水温控制系统设计

水温控制系水温控制系统设计统设计 一 常用一 常用电电元器件元器件 电阻 电容及电感 三极管 模拟集成电路 二 模二 模拟电拟电子子电电路路设计设计方法及步方法及步骤骤 电电子系子系统组统组成成 电子电路通常分为模拟型 数字型及两者兼而有之的混合型等三种 无论哪种电子电路 它们都 是能够完成某种任务的电子设备 一般将规模较小 功能相对单一的电子电路称为单元电路 实际应 用中的电子系统则由若干单元电路构成 通常 一个电子系统由输入 信息处理 输出三大部分组成 用来实现对信号的变换 放大和传输 图 1 1 为电子系统组成框图 现场信息 图 2 1 电子系统组成框图 方案方案设计设计 按照系统总的设计要求 将电路划分为若干功能模块 即将系统划分为完成某项任务的模块 从而 得到系统方框图 每一个方框图即为一个单元电路 按照系统性能指标要求 规划出各单元电路所要完 成的任务 确定各模块输入与输出之间的关系 最后决定单元电路的结构 所谓决定单元电路的结构 即为决定单元电路的组成方式 例如单元电路的组成方式为放大电路 滤波电路等 电电路路设计设计 电路设计是按功能模块确定的单元电路设计 在该部分设计中 应详细拟定单元电路的组成 性 能指标及与前后级的关系 例如进行单元电路设计 如果 即单一电路 的任务是对信号进行放大 应 确定是低频放大器还是高频放大器 在此基础上 是应明确是采用分立元件还是采用模拟集成电路 若采用分立元件组成电路 要考虑是采用三极管还 是采用场效应管等 选用 NE555 定时器 由组成的振荡器等 741A 电电路仿真及路仿真及测试测试 仿真 在各功能模块中的单元电路设计及器件设计完成后 可使用电子设计自动化中心 PSPice Multisim 等应用软件进行仿真 这样 即可检验电路设计及元件选择的合理性 而且可避免在实际测试设备中 使用大量元器件 以提高设计效率 从而减少设计周期 调试 调试分为单元电路调试及整机调试 在调试中应首先对各功能模块中设计的单元单元进行调试 然 后进行整机测试 输入电路信息处理输出电路控制对象或负载 设计要求 方案设计 电路设计 器件设计 PCB设计 结构设计 电路仿真及调试 图2 2 电子系统设计流程 2 电路设计与器件设计 1 信号调理模块 电路设计 信号调理模块的任务是将非电量转换成电量 然后加以放大 将非电量转换成电量的传感器用热 敏电阻 当环境温度发生变化时 热敏电阻的阻值发生变化 利用这一特性 将非电量 温度 转换成电 量 热敏电阻上的压降变化 因此 信号调理模块可以用三极管组成的放大电路 还可以用由运算状 态组成的放大电路 这里选用由运算状态组成的放大电路最为方便 电路如图 3 2 所示 由图 3 2 由运放组成的放大器为同相比例运算 1 A 放大电路 其电压增益 即 2 f 1 R R Av 2 f 2 1 1 R R V Vo 这样 其中热敏电阻上的电压 io V R R V 1 2 f 1 i V 电路的设计思想是这样的 设热敏电阻在环境温 t R 度为时阻值为则 这样 1 T ta R ia V cc ta ta p V RR R V 1 1 1ao V ia f V R R 2 当选用负温度系数电阻时 关于这点 以后再详细介绍 环境温度越高 则热敏电阻的阻值愈小 设环境温度为时 其阻值为 则此时 这样由于温度 2 T tb R cc tb tb pib V RR R VV 1 bo V 1 2 1 R Rf ib V 变化引起的热敏电阻变化 就通过运算放大器转换成了电信号 采用同相比例运算电路的理由如下 由于同相比例放大电路具有深度电压串联负反馈电路 它的输 出电压较稳定 其输出电阻很小 故对后级电路而言 相当于一个电压源 因此带负载能力强 串 1o V 联型的负反馈其输出电阻增大 这样就减少了对前级电路取用的电流 故对前级电路的测量精度不会 产生不良影响 器件设计 a 运放的选择 器件设计要从整个系统的角度来考虑 是采用双电阻供电的运放还是采用电源供电的运放 是采用精度型运放还是采用普通型运放 从价格来考虑 普通型运放常有的有 其供电电741A 源为 5V 18V 且可以用正电源以 5V 18V 供电 精度型运放常有的有 OP07 其电源供电范围 为 5V 18V 通常为 12V 且不能单电源供电 综合以上情况 选用运放 且采用 5V 单电源供电 图 3 2 所示电路中的电阻及的阻值要结合热敏电阻的具体参741A 2 R f R 数来确定 将热敏电阻的阻值转换成电压的电路可采用分压电路 如图 3 3 所示 这里分压电压值 应在 1 3V 为什么要这样选择 请同学们自己思考 分压电路的直流电源采用 5V 电源 i V b 热敏电阻的选择 Vi R2 VCC R1 Rf Rt N P VCC VO1 7 4 图 信号调理电路 热敏电阻从结构上可分为正温度系数电阻和负温度系数电阻 正温度系数电阻 PTC 是当温度增加时 其电阻阻值迅速增大 负温度系数电阻 NTC 是当温度增 加时 其电阻阻值呈非线性减小 正温度系数电阻一般应用于电冰箱和压缩机启动电路 彩色电视机消磁电路 电动机过热保护等电 路中 负温度系数热敏电阻一般应用于各种电子产品中的温度检测 温度控制等 常用的温度检测用 NTC 热敏电阻有 MF53 MF57 系列 每个系列又有多种型号 同一类型不同型号的 NTC 其标称 电阻阻值也不相同 常用测温及温度控制用 NTC 热敏电阻有 MF51 系列 MF54 系列 MF55 系列等 因此 信号调理部 分电阻的选择是在选定热敏电阻后来进行的 1 R c 电路外围电路所用元件参数计算 电路的设计以选定的热敏电阻系数入手 然后计算出所需要的电压增益 以 58 系列热敏电阻为 例说明计算方法 经查 在时 电阻值为的热敏电阻分段如表 3 1 CT o 25 K10 C o 单位 K 29 394 5 23 319 10 18 659 1515 052 2012 229 2510 000 308 225 356 802 405 654 454 721 503 958 553 330 从上表知 在常温 时 热敏电阻的阻值为 10 CT o 25 由设计要求 当环境温度为下降至 20 系统要加热 当温度上升为 50时 停止加热 故查表C C 3 1 得 20 对应阻值为 12 229 C t R 50 对应阻值为 3 958 C t R 即当时 CT o 20 KR Ct o 229 12 20 当时 CT o 50 KR Ct o 958 3 50 Vi R1 Rt 5V 图 分压电路所用电源选为 5 这样 KR20 1取 取 VV RR R CC Ct Ct o o 89 1 5 229 1220 229 12 20 1 20 20 取 取取 取 取 取 VV RR R CC Ct Ct o o 826 0 5 958 23 958 3 50 1 50 50 取 取取 取 取 取 然后再计算所需要的电压增益 设所要求的电压增益2 1 V A 则 取 2 1 R R A f V KRf10 KR10 2 这样 当时 此时CT 20VVp89 1 20 VV R R C f C o 78 3 1 20 2 20 01 取 取 当时 此时CT 50VVp826 0 50 V Co 65 1 50 1 Note 为什么取 能否取 1 R K20 1 R K10 这样得到的电路如图 3 所示 2 水温检测模块 水温检测模块的任务是将 20和 50的相对电压值检测出来 并将这二个电压值提C C 供给加热 停止模块及加热 停止状态显示模块 因此 这部分由电压比较器组成 利用运放的非线性 特性来完成 由于对应 20和 50有两个电压值 故应使用二个电压比较器及信号锁存器C C 来完成 a 对应于 20时的检测电路C 由于采用负温度系数电阻 温度越低 电阻值越大 故采用反相电压比较器 电路如图 3 由信号调理 电路输出的电压作用于运放的同相输入端 2 A 取 阀值电压 KR10 4 20 01 54 4 1 CCCT VV RR R V 代入数据 5 10 10 78 3 5 R 计算得 5 R K2 3 考虑到电阻的允许误差 用电位器代替 p R 5 R R3 R4 R5 N P 5V 7 4 2 3 uA741 VO2 A2 图3 5 VO1 20 c V 5V VO1 20 c VO2 R3 R4 N P VCC 7 4 2 3 A2 Rp 3 78V 5 1k 图3 6 20k VO1 R2 R1 Rf Rt N P 5V 7 4 5V 2 3 10k 10k uA741 图 A1 Vi 取 这样得到图 3 所示电路 p R K10 b 对应于 50时的检测电路C 由于温度越高 的阻值越小 信号调理输出的电压越低 t R 这样 采用反相电压比较器 即作用于的反相输入端 1o V 3 A 3 加热 停止加热控制模块 温度控制 对于水温加热 停止控制模块 按理应该对放置在水中的电热丝加热 但在实验中 我们不可能做 一个水箱 然后在水箱中安置电热丝 在实验中 我们通过加热 3 电阻的方式产生一定温度 然后将热敏电阻靠近 3 电阻 通过间接 加热方式来实现温度的加热 停止 按上述思路 如何做到使 3W 电阻通电产生热量呢 同学们可能首先考虑到的是用放大电路 使 三极管处于放大状态 那么是否可以直接用水温检测电路输出的信号直接控制放大电路呢 换句话说 能否使放大电路一直处于导通状态 即三极管处于持续导通状态 还是处于间歇导通状态 这个问题 请同学们自己去思考 加热 停止加热控制模块电路设计按如下思路进行 通过振荡器 产生持续的占空比一定的脉冲信号来控制三极管的导通 此时 三极管处于开关状 态 即三极管只有导通和截止二种状态 而且振荡器要处于可控状态 即温度检测控制信号高电平到 来时 振荡器工作 产生持续的方波脉冲 使三极管处于间歇工作方式 当三极管导通时 有电流流过 3 电阻 从而电阻上产生热量 以使热敏电阻感受到 当温度检测控制信号为低电平时 振荡器不产 生振荡信号 三极管截止 从而没有电流流过 3 电阻 即加热 停止加热模块处于不工作状态 振荡器采用 NE555 构成占空比可调 占空比从 20 80 的多谐振荡器 电路如图 3 所示 其 振荡频率660KHz 多谐振荡器输出端连接一开关电路 以控制三极管的导通和截止 0 f T 4 控制状态显示模块 控制状态显示模块实际上是通过一个开关电路使加热 停止加热的两种状态通过发光二极管显出 来 5 温度显示模块 温度显示模块的任务是将环境温度 20 50 在数码管上显示出来 其方法时将热敏电阻随温 度的变化值转换成相应的电压值 然后通过三位半 LED 专用 A D 转换显示芯卡 ICL7107 及共阳极数 码管组成的译码显示电路将环境温度显示出来 显示温度范围 20 50 四 四 设计设计心得心得 水温控制系统设计运用到我们所学的传感与检测