模電課設(shè)-水溫控制.docx

華北科技學(xué)院課程設(shè)計(jì)目錄一、 設(shè)計(jì)要求2二、 課程設(shè)計(jì)的作用、目的.2三、 設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn).23、1系統(tǒng)概述23、2單元電路設(shè)計(jì)、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(jī)構(gòu)14四、 新得體會(huì)及建議.164、1四個(gè)問(wèn)題17（1）問(wèn)題117（2）問(wèn)題218（3）問(wèn)題318（4）問(wèn)題4184、2一個(gè)疑惑19（5）疑惑119五、 附錄.19電子元器明細(xì)表20六、 參考文獻(xiàn).21一、設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)4電壓。2. 當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，指示燈點(diǎn)亮，進(jìn)行報(bào)警提示。3. 總體設(shè)計(jì)畫(huà)出原理框圖。4. 單元電路設(shè)計(jì)。5. 利用仿真軟件進(jìn)行電路仿真，列出元件明細(xì)表。6. 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。二、課程設(shè)計(jì)的作用、目的 模擬電路課程設(shè)計(jì)是電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)通過(guò)該教學(xué)環(huán)節(jié)，要求達(dá)到以下目：1、使學(xué)生進(jìn)一步掌握模擬電子技術(shù)的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力和綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)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(jì)方法，提高電子電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?、熟悉并學(xué)會(huì)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(jì)的具體實(shí)現(xiàn)1、系統(tǒng)概述 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的檢測(cè)及控制，首先需要傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將采集的電信號(hào)進(jìn)行處理使電信號(hào)與溫度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并且由于溫度傳感器采集的信號(hào)為微弱的電信號(hào)，還必須將信號(hào)放大，再與設(shè)定溫度所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)進(jìn)行比較，由比較結(jié)果輸出控制報(bào)警以及加熱電路的工作狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，進(jìn)行加熱；水溫高于設(shè)定溫度則，停止加熱并報(bào)警。制過(guò)程分為以下六個(gè)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(jī)構(gòu)（加熱及報(bào)警）、被控制對(duì)象（不在電路設(shè)計(jì)之列，為了更好的說(shuō)明功能的實(shí)現(xiàn)，故提出）。傳感器把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)或電壓信號(hào)；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(jìn)行比較，由比較器輸出電平的高低變化來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如繼電器）工作，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。原理框圖如下： 圖3.1.1 整體設(shè)計(jì)框圖2、單元電路設(shè)計(jì)、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(dòng)勢(shì)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(shí)，在和兩端即顯出溫差電動(dòng)勢(shì)E,E與T、的關(guān)系 式中，稱(chēng)為塞貝爾克系數(shù)，其值大約為10Uv/,與金屬的種類(lèi)有關(guān); 為常數(shù)。常用之類(lèi)溫度傳感器有熱電偶鉑-鉑銠熱電偶，測(cè)量范圍01600；鎳鉻合金-鎳呂合金熱電偶，測(cè)量范圍為-2001200；銅-康銅熱電偶的測(cè)量范圍-200250，在， 時(shí)，這些熱電偶的電動(dòng)勢(shì)分別為0.6452、 4.095、4.277。熱電偶適合于測(cè)量精度要求不高但測(cè)量范圍較寬、測(cè)量上線較高的場(chǎng)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(cè)溫電阻傳感器。顧名思義，測(cè)溫電阻就是電阻值隨溫度變化而變化，常用的測(cè)溫電阻有兩種，一種是金屬測(cè)溫電阻，一種是半導(dǎo)體測(cè)溫電阻。對(duì)于高精度的場(chǎng)合，使用金屬測(cè)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(cè)溫電阻俗稱(chēng)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(shí)候都用于電路板上的溫度補(bǔ)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(duì)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(cè)溫電阻常用鉑制造，因?yàn)殂K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(shí)的電阻為100，同理型鉑電阻表示1000。市售的鉑電阻測(cè)溫參數(shù)，一般標(biāo)注0時(shí)的測(cè)溫電阻阻值和100時(shí)的電阻值，電阻的測(cè)溫靈敏S可表示為； 使用鉑電阻測(cè)溫，其精度可達(dá)以?xún)?nèi)，此時(shí)對(duì)阻的測(cè)量精度必須保持在萬(wàn)分之幾。顯然，選用金屬測(cè)溫電阻雖然各方面性能較好，但價(jià)格貴，性?xún)r(jià)比不高；選用此類(lèi)元器件優(yōu)價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但由于熱敏電阻的非線性特性會(huì)影響系統(tǒng)的精度。方案三、AD590是美國(guó)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(diǎn)。它的測(cè)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(shí)誤差只有+0.01度,完全實(shí)用本設(shè)計(jì)對(duì)水溫測(cè)量的要求。另外，AD590是溫度電流傳感器，對(duì)于提高系統(tǒng)的抗干擾能力有很大的幫助，因此本設(shè)計(jì)選用AD590作為溫度傳感器。、K-變換AD590溫度傳感器簡(jiǎn)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(dòng)，輸出阻抗高達(dá)10M。器件采用B-1型金屬封裝。其主要特征如下：a、流過(guò)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(cè)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(huì)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(shí)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(guò)精密校正，AD590的接口電路十分簡(jiǎn)單，不需要外圍溫度補(bǔ)償和線性處理電路，便于安裝和調(diào)試。模擬仿真時(shí)，用電流源（）代替溫度傳感器采集的信號(hào)。 由于AD590其輸出電流是以絕對(duì)零度（-273）為基準(zhǔn)，每增加1，它會(huì)增加1uA輸出電流，例如在室溫27時(shí)，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(duì)應(yīng)1 uA，采用分流法來(lái)實(shí)現(xiàn)，將273uA減去即可實(shí)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(jì)算R17取3 較合適。b) R19、R18：要使流過(guò)它的電流（）為273uA，經(jīng)測(cè)試1N753實(shí)際穩(wěn)壓6.126V,經(jīng)計(jì)算R19、R18總阻值可取22.44 ，R19取7.44、R18取15。對(duì)電路圖的補(bǔ)充說(shuō)明：最右端為虛地端。 、放大 s按照集成運(yùn)算放大器的參數(shù)來(lái)分,集成運(yùn)算放大器可分為如下幾類(lèi)。通用型運(yùn)算放大器用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類(lèi)器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。高阻型運(yùn)算放大器類(lèi)集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí),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(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)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(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318、mA715等,其SR=5070V/ms,BWG20MHz。低功耗型運(yùn)算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜 運(yùn)算放大器式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)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(dá)微瓦級(jí),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(yùn)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(yùn)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(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)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(yùn)放的電源電壓可達(dá)150V,mA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。選用放大器的原則是，在滿足條件的前提下，盡量選用價(jià)格低廉的集成運(yùn)放，也就是說(shuō)選擇性?xún)r(jià)比高的器件。本設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)放無(wú)特殊要求，可選擇通用型運(yùn)放即可，查閱資料后，決定選擇LM741，能滿足本設(shè)計(jì)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(jí)放大10倍，電路仿真圖如下： 圖3.3.1 兩級(jí)放大電路 (3.3.1) (3.3.2)運(yùn)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(duì)應(yīng)27V。用電壓表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳入溫度。經(jīng)計(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)將預(yù)設(shè)置溫度與傳感器收集的溫度進(jìn)行比較，輸出值用來(lái)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(jìn)行設(shè)置： 在設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)置電路時(shí)考慮到，設(shè)置的精確性，故采用恒流源，本設(shè)計(jì)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(jì)算確定R11為4。c) 上限為70，則滑動(dòng)變阻器R12阻值應(yīng)為10，對(duì)R13無(wú)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(jià)格低廉的集成運(yùn)放，也就是說(shuō)選擇性?xún)r(jià)比高的器件。本設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)放無(wú)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(jì)。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(bǔ)充說(shuō)明：函數(shù)信號(hào)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(jī)構(gòu) 由比較器直接控制繼電器工作狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：報(bào)警電路、加熱電路（在仿真時(shí)，采用220V、100W白織燈代替）。仿真電路圖如下：輸入高電平，報(bào)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(kāi)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(wú)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(hù)電路。 LED2:為報(bào)警燈工作電流5 。 電阻：電磁繼電器工作時(shí)有一定電阻，R14經(jīng)計(jì)算可選擇1.5。 白織燈：代替電熱絲，選擇220V 100W。 保護(hù)：熔絲保護(hù)U4。總體設(shè)計(jì)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(bào)警狀態(tài)（LED2亮，燈泡不亮）。 圖3.5.7 報(bào)警四、心得體會(huì)及建議通過(guò)三周的努力，我成功的完成了此次設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們學(xué)會(huì)了很多知識(shí)的同時(shí)也鍛煉了自己的各方面能力。在設(shè)計(jì)的初期我也遇到了很多的困難，但通過(guò)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(jì)比較成功，完成了設(shè)計(jì)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(jì)是第一次接觸模擬電子的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)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(shí)，但明顯感覺(jué)在電路模擬過(guò)程中極其不順利。主要遇到了以下四個(gè)問(wèn)題(已解決)，一個(gè)疑惑(未解決)：1、四個(gè)問(wèn)題： （1） 忽略了運(yùn)算放大器的輸出最值。左圖電路輸入電壓過(guò)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(jì)采LM311正是采用的這種輸出方式。左圖沒(méi)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(huì)控制，最后只能采用兩個(gè)繼電器狀態(tài)相反的繼電器代替。第一個(gè)電路圖：雖然輸出了高電平，但報(bào)警（綠）燈不亮，不論如何調(diào)整，始終無(wú)法解決。第二個(gè)電路圖：采用兩個(gè)繼電器代替Z型繼電器的功能，達(dá)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(shuō)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(wú)窮，故能正常穩(wěn)壓圖4.1.7 圖4.1.82、一個(gè)疑惑：（5） 雖然電路實(shí)現(xiàn)了功能，但D2穩(wěn)壓