水溫控制系統(tǒng) 電子技術(shù)課程設(shè)計

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計課 程 電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 自動化 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 2013 年 7月 5日東北石油大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程 電 子 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計 題目 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè) 自動化 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容：根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和已知條件，選擇合適的溫度傳感器、選擇合適的繼電器或晶閘管。完成對水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計、裝配與調(diào)試。基本要求： 設(shè)計制作可以測量和控制溫度的溫度控制器測量和控制溫度范圍：580，控制精度：±1，控制對象：雙向晶閘管或繼電器，晶閘管或繼電器觸點連接：一組轉(zhuǎn)換接點（市電22

2、0V/50Hz/2A）。 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計報告書。主要參考資料：1 吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社M.清華大學(xué)出版社.2009年05 月2 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編J.北京理工大學(xué)出版社.2004年01月3 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)M.北京:高等教育出版社.19954 華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組 電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社.2005年07月5 吳慎山.電子線路設(shè)計與實踐高等

3、學(xué)校電子信息類教材J.電子工業(yè)出版社.2005年09月6 黃錦安, 付文紅, 蔡小玲編-電路與模擬電子技術(shù)M.高等教育出版社.1997.完成期限 2013.7.1-2013.7.5 指導(dǎo)教師 姜建國 許愛華 專業(yè)負(fù)責(zé)人 徐建軍 2013年 7月5 日目 錄1 任務(wù)和要求32 總體方案設(shè)計與選擇32.1 設(shè)計原理及方法32.2 單元模塊設(shè)計42.2.1 電源模塊43.2.2 溫度傳感器模塊43.2.3 放大器模塊53.2.4 比較器模塊73.2.5 繼電器模塊83.2.6 加熱模塊93.2.7溫度過低報警模塊102.3電路的安裝與調(diào)試103.3.1 電路的安裝103.2.2 電路的調(diào)試113 電

4、路的仿真124 設(shè)計總結(jié)12參考文獻14附 錄 元件清單1附 錄 整體電路圖21 任務(wù)和要求 (1)任務(wù)：設(shè)計一種可實現(xiàn)測溫和控溫的電路 (2)水溫控制系統(tǒng)性能要求Ø 工作溫度范圍：室溫100。Ø 控溫精度 ：±1 oC。Ø 控溫通道輸出為雙向晶閘管或繼電器，一組轉(zhuǎn)換觸點為市電（220V，10A）。2 總體方案設(shè)計與選擇2.1 設(shè)計原理及方法根據(jù)原理方框圖，該設(shè)計問題可分為溫度傳感器模塊，放大器模塊，比較器模塊，繼電器模塊,加熱模塊，溫度過低報警模塊及溫度顯示模塊。由于電路中含有運算放大器，需接入±12V直流穩(wěn)壓電源，所以電源模塊也可算在其中。

5、原理方框圖圖1-12.2 單元模塊設(shè)計2.2.1 電源模塊本設(shè)計的電源電路采用固定集成穩(wěn)壓源電路輸出±12V電壓。穩(wěn)壓源電路如圖2-3-1-1：電源電路圖3-2-1-1這是一個用集成穩(wěn)壓器輸出的穩(wěn)壓源電路，LM7812和LM7912是集成穩(wěn)壓器，分別控制輸出±12V直流電壓。電源接220V交流電后經(jīng)變壓器后變?yōu)?5V左右的交流電，再經(jīng)橋式整流后濾波，此時的電壓不穩(wěn)定，經(jīng)上述集成穩(wěn)壓器后就能得到較穩(wěn)定的電壓。3.2.2 溫度傳感器模塊本設(shè)計選用LM35溫度傳感器連轉(zhuǎn)化溫度。LM35的輸出電壓與攝氏溫度呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式為：Vout=10mV oC T oC 在0時輸出為0V

6、，每升高1輸出電壓增加10mV,LM35的外觀如圖所示 圖3-2-2-1 LM35 圖3-2-2-2常溫下LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達到±1/4的準(zhǔn)確率。此設(shè)計采用單電源供電，在25下的靜默電流約50A，非常省電，并且無散熱問題，精度非常高。并且輸入電壓寬，從4V到30V都可以。所以選擇LM35很合適。3.2.3 放大器模塊放大器和比較器均要用到運算放大器，這里采用LM324集成運放。LM324是4個運算放大器的集成器件，這個設(shè)計中選擇其中的兩個使用。LM324的接線圖如圖3-2-3-1：LM324集成運放LM324N實物圖下面說明放大器的原理：此設(shè)計用正相比例放大器，使輸出時

7、正電壓，考慮到控制的溫度是室溫到80 oC，所以取放大器的放大倍數(shù)為10倍（即溫度縮小10倍）比較合適。正相比例放大器的原理圖如圖3-2-3-3：正向比例放大器原理圖圖3-2-3-3由運放的“虛短”“虛斷”的性質(zhì)有這里取R1=10K，則R2=90 K，因為電源電壓為12V，保持10倍放大，則設(shè)定的電壓值與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系就為10 倍，比較容易控制和調(diào)節(jié)。實際中取R=90.9 K。3.2.4 比較器模塊 這里采用簡單的單門限電壓比較器，使用的運算放大器為LM324中的一個。電路圖如圖3-2-4-1：單門限電壓比較器圖3-2-4-1中1接放大器的輸出電壓作為比較器的輸入電壓，3接輸出電壓。此時放大器

8、工作在非線性狀態(tài)，輸出電壓只有正或負(fù)兩種飽和值。這種情況下運算放大器的輸入端“虛短”不再適用。當(dāng)VP>VN時，=12V，當(dāng)VP<VN時，=-12V。這種情況下，運算放大器的“虛短”仍然可用，則有 Vi=VNVP=V4=V11所以可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來控制的值。圖中增加R=5 K的電阻，是為了控制V11的最大值不超過8V，即設(shè)定的溫度值不超過80 oC。當(dāng)滑動變阻器的接入電阻為0時， 取R3=10K，R9=5 K 即可達到要求。3.2.5 繼電器模塊 繼電器是可以高溫控制低溫的器件，其內(nèi)部構(gòu)造及工作原理如圖3-2-5-1： 繼電器原理及實物當(dāng)?shù)蛪弘娫炊碎_關(guān)接通后電磁鐵由于電流產(chǎn)生磁

9、性，吸住磁鐵使高壓電源的開關(guān)接通，實現(xiàn)了低壓控制高壓。下面要解決的問題就是怎樣在電路中實現(xiàn)低壓電源端的開關(guān)自動打開和閉合。考慮到比較器的輸出電壓為正或負(fù)的12V，就可想到二極管的單向?qū)щ娦浴Ｒ虼丝梢杂枚O管來代替自動開關(guān)的作用。使用發(fā)光二極管能夠看到電路的通斷。繼電器模塊的電路圖如圖3-2-5-2：繼電器模塊電路圖圖3-2-5-2圖中Port端接比較器模塊的輸出電壓作為此電路的輸入電壓，當(dāng)輸入電壓為+12V時，發(fā)光二極管導(dǎo)通，當(dāng)輸入電壓為-12V時，發(fā)光二極管截止。接入三極管的目的是放大電流信號，使繼電器能正常工作。由于發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流與三極管的基極電流不匹配（發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流大一些）

10、，故需要在發(fā)光二極管的負(fù)極接一個電阻，與基極電阻并聯(lián)，這樣流入基極的電流就變小，使三極管能正常工作。一般取R=10K，實際的發(fā)光二極管正向?qū)〞r有2V的壓降，所以發(fā)光二極管正向?qū)〞r負(fù)極的電位約為10V，流過的電流約為6mA。三極管的基極電流為A量級，所以與基極并聯(lián)電阻R=2 K即可。繼電器選取的是額定電壓為12V的常開型型號。即在無電流通過繼電器時，繼電器高壓端開關(guān)打開，加熱電路不工作，當(dāng)有一定的電流通過時，繼電器產(chǎn)生磁性使高壓端開關(guān)閉合。普通二極管的作用是保護繼電器不因電流反流時燒壞。3.2.6 加熱模塊加熱電阻是很簡單的加熱器串聯(lián)電路，加熱電路中串聯(lián)保險絲防止電流過大產(chǎn)生危險。電路圖如圖

11、3-2-6-1：加熱模塊電路圖圖3-2-6-1 Port端接220V市電即可。繼電器電路自動控制開關(guān)的閉合。3.2.7溫度過低報警模塊將比較器輸出的信號直接加到9013的基極,構(gòu)成一個高通飽和開關(guān)電路.當(dāng)水溫低于設(shè)定的電壓值時,比較器輸出12V的電壓,此時開關(guān)電路導(dǎo)通,蜂鳴器發(fā)出聲響. 溫度過低警報模塊2.3電路的安裝與調(diào)試3.3.1 電路的安裝由于電路中用到了集成塊，所以電路的焊接時空間不是很大，要注意布線的規(guī)則。LM35焊接時，最好用三根導(dǎo)線接出(也可以直接用杜邦線連接)，這是因為LM35是要與加熱電路中的電熱絲放在一起。LM324中要用到其中的兩個運算放大器，最好選用接頭為5/6/7和8

12、/9/10的兩個運放。在兩邊分別安裝比例運放的電阻和比較器的電阻。繼電器的開關(guān)端也要用導(dǎo)線引出接電熱絲。最后將所有的+12V端，GND端，端分別連在一個節(jié)點并用導(dǎo)線引出接電源。電路焊接時，注意LM35，LM324，三極管的管腳，發(fā)光二級管和普通二極管的極性。3.2.2 電路的調(diào)試 電路焊好后，接通穩(wěn)壓電源（先不要接通發(fā)熱電路得電源，注意安全）。用萬用表測量LM35輸出端的電位，設(shè)為V1，則有用萬用表測量比較器正向輸入端的電壓，現(xiàn)在的室溫在15 oC左右，調(diào)節(jié)滑動變阻器，當(dāng)比較器的v為1.5V以上時，就能觀察到很容易就能觀察到發(fā)光二極管燈亮，這時用萬用表測繼電器的開關(guān)的兩端電阻，發(fā)現(xiàn)接近0，表明

13、此時開關(guān)閉合（若接通加熱電路，則加熱電路工作）；加熱溫度傳感器，很快就可以觀察到二極管熄滅，并能聽到開關(guān)動作的聲音，再測繼電器開關(guān)端電阻，應(yīng)是無窮大，表明開關(guān)斷開（若接通加熱電路，則加熱電路不工作）。3 電路的仿真 圖4-1 4 設(shè)計總結(jié)此次課程設(shè)計考查了我們的設(shè)計電路的能力和動手能力。從中我學(xué)到了很多東西。設(shè)計上的電路在實際中運用可能不是像仿真那樣理想，由于購買元件的誤差及元件的大小在實際中比沒有很好的匹配，所以按照設(shè)計的電路焊出來的實物在調(diào)試過程中遇到了一些問題，但我都一步一步地解決了。由于是第一次課程設(shè)計，所以花的時間很多。通過這次課程設(shè)計，我學(xué)會了如何使用仿真軟件Protel和Mult

14、isim，進一步鞏固了電路的焊接能力。最重要的是通過這次課程設(shè)計我深深體會到能把所學(xué)的知識運用到實踐中才是真正掌握。這次的課程設(shè)計時間有些倉促，我們剛學(xué)完模電的相關(guān)知識就運用到電路中，剛開始覺得很難，相關(guān)的知識掌握得不到位，但隨著設(shè)計的深入，發(fā)現(xiàn)所學(xué)的知識在我設(shè)計的電路中得到了很好的運用，在課程設(shè)計的同時，鞏固和掌握了現(xiàn)學(xué)的知識，這才是設(shè)計的目的。特別是在電路調(diào)試成功的那一刻，出現(xiàn)了我所預(yù)料的現(xiàn)象，著實讓我高興了一番，自己所設(shè)計的東西沒有白費，并且從中獲得了知識，是一件很開心的事。這只是一次簡單的課程設(shè)計，只是一個開始，設(shè)計的東西在實際中的運用還尚欠缺，但從中我學(xué)到了遇到困難要解決，不能浮躁，

15、要靜心，耐心，細(xì)心的做事，堅持下去，總能看到成功的曙光的。另外實驗中也有一些尚未解決的問題,比如LM324作為比較器用的時候輸出的最大電壓達不到電源電壓,導(dǎo)致蜂鳴器不停地響,達不到報警的作用.總之，通過這次課程設(shè)計，不僅使我對所學(xué)過的知識有了一個新的認(rèn)識。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性以及動手操作能力。使我的綜合能力有了一個很大的提高。參考文獻1 吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社M.清華大學(xué)出版社.2009年05 月2 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編J.北京理工大學(xué)出版社.2004年01月3 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)M.北京:高等教育出版社

16、.19954 華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組 電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社.2005年07月5 吳慎山.電子線路設(shè)計與實踐高等學(xué)校電子信息類教材J.電子工業(yè)出版社.2005年09月6 黃錦安, 付文紅, 蔡小玲編-電路與模擬電子技術(shù)M.高等教育出版社.1997.附 錄 元件清單名稱序號型號數(shù)量電阻R1R2R3R4R5R6R710K90K10K10K3.9K10K3.9K1111111電位器Rw10K1發(fā)光二極管D1LED(綠)1三極管Q1S80502溫度傳感器U1LM351繼電器K1AC250DC302集成運算放大器ARLM3241二極管D1N40011電熱絲R300W1保險絲FFUSE1蜂鳴器Beep1 附 錄 整體電路圖東北石油大學(xué)課程設(shè)計成績評價表課程名稱電 子