模電課設(shè)-水溫控制.docx

華北科技學(xué)院課程設(shè)計目錄一、 設(shè)計要求2二、 課程設(shè)計的作用、目的.2三、 設(shè)計的具體實現(xiàn).23、1系統(tǒng)概述23、2單元電路設(shè)計、仿真與分析.3（1） 溫度傳感器的選擇.3（2） K-變換.5（3） 放大.7（4） 比較11（5） 執(zhí)行機構(gòu)14四、 新得體會及建議.164、1四個問題17（1）問題117（2）問題218（3）問題318（4）問題4184、2一個疑惑19（5）疑惑119五、 附錄.19電子元器明細表20六、 參考文獻.21一、設(shè)計要求：1. 要求控制電路能夠?qū)κ覝?266度有非常敏感的反應(yīng)。有溫度設(shè)定功能，例如限制溫度為40度，對應(yīng)4電壓。2. 當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，指示燈點亮，進行報警提示。3. 總體設(shè)計畫出原理框圖。4. 單元電路設(shè)計。5. 利用仿真軟件進行電路仿真，列出元件明細表。6. 撰寫設(shè)計說明書。二、課程設(shè)計的作用、目的 模擬電路課程設(shè)計是電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的實踐性教學(xué)環(huán)通過該教學(xué)環(huán)節(jié)，要求達到以下目：1、使學(xué)生進一步掌握模擬電子技術(shù)的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力和綜合分析問題、解決問題的能力；2、使學(xué)生基本掌握常用電子電路的一般設(shè)計方法，提高電子電路的設(shè)計和實驗?zāi)芰Α?、熟悉并學(xué)會選用電子元器件，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。三、設(shè)計的具體實現(xiàn)1、系統(tǒng)概述 為了實現(xiàn)對水溫的檢測及控制，首先需要傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，將采集的電信號進行處理使電信號與溫度有一一對應(yīng)的關(guān)系，并且由于溫度傳感器采集的信號為微弱的電信號，還必須將信號放大，再與設(shè)定溫度所對應(yīng)的電信號進行比較，由比較結(jié)果輸出控制報警以及加熱電路的工作狀態(tài)。從而實現(xiàn)對水溫的實時檢測。當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時，進行加熱；水溫高于設(shè)定溫度則，停止加熱并報警。制過程分為以下六個模塊分別為：溫度傳感器、K-變換、放大、比較(包含溫度設(shè)置)、執(zhí)行機構(gòu)（加熱及報警）、被控制對象（不在電路設(shè)計之列，為了更好的說明功能的實現(xiàn)，故提出）。傳感器把溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號或電壓信號；K-變換將熱力學(xué)溫度K轉(zhuǎn)換成攝氏溫度；并送入比較器與預(yù)先設(shè)定的固定溫度值進行比較，由比較器輸出電平的高低變化來控制執(zhí)行機構(gòu)（如繼電器）工作，實現(xiàn)溫度的自動控制。原理框圖如下： 圖3.1.1 整體設(shè)計框圖2、單元電路設(shè)計、仿真與分析 、溫度傳感器的選擇方案一、選用熱電偶溫度傳感器。熱電偶是基于塞爾克現(xiàn)的溫差電動勢效應(yīng)而制成的。兩種不同金屬線A和B連在一起，當(dāng)溫度T和不同時，在和兩端即顯出溫差電動勢E,E與T、的關(guān)系 式中，稱為塞貝爾克系數(shù)，其值大約為10Uv/,與金屬的種類有關(guān); 為常數(shù)。常用之類溫度傳感器有熱電偶鉑-鉑銠熱電偶，測量范圍01600；鎳鉻合金-鎳呂合金熱電偶，測量范圍為-2001200；銅-康銅熱電偶的測量范圍-200250，在， 時，這些熱電偶的電動勢分別為0.6452、 4.095、4.277。熱電偶適合于測量精度要求不高但測量范圍較寬、測量上線較高的場合。線性度、穩(wěn)定性 方面都很好，但其成本較高，一般在小系統(tǒng)中很少使用。方案二、采用測溫電阻傳感器。顧名思義，測溫電阻就是電阻值隨溫度變化而變化，常用的測溫電阻有兩種，一種是金屬測溫電阻，一種是半導(dǎo)體測溫電阻。對于高精度的場合，使用金屬測溫電阻非常適合，它的穩(wěn)定性和線性性都很好，并且量程很大。半導(dǎo)體材料的測溫電阻俗稱熱熱敏電阻，由于它的量程較小，線性性也不是很好，大多數(shù)時候都用于電路板上的溫度補償。電阻率可以表示為：式中，n為電子濃度；g為電子量；為電子遷移率。對于金屬而言，n和g都是常數(shù)，不隨溫度改變，只有遷移率與溫度成反比。金屬測溫電阻常用鉑制造，因為鉑的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定又耐高溫。常用的鉑電阻有兩種，一種是型，一種是型。型鉑電阻表示0在時的電阻為100，同理型鉑電阻表示1000。市售的鉑電阻測溫參數(shù)，一般標注0時的測溫電阻阻值和100時的電阻值，電阻的測溫靈敏S可表示為； 使用鉑電阻測溫，其精度可達以內(nèi)，此時對阻的測量精度必須保持在萬分之幾。顯然，選用金屬測溫電阻雖然各方面性能較好，但價格貴，性價比不高；選用此類元器件優(yōu)價格便宜的優(yōu)點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。方案三、AD590是美國Analog Devices 公司生產(chǎn)的二端式集成溫度電流傳感器，具有體積小、重量輕、線性度好、性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點。它的測溫范圍我-50150度，滿刻度范圍誤差為+0.3度,當(dāng)電源電壓在5V、10V之間，穩(wěn)定度為1%時誤差只有+0.01度,完全實用本設(shè)計對水溫測量的要求。另外，AD590是溫度電流傳感器，對于提高系統(tǒng)的抗干擾能力有很大的幫助，因此本設(shè)計選用AD590作為溫度傳感器。、K-變換AD590溫度傳感器簡介AD590是單片集成感溫電流源，具有良好的互換性和線性性質(zhì)，能夠消除電源波動，輸出阻抗高達10M。器件采用B-1型金屬封裝。其主要特征如下：a、流過器件的電流變化1A,等于器件的熱力學(xué)溫度變化1K即轉(zhuǎn)換當(dāng)量為1A/K。b、測量溫度范圍為-55+150c、AD590的電源電壓范圍為430V。電源電壓可46V范圍變化，可承受44V正向電壓和20V的反相電壓，器件反接也不會被損壞。d、精度高，AD590 共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。AD590為電流型PN結(jié)集成溫度傳感器，其輸出電流正比于熱力學(xué)溫度。0溫度時輸出電流為273A，溫度每變化1，輸出電流變化1A。由于生產(chǎn)是經(jīng)過精密校正，AD590的接口電路十分簡單，不需要外圍溫度補償和線性處理電路，便于安裝和調(diào)試。模擬仿真時，用電流源（）代替溫度傳感器采集的信號。 由于AD590其輸出電流是以絕對零度（-273）為基準，每增加1，它會增加1uA輸出電流，例如在室溫27時，其輸出為=(273+27)=300uA。本電路以將使溫度與電流的關(guān)系滿足1對應(yīng)1 uA，采用分流法來實現(xiàn)，將273uA減去即可實現(xiàn),即要使=273uA。仿真電路圖如下:圖 3.2.1 K-變換 （3.2.1）元件參數(shù)選?。篴) R17：1N753穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)壓范圍5.886.12V、工作電流20。經(jīng)計算R17取3 較合適。b) R19、R18：要使流過它的電流（）為273uA，經(jīng)測試1N753實際穩(wěn)壓6.126V,經(jīng)計算R19、R18總阻值可取22.44 ，R19取7.44、R18取15。對電路圖的補充說明：最右端為虛地端。 、放大 s按照集成運算放大器的參數(shù)來分,集成運算放大器可分為如下幾類。通用型運算放大器用型運算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。例mA741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運算放大器。高阻型運算放大器類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid（1091012）W,IIB為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)這些指標的主要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點,用場效應(yīng)管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級,不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點,但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。低溫漂型運算放大器在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設(shè)計的。目前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。高速型運算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中,要求集成運算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運放有LM318、mA715等,其SR=5070V/ms,BWG20MHz。低功耗型運算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜 運算放大器式儀器應(yīng)用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為2V18V,消耗電流為50250mA。目前有的產(chǎn)品功耗已達微瓦級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。高壓大功率型運算放大器算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運放的電源電壓可達150V,mA791集成運放的輸出電流可達1A。選用放大器的原則是，在滿足條件的前提下，盡量選用價格低廉的集成運放，也就是說選擇性價比高的器件。本設(shè)計對運放無特殊要求，可選擇通用型運放即可，查閱資料后，決定選擇LM741，能滿足本設(shè)計要求。LM741基本參數(shù)如下：表1：表2：本單元電路要完成兩次放大，每級放大10倍，電路仿真圖如下： 圖3.3.1 兩級放大電路 (3.3.1) (3.3.2)運放的外圍電路包括：反饋R20,R24所在支路；以及R25,R26所構(gòu)成的調(diào)零電路。元件參數(shù)的選擇： 要使最終放大結(jié)果為2070對應(yīng)27V。用電壓表實時監(jiān)測傳入溫度。經(jīng)計算元件參數(shù)選擇：a) R20、R21選擇10b) R22、R23選擇5.1c) R24選擇45.9d) 外圍調(diào)零滑動變阻器R25 、R26 選擇30（常規(guī)接法）e) 電源為15V直流、比較比較電路主要實現(xiàn)將預(yù)設(shè)置溫度與傳感器收集的溫度進行比較，輸出值用來控制執(zhí)行電路。由兩部分組成：預(yù)設(shè)置溫度電路溫度按照 （3.4.1）線性關(guān)系進行設(shè)置： 在設(shè)計預(yù)設(shè)置電路時考慮到，設(shè)置的精確性，故采用恒流源，本設(shè)計要求為2260，考慮留有余地，設(shè)置范圍定為2070度。參數(shù)選擇如下：a) 恒流源 500uA。b) 最低為20，經(jīng)計算確定R11為4。c) 上限為70，則滑動變阻器R12阻值應(yīng)為10，對R13無特殊要求取10。d) 電源為12V直流。比較電路：選用比較器的原則是，在滿足條件的前提下，盡量選用價格低廉的集成運放，也就是說選擇性價比高的器件。本設(shè)計對運放無特殊要求，可選擇通用型比較器即可，查閱資料后，決定選擇LM311,合本設(shè)計。LM311資料如下：表3：表4：LM311的輸出采用OC輸出，故需接上拉電阻，外接電路采用LM311常用電路。補充說明：函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)置為3vpp元件參數(shù)選擇：a) 電源采用；b) 上拉電阻1；c) 在預(yù)設(shè)置電路中并聯(lián)電壓表，觀察設(shè)置溫度。電路圖如下： 圖3.4.1 圖3.4.2、執(zhí)行機構(gòu) 由比較器直接控制繼電器工作狀態(tài)，執(zhí)行機構(gòu)由兩部分構(gòu)成：報警電路、加熱電路（在仿真時，采用220V、100W白織燈代替）。仿真電路圖如下：輸入高電平，報警 圖 3.5.1 圖 3.5.2輸入底電平，加熱 圖 3.5.3 圖 3.5.4元件的參數(shù)選擇：繼電器：EDR2H1AO5 為常開繼電器： 最大電壓：16V 吸合電壓：3.75V 釋放電壓：0.8VEDRO11B05 為常閉繼電器，基本參數(shù)： 最大電壓：6V 吸合電壓：3.2V 釋放電壓：0.8V 二極管：無特別要求，二極管VD的作用是繼電器線圈斷電瞬間，提供能量釋放回路，保護電路。 LED2:為報警燈工作電流5 。 電阻：電磁繼電器工作時有一定電阻，R14經(jīng)計算可選擇1.5。 白織燈：代替電熱絲，選擇220V 100W。 保護：熔絲保護U4?？傮w設(shè)計電路圖： 圖3.5.5 原理圖效果一：水溫低于設(shè)置溫度（），加熱狀態(tài)（LED2不亮，燈泡亮）。圖3.5.6 加熱效果二：水溫高于設(shè)置溫度（），報警狀態(tài)（LED2亮，燈泡不亮）。 圖3.5.7 報警四、心得體會及建議通過三周的努力，我成功的完成了此次設(shè)計，在設(shè)計的過程中我們學(xué)會了很多知識的同時也鍛煉了自己的各方面能力。在設(shè)計的初期我也遇到了很多的困難，但通過自己的努力和老師的指導(dǎo)克服了種種困難。雖然此次設(shè)計比較成功，完成了設(shè)計的基本要求，但是電路還存在著很多不足之處，希望在今后我還能將其完善。本次設(shè)計是第一次接觸模擬電子的設(shè)計，在設(shè)計電路時比較順利，是由于在模擬電子技術(shù)課上學(xué)的理論比較扎實，但明顯感覺在電路模擬過程中極其不順利。主要遇到了以下四個問題(已解決)，一個疑惑(未解決)：1、四個問題： （1） 忽略了運算放大器的輸出最值。左圖電路輸入電壓過大，輸出最大值只能是10V,右圖輸入電壓合適，能正常放大。 圖4.1.1 圖4.1.2（2） 較放大器輸出一般采用OC輸出，本設(shè)計采LM311正是采用的這種輸出方式。左圖沒有上拉電阻，故不論輸入電壓，輸出始終趣近于0V,右圖電路引入了上拉電阻，可以輸出高低電平0或12V。 圖4.1.3 圖4.1.4（3） Z型繼電器始終不會控制，最后只能采用兩個繼電器狀態(tài)相反的繼電器代替。第一個電路圖：雖然輸出了高電平，但報警（綠）燈不亮，不論如何調(diào)整，始終無法解決。第二個電路圖：采用兩個繼電器代替Z型繼電器的功能，達到控制效果。 圖4.1.5 圖4.1.6（4） 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值和外電路有關(guān)，如果和它并聯(lián)的支路電阻太小起不到穩(wěn)壓的效果。說明： 左邊電路圖由于支路電阻太小，不能正常穩(wěn)壓；右邊電路圖支路電阻趨緊無窮，故能正常穩(wěn)壓圖4.1.7 圖4.1.82、一個疑惑：（5） 雖然電路實現(xiàn)了功能，但D2穩(wěn)壓