有着非常重要的作用，再高明的厨师也无法用劣质的原料烹饪出美味的佳肴，常用的焊料为低熔点管状松香焊锡丝。（3）焊剂合适焊剂时焊接中最重要的辅料之一，对焊接质量及效率有着重要的影响。不是所有的材料都可以作为焊接的焊剂，只有一部分金属有较好的可焊性，才能用锡焊连接。一般铜以及其合金、金、银、锌等具有较好可焊性，一般采用特殊焊剂及方法才能锡焊。4.2 焊接的步骤（1）准备施焊准备好焊锡丝和烙铁。此时特别强调的施烙铁头部要保持干净，即可以沾上焊锡（俗称吃锡）。（2）加热焊件将烙铁接触焊接点，注意首先要保持烙铁加热焊件各部分，例如印制板上引线和焊盘都使之受热，其次要注意让烙铁头的扁平部分（较大部分）接触热容量较大的焊件，烙铁头的侧面或边缘部分接触热容量较小的焊件，以保持焊件均匀受热。（3） 熔化焊料当焊件加热到能熔化焊料的温度后将焊丝置于焊点，焊料开始熔化并润湿焊点。（4）移开焊锡当熔化一定量的焊锡后将焊锡丝移开。（5）移开烙铁当焊锡完全润湿焊点后移开烙铁，注意移开烙铁的方向应该是大致45的方向。4.3 焊接的要点（1） 掌握好加热的时间（2） 保持合适的温度（3） 避免烙铁头对焊点施力（4） 印刷版焊接完成后，注意检查焊点质量，每个焊点应保持光滑，焊点周围应干净，无毛刺及虚焊点，有漏焊处应及时补焊。五 总结及心得两个星期的设计终于完成了，着实费了些精力，但乐在其中。模电这门课程在学时会觉得比较抽象，通过这次课程设计，使我对模拟电子技术有了更深入的认识。之前书本上的集成器、三极管等器件有了更深入的认识，了解了其具体的型号。还知道了继电器等以前没有接触到的器件。窗口比较器由于其特殊的工作原理在这个课题中起着很重要的作用，对三极管的工作原理要求也挺高。这也从另一个方面加深和检测了我的模电知识。在刚拿到课设题目时，感觉挺有趣的，应该比函数信号发生器、功率放大等课题有趣。但仔细研究了课题要求之后，发现远没有之前想的那么有趣。当时主要纠结在亮红绿灯的电路上，讨论了很长时间一直想不出较好的解决办法。在网络和参考书籍上查了之后才发现采用了窗口比较器，实在是巧妙。当时在学窗口比较器了，没有重点学，又拿出模电书好好地研究了一番。书里到处都是知识，到处都是学问。这次