水温控制系统设计

附件1学号课程设计题目水温控制系统设计学院信息工程学院专业电子科学与技术班级2008级1班姓名指导教师2010年1月20日课程设计任务书学生姓名专业班级电子科学与技术0801班指导教师工作单位信息工程学院题目水温控制系统设计初始条件可选元件温度传感器，继电器，双向晶闸管（器件选择应满足技术指标）。电容、电阻、电位器若干；或自备元器件。直流电源12V，或自备电源。可用仪器示波器，万用表，毫伏表要求完成的主要任务（1）设计任务根据技术指标和已知条件，选择合适的温度传感器、选择合适的继电器或晶闸管。完成对水温控制系统的设计、装配与调试。（2）设计要求设计制作可以测量和控制温度的温度控制器测量和控制温度范围580，控制精度1，控制对象双向晶闸管或继电器，晶闸管或继电器触点连接一组转换接点（市电220V/50HZ/2A）。选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做用PSPICE或EWB软件完成仿真）安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。时间安排1、2010年1月18日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。2、2010年1月18日至2007年1月21日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3、20010年1月22日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名年月日系主任（或责任教师）签名年月日目录摘要1绪论21设计要求及技术指标311设计要求及主要任务312设计内容及主要技术指标32设计原理分析43方案论证与比较44电路的总体设计541电源电路的设计542温度控制模块设计5421信号采集及电压转换6422KC转换6423比例放大模块7424比较模块743显示部分设计85硬件安装与调试96电路主要参数设计与测定107元件列表118心得体会12参考文献13摘要本次模拟电子技术课程设计针对模拟电子技术基础中所学的知识，对所学的基础理论知识进行一次实践检测，并通过实践提高对知识的运用能力。为了实现水温控制，我制作了一个水温控制电路，该电路采用AD590温度传感器双刀继电器LM324四运放集成电路、9013三极管、稳压管等器件，达到了在一定温度范围精确可调控温的目的。本课设采用LM324四运放集成电路作核心元件，它所组成的温度控制器将温度传感器采集的温度信号准确处理后向继电器发出通断指令，从而控制加热装置的开关；温度传感器采用了AD590高精度温度传感器，它可将温度精确转化成输出电流；而通过调节电位器可控制设置温度，最后通过3位半电压表显示输出。关键词LM35温度传感器；继电器；LM324四运放集成电路。ABSTRACTANALOGELECTRONICSTECHNOLOGYCOURSEDESIGNONTHEBASISOFTHEORETICALKNOWLEDGELEARNEDINPRACTICEISATESTPROCESSINORDERTOACHIEVETEMPERATURECONTROL,ICREATEDAWATERTEMPERATURECONTROLCIRCUIT,THECIRCUITUSESLM35TEMPERATURESENSORRELAYLM324OPAMPIC4,9013TRIODE,ELECTROCAUTERYWIRE,REACHEDACERTAINTEMPERATURERANGETOMAINTAINACONSTANTTEMPERATUREOFPURPOSETHISCOURSEISLOCATEDUSINGLM324OPAMPICFORFOURCORECOMPONENTS,ITWILLBECOMPOSEDOFTHETEMPERATURESENSORTEMPERATURECONTROLLERTEMPERATURESIGNALACQUISITIONANDACCURATETREATMENTGIVENTOTHERELAYOFFCOMMANDSTOCONTROLTHEHEATINGDEVICEOFTHESWITCHTEMPERATURESENSORUSEDLM35TEMPERATURESENSOR,WHICHCANBECONVERTEDINTOANOUTPUTVOLTAGETEMPERATUREANDCANBECONTROLLEDBYADJUSTINGTHEPOTENTIOMETERTOSETTHETEMPERATUREKEYWORDSLM35TEMPERATURESENSORRELAYLM324OPAMPIC4绪论随着科学技术日益发展，大规模集成电路在不同的领域也来越收到广泛利用，不仅在一般工业上，而且在其他方面诸多行业都起着举足轻重的作用。随着现代电子技术的快速发展,数据的采集与处理广泛地应用在自动化领域中。在生活或工业领域中，我们常看到某些特定场合或某些特殊的装置环境温度，须控制在一定范围内，或保持恒定，实现该功能的电路就是温度控制装置。水温控制系统设计的方案很多。本次设计所采用的电路设计方案是通过模拟器件搭建的水温监测电路，水温范围测量电路，电阻丝开关电路，以及显示电路和电源电路组成。水温监测电路是采用温度传感器将温度信号转化成电信号。而水温范围测量电路是采用滞回较器，其中电路中采用集成运放电路。而电阻丝开关电路是由三级管和继电器组成。这样通过温度信号转化成电信号与基准电压进行比较来输出电压信号，控制继电器的开关来控制外电源，是否对水进行加热，以次来控制水的温度，使其符合预定的温度。其总体流程图如图1所示。现代社会的电子科技的日新月异，这就要求我们独力思考，理论联系实际，并且发挥我们的创新意识，此次模电课程设计为我们提供了良好的实践平台，也为我们走向社会提供了良好的基础。我们通过此次设计能将学到的理论知识应用于实际，不仅能巩固书本上的知识，而且要求我们独立查阅资料，设计电路，焊接电路板，培养我们独立思考的能力。我希望自己能够充分利用这次机会，更加深刻的了解课本上的知识，以及培养自己的动手操作能力。图1水温检测电路1设计要求及技术指标11设计要求及主要任务111设计目的学会基本电路的组装与调试，通过对温度控制电路的设计、安装和测试与了解温度传感器件的性能，学会在实际电路中应用。进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。112设计任务设计制作可以测量和控制温度的温度控制器选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。学习MUTISIM的电路仿真过程，绘制电路图，进行基本的仿真实验对设计的电路进行分析。扩展功能在测温的基础上实现实时控制及温度精确显示。安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。12设计内容及技术指标整个电路通过温度检测系统对温度信息进行检测、提取，送至处理系统，进行与预设温度的比较，然后将比较结果送至电路的控制系统，控制系统对结果做出反应，或加热或停止加热，以此来达到将水温控制的目的。本课设电路中应用温度传感器将温度信息转换为电压信号，在运算放大器组成的电路换算处理后，并与预先设定的温度值相比较，然后将结果转化为高低电平并送至继电器控制部分以达到控制电路的目的。而本实验的重点在于水温的检测，因为它决定了电路是否可以准确的达到自动控制作用。技术指标测量和控制温度范围580，控制精度1，控制对象双向晶闸管或继电器，晶闸管或继电器触点连接一组转换接点（市电220V/50HZ/2A）。2设计原理分析本次设计由温度传感器实现对水温的检测，之后采集的信息由运算放大器构成的电压比较器来处理，将决定是应继续加热还是停止加热，指令发出后再由执行部分执行。3方案比较与论证31方案一1AD590温度传感器电路LAD590温度传感器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B1型金属封装。其主要特征如下；1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。2）测量温度范围为551503）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。4）精度高，AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在55150范围内，非线性误差为03。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2732A，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。2、其他电路温度电压变换电路UO11A/KRR106/K如R10K则UO110MV/KK变换电路因为AD590的温控电流值是对应热力学的温度K,而温控中需要采用摄氏温度由运算放大器组成的加法器可实现这一转换，其表达式满足以下关系UO2（UR2110FRF元件参数的确定和UR的选取的指导思想是0（即273K）时，UO20V。放大器设计一个反相放大器，进行参数调整，使其输出UO3满足10MV/。用数字电压表可实现温度显示。温度比较电路温度比较电路由电压比较器组成，VREF为控制温度的设定电压（对应控制温度的），RF2用于改善比较器的迟滞特性，决定控制温度的精度。继电器驱动电路当被测温度超过设定温度时，继电器动作，使触发器断开，停止加热；反之被测温度低于设置温度时，继电器闭合，进行加热。NPN型晶体管VT作为开关管用来驱动继电器线圈是否得电，从而控制加热装置达到控制温的目的。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，防止击穿驱动晶体管VT。运算放大器LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到30伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“”、“”为两个信号输入端，“V”、“V”为正、负电源端，“VO”为输出端。两个信号输入端中，VI（）为反相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的位相反；VI（）为同相输入端，表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相同。继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。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）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。在此次试验中所选用的的继电器为12V继电器，有8个管脚，最大交流耐压值为220V，最大直流耐压值为12V。本实验中所加直流电源为5V，所加交流电源为220V，故此继电器完全符合要求。32方案二1、采用LM35温度传感器LM35是由国半公司所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式，0时输出为0V，每升高1，输出电压增加10MV。LM35有多种不同封装型式。在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到1/4的准确率33综合分析考虑到本次设计说要求的温度范围宽，而且要与水直接接触，抗腐蚀要求强，及温度的精度要求，综上，选择方案一来完成本学期模拟电子基础课程设计。4电路的总体设计41电源电路一个完整的系统往往有自己的独立电源，故在水温控制系统中加入了独立电源。本系统的控制电路均为12伏，但加热装置为交流220V供电，因此电源分为直流部分和交流部分。42温度控制转换主模块温度测量与控制原理框图如图下所示。本电路有温度传感器，KOC变换、控制温度设置、数字电压表（显示）和放大器等部件组成。温度传感器的作用是把温度信号转换成电流信号或电压信号，KOC变换将热力学温度K转换成摄氏温度OC。信号经放大器放大和刻度定标后由数字电压表直接显示温度值，并同时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。U01传传传传传传传传传KC传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传U02U03U04421信号采集模块采用与一电阻串联，再接一个电压跟随器，电压信号从运放的处出端输出，电路如下422KC转换模块由于AD590输出电流值是对应的绝对温度K，而在控制系统中需要采用摄氏温度C，因而采用以运算放大器构成加法器，将绝对温度输出转换为摄氏温度的输出。其中元件参数的设置以及UR的设定应该满足在0摄氏度（即273K）时的输出UO20。综上，得到如下的KC变换部分，取UR273V，其余电阻参数如下图所示，得到系统的第二级输出电压满足（UO2UO1273）V电路图如下423比例放大模块该部分由反比例放大其构成，目的是将输出电压与控制温度相互关系清晰的表现出来,第三极输出为UO3100MV/C该部分电路图如下424比较器模块该部分由电压比较器组成，电路结构如图所示该部分功能是达成设置控制电压的目的，UREF为控制温度所对应的电压，通过该部控制电压来改变控制温度的设定。图中比较器的迟滞电阻RF2的作用是改善比较器的迟滞特性，决定控制温度的精度。当UO3低于UREF时该比较器的输出电压为正值；反之输出为负值。电路如下R1RF2RBA3UVO3REFUO4425继电器模块继电器是本次课设电路能否实现自动控制加热装置的关键所在。电路利用PNP型三极管9013将电压比较器输出的微弱电流放大后送至继电器，电流通过继电器线圈控制衔铁与触点接触来实现加热回路的通断。继电器驱动电路当被测温度超过设定温度时，继电器动作，使触点断开停止加热，反之被测温度低于设定温度时，继电器触点闭合，进行加热。43温度显示模块采用三位半数字电压表显示，主芯片用模数转换芯片，此芯片直接输出码数字信号，在经实现码转段选码，最后在位一体数码管上显示电压值VTVDKVCCR5AC220VU045硬件安装与调试（1）根据电路原理图准备好所需要的元器件；（2）对每个单元电路进行试验，检测所用集成器件AD590以及LM324是否能够正常工作；3对线路进行布局，使得电路连接简化清晰，然后面包板上连接电路。该温控装置电路的连接应该逐步完成，每完成一部分的连接后，要对参数进行测设，再与理论值进行比较，若正确在进行下一步的电路连接；若电路参数不正确，则需检查电路，直至电路正确为止。（4）调通后再逐步扩展到整体电路。只有整体电路调试通过后，进行性能指标测试。注意事项在焊接时，我根据电路图对实物进行了模块分割，逐级焊接，这大大减少了我的焊接工作量，每焊接一级便用万用表测试一下此级中有无损坏的元件或是连线错误。安装时注意不要将太多锡丝弄到电路板上，以免出现短路的情况，避免虚焊，尽量一次到位，以免电路板上的镀铜脱落影响后面的焊接工作。尽量用给出的电阻引脚的铁丝不要刻意去找外面的导线焊，且布线时尽量让线横竖有一定的布局，保持电路板的整体美观。将多出的线一定整理干净，以免造成短路，发生危险。电路主要参数设计与测定理论计算UO1（实际摄氏温度273）/100（V）UO2UO1273V实际摄氏温度/100（V）UO310UO2实际摄氏温度/10测试时空气温度21摄氏度随着通过对AD590的加热时记录不同值如下表所示。UREF（V）242440405060608090UO1（V）294303303324333338343351353UO2（V）021030030051060065070078080UO3（V）213030516065707880发光二极管亮灭亮灭灭灭灭亮亮存在问题与解决方案1、存在问题在反比例放大器的电路中，由于电阻误差的存在以及外界干扰的存在，使得其放大倍数不能够准确到10倍。解决方法反比例放大器中的电阻RF1用电位器来替代定值电阻，当出现放大倍数偏差时，可以调解电位器的阻值，从而将误差降低，达到实验要求。2、存在问题比较器温控精度不够好，使得温控不灵敏。解决方法用电位器替代定值电阻RF2，调节电位器，从而改变该比较器的上下门限电压的值，以达到提高温控精度的作用。3、存在问题在简易温控系统的实验设计中，出现的主要问题是加法器的电压设置UR以及比较电压UREF的设置问题。（实验提供的直流电压源只能提供5V以及正负12V的直流电压。）解决方法为了得到UR以及需要的UREF，则需要采用电位器串联的方式来达到分压得作用，从而得到一个比较准确的UR273V以及可调的参考电压UREF，以达到控制温度的作用。