模电课设-水温控制.docx

华北科技学院课程设计目录一、 设计要求2二、 课程设计的作用、目的.2三、 设计的具体实现.23、1系统概述23、2单元电路设计、仿真与分析.3（1） 温度传感器的选择.3（2） K-变换.5（3） 放大.7（4） 比较11（5） 执行机构14四、 新得体会及建议.164、1四个问题17（1）问题117（2）问题218（3）问题318（4）问题4184、2一个疑惑19（5）疑惑119五、 附录.19电子元器明细表20六、 参考文献.21一、设计要求：1. 要求控制电路能够对室温2266度有非常敏感的反应。有温度设定功能，例如限制温度为40度，对应4电压。2. 当温度超过设定值时，指示灯点亮，进行报警提示。3. 总体设计画出原理框图。4. 单元电路设计。5. 利用仿真软件进行电路仿真，列出元件明细表。6. 撰写设计说明书。二、课程设计的作用、目的 模拟电路课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环通过该教学环节，要求达到以下目：1、使学生进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。三、设计的具体实现1、系统概述 为了实现对水温的检测及控制，首先需要传感器将温度信号转换为电信号，将采集的电信号进行处理使电信号与温度有一一对应的关系，并且由于温度传感器采集的信号为微弱的电信号，还必须将信号放大，再与设定温度所对应的电信号进行比较，由比较结果输出控制报警以及加热电路的工作状态。从而实现对水温的实时检测。当水温低于设定温度时，进行加热；水温高于设定温度则，停止加热并报警。制过程分为以下六个模块分别为：温度传感器、K-变换、放大、比较(包含温度设置)、执行机构（加热及报警）、被控制对象（不在电路设计之列，为了更好的说明功能的实现，故提出）。传感器把温度信号转换成电流信号或电压信号；K-变换将热力学温度K转换成摄氏温度；并送入比较器与预先设定的固定温度值进行比较，由比较器输出电平的高低变化来控制执行机构（如继电器）工作，实现温度的自动控制。原理框图如下： 图3.1.1 整体设计框图2、单元电路设计、仿真与分析 、温度传感器的选择方案一、选用热电偶温度传感器。热电偶是基于塞尔克现的温差电动势效应而制成的。两种不同金属线A和B连在一起，当温度T和不同时，在和两端即显出温差电动势E,E与T、的关系 式中，称为塞贝尔克系数，其值大约为10Uv/,与金属的种类有关; 为常数。常用之类温度传感器有热电偶铂-铂铑热电偶，测量范围01600；镍铬合金-镍吕合金热电偶，测量范围为-2001200；铜-康铜热电偶的测量范围-200250，在， 时，这些热电偶的电动势分别为0.6452、 4.095、4.277。热电偶适合于测量精度要求不高但测量范围较宽、测量上线较高的场合。线性度、稳定性 方面都很好，但其成本较高，一般在小系统中很少使用。方案二、采用测温电阻传感器。顾名思义，测温电阻就是电阻值随温度变化而变化，常用的测温电阻有两种，一种是金属测温电阻，一种是半导体测温电阻。对于高精度的场合，使用金属测温电阻非常适合，它的稳定性和线性性都很好，并且量程很大。半导体材料的测温电阻俗称热热敏电阻，由于它的量程较小，线性性也不是很好，大多数时候都用于电路板上的温度补偿。电阻率可以表示为：式中，n为电子浓度；g为电子量；为电子迁移率。对于金属而言，n和g都是常数，不随温度改变，只有迁移率与温度成反比。金属测温电阻常用铂制造，因为铂的化学性质稳定又耐高温。常用的铂电阻有两种，一种是型，一种是型。型铂电阻表示0在时的电阻为100，同理型铂电阻表示1000。市售的铂电阻测温参数，一般标注0时的测温电阻阻值和100时的电阻值，电阻的测温灵敏S可表示为； 使用铂电阻测温，其精度可达以内，此时对阻的测量精度必须保持在万分之几。显然，选用金属测温电阻虽然各方面性能较好，但价格贵，性价比不高；选用此类元器件优价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。方案三、AD590是美国Analog Devices 公司生产的二端式集成温度电流传感器，具有体积小、重量轻、线性度好、性能稳定等一系列优点。它的测温范围我-50150度，满刻度范围误差为+0.3度,当电源电压在5V、10V之间，稳定度为1%时误差只有+0.01度,完全实用本设计对水温测量的要求。另外，AD590是温度电流传感器，对于提高系统的抗干扰能力有很大的帮助，因此本设计选用AD590作为温度传感器。、K-变换AD590温度传感器简介AD590是单片集成感温电流源，具有良好的互换性和线性性质，能够消除电源波动，输出阻抗高达10M。器件采用B-1型金属封装。其主要特征如下：a、流过器件的电流变化1A,等于器件的热力学温度变化1K即转换当量为1A/K。b、测量温度范围为-55+150c、AD590的电源电压范围为430V。电源电压可46V范围变化，可承受44V正向电压和20V的反相电压，器件反接也不会被损坏。d、精度高，AD590 共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590为电流型PN结集成温度传感器，其输出电流正比于热力学温度。0温度时输出电流为273A，温度每变化1，输出电流变化1A。由于生产是经过精密校正，AD590的接口电路十分简单，不需要外围温度补偿和线性处理电路，便于安装和调试。模拟仿真时，用电流源（）代替温度传感器采集的信号。 由于AD590其输出电流是以绝对零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1uA输出电流，例如在室温27时，其输出为=(273+27)=300uA。本电路以将使温度与电流的关系满足1对应1 uA，采用分流法来实现，将273uA减去即可实现,即要使=273uA。仿真电路图如下:图 3.2.1 K-变换 （3.2.1）元件参数选取：a) R17：1N753稳压二极管，稳压范围5.886.12V、工作电流20。经计算R17取3 较合适。b) R19、R18：要使流过它的电流（）为273uA，经测试1N753实际稳压6.126V,经计算R19、R18总阻值可取22.44 ，R19取7.44、R18取15。对电路图的补充说明：最右端为虚地端。 、放大 s按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。通用型运算放大器用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。高阻型运算放大器类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid（1091012）W,IIB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。高速型运算放大器在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715等,其SR=5070V/ms,BWG20MHz。低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携 运算放大器式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为2V18V,消耗电流为50250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。高压大功率型运算放大器算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达150V,mA791集成运放的输出电流可达1A。选用放大器的原则是，在满足条件的前提下，尽量选用价格低廉的集成运放，也就是说选择性价比高的器件。本设计对运放无特殊要求，可选择通用型运放即可，查阅资料后，决定选择LM741，能满足本设计要求。LM741基本参数如下：表1：表2：本单元电路要完成两次放大，每级放大10倍，电路仿真图如下： 图3.3.1 两级放大电路 (3.3.1) (3.3.2)运放的外围电路包括：反馈R20,R24所在支路；以及R25,R26所构成的调零电路。元件参数的选择： 要使最终放大结果为2070对应27V。用电压表实时监测传入温度。经计算元件参数选择：a) R20、R21选择10b) R22、R23选择5.1c) R24选择45.9d) 外围调零滑动变阻器R25 、R26 选择30（常规接法）e) 电源为15V直流、比较比较电路主要实现将预设置温度与传感器收集的温度进行比较，输出值用来控制执行电路。由两部分组成：预设置温度电路温度按照 （3.4.1）线性关系进行设置： 在设计预设置电路时考虑到，设置的精确性，故采用恒流源，本设计要求为2260，考虑留有余地，设置范围定为2070度。参数选择如下：a) 恒流源 500uA。b) 最低为20，经计算确定R11为4。c) 上限为70，则滑动变阻器R12阻值应为10，对R13无特殊要求取10。d) 电源为12V直流。比较电路：选用比较器的原则是，在满足条件的前提下，尽量选用价格低廉的集成运放，也就是说选择性价比高的器件。本设计对运放无特殊要求，可选择通用型比较器即可，查阅资料后，决定选择LM311,合本设计。LM311资料如下：表3：表4：LM311的输出采用OC输出，故需接上拉电阻，外接电路采用LM311常用电路。补充说明：函数信号发生器设置为3vpp元件参数选择：a) 电源采用；b) 上拉电阻1；c) 在预设置电路中并联电压表，观察设置温度。电路图如下： 图3.4.1 图3.4.2、执行机构 由比较器直接控制继电器工作状态，执行机构由两部分构成：报警电路、加热电路（在仿真时，采用220V、100W白织灯代替）。仿真电路图如下：输入高电平，报警 图 3.5.1 图 3.5.2输入底电平，加热 图 3.5.3 图 3.5.4元件的参数选择：继电器：EDR2H1AO5 为常开继电器： 最大电压：16V 吸合电压：3.75V 释放电压：0.8VEDRO11B05 为常闭继电器，基本参数： 最大电压：6V 吸合电压：3.2V 释放电压：0.8V 二极管：无特别要求，二极管VD的作用是继电器线圈断电瞬间，提供能量释放回路，保护电路。 LED2:为报警灯工作电流5 。 电阻：电磁继电器工作时有一定电阻，R14经计算可选择1.5。 白织灯：代替电热丝，选择220V 100W。 保护：熔丝保护U4。总体设计电路图： 图3.5.5 原理图效果一：水温低于设置温度（），加热状态（LED2不亮，灯泡亮）。图3.5.6 加热效果二：水温高于设置温度（），报警状态（LED2亮，灯泡不亮）。 图3.5.7 报警四、心得体会及建议通过三周的努力，我成功的完成了此次设计，在设计的过程中我们学会了很多知识的同时也锻炼了自己的各方面能力。在设计的初期我也遇到了很多的困难，但通过自己的努力和老师的指导克服了种种困难。虽然此次设计比较成功，完成了设计的基本要求，但是电路还存在着很多不足之处，希望在今后我还能将其完善。本次设计是第一次接触模拟电子的设计，在设计电路时比较顺利，是由于在模拟电子技术课上学的理论比较扎实，但明显感觉在电路模拟过程中极其不顺利。主要遇到了以下四个问题(已解决)，一个疑惑(未解决)：1、四个问题： （1） 忽略了运算放大器的输出最值。左图电路输入电压过大，输出最大值只能是10V,右图输入电压合适，能正常放大。 图4.1.1 图4.1.2（2） 较放大器输出一般采用OC输出，本设计采LM311正是采用的这种输出方式。左图没有上拉电阻，故不论输入电压，输出始终趣近于0V,右图电路引入了上拉电阻，可以输出高低电平0或12V。 图4.1.3 图4.1.4（3） Z型继电器始终不会控制，最后只能采用两个继电器状态相反的继电器代替。第一个电路图：虽然输出了高电平，但报警（绿）灯不亮，不论如何调整，始终无法解决。第二个电路图：采用两个继电器代替Z型继电器的功能，达到控制效果。 图4.1.5 图4.1.6（4） 稳压管的稳压值和外电路有关，如果和它并联的支路电阻太小起不到稳压的效果。说明： 左边电路图由于支路电阻太小，不能正常稳压；右边电路图支路电阻趋紧无穷，故能正常稳压图4.1.7 图4.1.82、一个疑惑：（5） 虽然电路实现了功能，但D2稳压