音頻鎖相環(huán)精密溫度控都制計電路設計說明7477339

1、黃河科技學院畢業(yè)設計說明書 第 25 頁音頻鎖相環(huán)精密溫度控制計電路1 緒 論在工業(yè)生產(chǎn)中溫度、壓力，流量是四種最常見的過程變量。其中溫度是一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制不準確就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量等一系列問題。任何物理變化和化學反應過程都與溫度密切相關，因此實現(xiàn)對溫度的控制是生產(chǎn)自動化的重要任務。隨著社會工業(yè)化程度的提高，溫度這個和我們每個人生活息息相關的詞匯在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著越來越大的作用，各種工礦企業(yè)，科研機構，都要用到溫度控制。例如：煙花爆竹工廠的倉庫必須對溫度的上限有嚴格的控制，煉鋼廠的

2、鍋爐溫度等等，都需要對溫度的變化進行嚴密的監(jiān)測和控制。常見的溫度控制系統(tǒng)，是先利用溫度敏感元件，如熱敏電阻，將溫度的變化轉(zhuǎn)換為熱敏電阻本身阻抗的變化，繼而引起其兩端電壓的變化，實現(xiàn)控制功能，雖其實現(xiàn)容易，但可靠性低，抗干擾能力差。本篇力求解決這一問題，設計思路是將溫度變化轉(zhuǎn)換為頻率變化加以控制，其具體原理是先借助溫度傳感器-熱敏電阻和ne555集成芯片組成多諧振蕩器，即可把溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幤鬏敵鲂盘栴l率的變化，隨著溫度的漸漸升高，信號頻率也隨之慢慢改變，當達到設定溫度時，頻率也將確定。多諧振蕩器后接由lm567音頻譯碼芯片組成的鎖相環(huán)路，在溫度設定范圍內(nèi)，信號頻率與鎖相環(huán)路自身的振蕩頻率不

3、一致，該電路輸出為高電平，后續(xù)控制電路不動作，指示電路只顯示綠燈，表明目前溫度正常；但當溫度達到控制點，信號頻率就會與鎖相環(huán)路的振蕩頻率相一致，該電路將輸出低電平，從而啟動后接控制器，接通報警電路，同時指示電路將點亮紅燈給予人們提醒。該電路設計簡單，實現(xiàn)容易，可靠性好，實用價值高。在下面的章節(jié)里我們將具體分體其工作原理。2 溫度控制系統(tǒng)簡介在電子電路控制系統(tǒng)中，要實現(xiàn)溫度的控制，首先要把溫度的變化量轉(zhuǎn)換為電量變化，才能加以分析處理和加以控制。本篇也不例外，取用的溫度敏感元件是具有靈敏度高，體積小，熱慣性小的熱敏電阻，它能把溫度的變化反映為其本身阻值的變化，從而就能引起電量的變化。由于我們要處理

4、的電量為信號頻率，那么我們就需要一個波形產(chǎn)生電路-多諧振蕩器，它的振蕩頻率由其外接電阻和電容控制，其兩個中任何一個元件參量的變化都將引起振蕩器輸出信號頻率的改變，因此我們可以用熱敏電阻代替振蕩器的外接電阻，從而就能將溫度的變化轉(zhuǎn)為頻率的變化。要實現(xiàn)對溫度的控制，必然要有控制條件，本篇的控制條件則是對溫度下限的控制，即當溫度下降到某一設定值時，電路加以動作，此時的溫度是確定值，那么熱敏電阻阻值也是確定的，則振蕩器輸出頻率也就確定了，顯然我們現(xiàn)在要做的將是在信號達到這一頻率時，電路采取措施。由此，我們就需要一個頻率比較電路-譯碼電路，先將該譯碼電路的自身頻率即參考頻率加以設定，當控制信號頻率與參考

5、頻率不同時，譯碼電路輸出高電平；當控制信號頻率與參考頻率相同時，譯碼電路輸出低電平。利用輸出的高低電平，將會很容易實現(xiàn)控制和指示，我們的設計思路也將由此展開。下面是溫度控制系統(tǒng)總體框圖，如圖2.1所示:圖2.1 溫度控制系統(tǒng)總體框圖各部分簡介如下：直流電源部分：為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定，可靠的直流電源。它由變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓四個部分組成。溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路：由溫度敏感元件及波形產(chǎn)生電路組成。利用正溫度系數(shù)熱敏電阻的特性-阻值隨著溫度的升高而增大，將溫度的變化轉(zhuǎn)變阻值的變化，阻值的變化引起頻率的變化，從而把溫度的改變轉(zhuǎn)化為信號頻率的改變。譯碼電路：當輸入信號頻率與參考頻率不同時，譯碼電路輸出高電

6、平，當信號頻率與參考頻率相同時，譯碼電路輸出變?yōu)榈碗娖??？刂萍爸甘倦娐罚涸谠试S溫度范圍內(nèi)，電路以綠燈顯示，當超出溫度控制點時，電路以紅燈顯示，同時接通報警電路，給予提示。報警電路：產(chǎn)生音頻信號，驅(qū)動揚聲器，提醒人們溫度已超出設置點。3 電源部分直流電源的組成框圖如圖3.1所示。其中包括四個組成部分。本文電源部分具體電路如圖3.2所示。圖3.1 直流電源的組成框圖 圖3.2 直流電源部分電路圖3.1 電源變壓器城市電網(wǎng)提供的一般為220v(或380v)/50hz的正弦交流電，而本電路系統(tǒng)所需的是8v的直流電，因此要利用變壓器將220v的市電先降至合適的交流電壓，然后再將變換以后的變壓器次級電壓去

7、整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓幅值。3.2 橋式整流橋式整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦缘恼髟O管，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單向的脈動電壓。但是，這種單向電壓往往包含著很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差得很遠。橋式整流電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3 橋式整流原理圖由圖可知，在u2正半周內(nèi)，二極管d1、d3導通，d2、d4截止；u2負半周時，d2、d4導通，d1、d3截止。每兩只二極管串聯(lián)導通正弦電壓的半個周期，而負載電阻在一個周期內(nèi)均有電流通過，故兩只二極管中流過的電流平均值為負載電流的一半，且流過負載電阻rl的電流方向是一致的，因而使輸出電壓的直流成分得到

8、提高，脈動成分得到降低。橋式整流電路的波形如圖3.4所示:圖3.4 橋式整流電路的波形圖橋式整流電路的主要參數(shù)如表3.1所示：表3.1 橋式整流電路的主要參數(shù)（忽略變壓器內(nèi)阻和整流管壓降）主要參數(shù)電路形式uo(av)/ u2sid(av)/ io(av)urm/ u2橋式整流0.9067501.41其中uo(av)為輸出直流電壓平均值，s為脈動系數(shù)(整流輸出電壓的基波峰值與平均值之比)，id(av)為二極管正向平均電流，urm為二極管最大反向峰值電壓。3.3 濾波電路濾波電路由電容、電感等儲能元件組成。它的作用是盡可能地將單向脈動電壓中的交流成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓，顯然，這

9、里需要利用截止頻率低于整流輸出電壓基波頻率的低通濾波電路。這時我們雖然得到了較平滑的直流電，但電壓值還易受電網(wǎng)電壓波動和負載變化的影響，這樣的直流電源是不穩(wěn)定的。如圖2.2電容c1的作用是濾去電路中的低頻成分，c2、c3的作用是用來防止自激振蕩，減小高頻噪聲，改善負載的瞬態(tài)響應。3.4 穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。本篇選用固定正輸出8v的三端集成穩(wěn)壓器w7808，它具有體積小、可靠性高以及溫度特性好等優(yōu)點，而且使用靈活、價格低廉，只有三個引出端子，分別接輸入端、輸出端和公共端，基本上不需外接元件，而且內(nèi)部有限流保護、過熱保護和過壓

10、保護電路，使用更加方便、安全。它的封裝為塑料直插式，如圖3.5所示。 圖3.5 三端集成穩(wěn)壓器的外形、引腳功能及電路符號w7808是一個三端集成穩(wěn)壓器，它的內(nèi)部結構如下圖3.6所示。圖3.6 三端集成穩(wěn)壓壓器的內(nèi)部結構圖由圖可見，電路內(nèi)部實際上包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的各個組成部分，另外加上保護電路和啟動電路。現(xiàn)對各部分的作用扼要介紹一下：調(diào)整管在電網(wǎng)電壓或負載電流波動時，調(diào)整自身的集-射壓降使輸出電壓基本保持不變；放大電路將基準電壓與從輸出端得到的采樣電壓進行比較，然后再放大并送到調(diào)整管的基極，放大倍數(shù)越大，穩(wěn)定性越好；基準電壓的穩(wěn)定性將直接影響穩(wěn)壓電路輸出電壓的穩(wěn)定性；采樣電路由兩個分壓電

11、阻組成，它將輸出電壓變化量的一部分送到放大電路的輸入端；啟動電路的作用是在剛接通直流輸入電壓時，使調(diào)整管、放大電路和基準電源等建立起各自的工作電流，而當穩(wěn)壓電路正常工作時啟動電路被斷開，以免影響穩(wěn)壓電路的性能；保護電路將三種保護電路集成在芯片內(nèi)部，它們是限流保護電路、過熱保護電路和過壓保護電路。w7808的主要性能參數(shù)如表3.2所示。表3.2 w7808的主要參數(shù)表 參數(shù)名稱輸入電壓輸出電壓電 壓調(diào)整率電流調(diào)整率（5maio1.5a）最小壓差輸出噪聲輸出電阻峰值電流符號uiuosusiui-uounr0iom單位vv%/vmvvvma參數(shù)值1480.0145210182.24溫度/頻率轉(zhuǎn)換部分

12、4.1 555集成芯片簡介555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當阻容元件，就可以方便地構成脈沖產(chǎn)生和整形電路，在工業(yè)控制、定時、仿聲、電子樂器用防盜報警等方面應用很廣。它主要由三個5k電阻組成的分壓器、兩個高精度電壓比較器、一個基本rs觸發(fā)器，一個作為放電通路的管子及輸出驅(qū)動電路組成，其結構框圖如圖4.1所示。圖4.1 555集成定時器電路結構圖1、分壓器三個阻值均為5k的電阻串聯(lián)起來構成分壓器（555也因此而得名），為比較器c1和c2提供參考電壓，c1之同相輸入端“+”：=2vcc/3、c2之反相輸入端“-”：=vcc/3。如果在電壓控制端co(5腳)另加控制電壓，則可改變c1

13、、c2的參考電壓。工作中不使用co端時，一般都通過一個0.01f的電容接地，以旁路高頻干擾。2、比較器c1、c2是兩個電壓比較器。比較器有兩個輸入端，分別標有“”號和“-”號，如果用u+和u-表示相應輸入端上所加的電壓，則當u+u-時其輸出為高電平，u+u-時輸出為低電平，兩個輸入端基本上不向外電路索取電流，即輸入電阻趨近于無窮大。3、基本rs觸發(fā)器由兩個與非門組成，它的狀態(tài)由兩個比較器的輸出控制，根據(jù)基本rs觸發(fā)器的工作原理就可以決定觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。是專門設置的可從外部進行置“0”的復位端，當=0時，使q=0、=1。4、晶體管開關和輸出緩沖器晶體管td構成開關，其狀態(tài)受q端控制，當q為“

14、1”時td截止、為“0”時td導通。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器，其作用是提高定時器的帶負載能力和隔離負載對定時器的影響。它的功能如表4.1所示。表4.1 555集成定時器功能表引腳2（）6（th）4（）3（）7（d）電平1低電平接通電平 -4時，f0ft，v8=“1”（代表懸空輸出）；當t = -4時，f0ft，v8=“0”。在進行電路調(diào)試時，先使溫度達到控制點，測出多諧振蕩器輸出信號頻率f0，調(diào)節(jié)rp2使lm567的5腳信號頻率ft=f0，這時8腳應為低電平，在溫度為其它值時，8腳應為高電平，證明電路可以正常工作。6 控制指示及報警電路 控制及指示電路原理如圖6.1所示。圖6.1 lm

15、567的外部控制原理圖由圖6.1可知：當溫度在控制范圍內(nèi)，3腳輸入信號的頻率f0ft，這時8腳內(nèi)接晶體管截止，相當于8腳內(nèi)部斷路，所以繼電器k不動作，常閉觸點所接的綠色發(fā)光二極管導通，說明溫度在正常范圍內(nèi)。當溫度下降到控制點時，3腳輸入信號的頻率f0ft，這時8腳內(nèi)接晶體管導通，繼電器k開始動作，常閉觸點斷開，常開觸點閉合，綠色發(fā)光二極光截止，紅色發(fā)光二極管導通，同時常開觸點接通后面的報警電路，以提示人們溫度超出控制范圍。由于繼電器為感性元件，在斷電的瞬間會產(chǎn)生很大的感應電壓，可能會損壞電路中的其它元件，為此需要在其線圈兩端并接一個二極管加以保護，d1叫做續(xù)流二極管，在繼電器斷電瞬間，線圈兩端

16、產(chǎn)生的感應電壓，與原先所加電源電壓方向相反，它使二極管導通，從而消除了對外電路的影響，起到了抑制瞬時高壓的作用。 前章電路，報警電路原理圖如圖6.2示。 圖6.2 電路原理圖報警電路也是一個多諧振蕩器，它產(chǎn)生的信號頻率在音頻范圍內(nèi)。如圖6.2示，在溫度上升到控制點時，繼電器k將動作，常開觸點閉合，接通本報警電路電源，該電路開始工作，ne555的3腳將輸出音頻矩形波信號，驅(qū)動揚聲器發(fā)音。整rp3可以調(diào)整音頻信號的頻率，以達到自己滿意的音調(diào)效果，音頻信號頻率范圍為20hz20khz。圖中將ne555的4腳復位端接至溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路的輸出端，為的也是能夠改變信號頻率，這樣在設置不同的溫度控制點時，

17、喇叭發(fā)出的音調(diào)效果將會各不相同?？?結在整個電路中所選用的元器件價格低廉，設計簡單，成本較低，有利于推廣，并且電路中部分元器件可自行更換，從而可適用于更多的領域。如熱敏電阻換為氣敏電阻，可對高溫蒸汽或有害氣體進行監(jiān)控，換為光敏電阻可對光強度進行監(jiān)控。電路中采用的ne555集成電路可更換為其它555電路如ha17555等，各電路的引腳基本相同。另外，由于我們所用lm567譯碼芯片有著較寬的頻率范圍，因而對于熱敏電阻的選擇就更為靈活，只要保證其靈敏度、可靠性等一些重要參數(shù)滿足我們的要求，多諧振蕩器產(chǎn)生的信號頻率在lm567鎖相環(huán)捕獲帶寬范圍內(nèi)，就可以進行替換，但需要注意的是，若替換的熱敏電阻阻值偏

18、小，多諧振蕩器頻率將會變高，假若該頻率接近或超過報警器的頻率時，報警器所用555的復位端的信號所起作用將會變的微弱，音調(diào)變化將不會很明顯，且聲音也會變得刺耳，但其并不會影響溫度控制器的正常使用。這些工作不難從本文的原理中獲得，其具體電路有待于進一步研究。致 謝本次關于音頻鎖相環(huán)精密溫度控制計電路的畢業(yè)設計在其他輔導老師的精心指導下才得以順利完成，通過這次畢業(yè)設計使我把大學幾年來所學的理論知識轉(zhuǎn)化為實際應用，提高了自己的思考能力，動手能力，增強了團隊協(xié)作意識，激發(fā)了創(chuàng)新意識。由于我們的知識水平有限，書中一定會有不當與錯誤之處，希望各位給予指正賜教。參考文獻1楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程(第三版).北京：高等教育出版，2006.05：26-