水溫控制系統(tǒng)設(shè)計電子技術(shù)課程設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計</p><p>　　2013 年 7月 5日</p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　課程 電 子 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計 </p><p>　　題目

2、 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　專業(yè) 自動化 姓名 學號 </p><p><b>　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　根據(jù)技術(shù)指標和已知

3、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。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　?、?設(shè)計制作可以測量和控制溫度的溫度控制器</p><p>　　測量和控制溫度范圍：5～80℃，</p><p><b>　　控制精度：±1

4、℃，</b></p><p>　　控制對象：雙向晶閘管或繼電器，</p><p>　　晶閘管或繼電器觸點連接：一組轉(zhuǎn)換接點（市電220V/50Hz/2A）。</p><p>　?、?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）</p>

5、<p>　?、?安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計報告書。</p><p><b>　　主要參考資料：</b></p><p>　　[1] 吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學出版社[M].清華大學出版社.2009年05 月</p><p>　　[2] 全國大學生電子設(shè)計競賽組委會. 全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編[J].北京理

6、工大學出版社.2004年01月</p><p>　　[3] 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社.1995</p><p>　　[4] 華中科技大學電子技術(shù)課程組 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社.2005年07月</p><p>　　[5] 吳慎山.電子線路設(shè)計與實踐——高等學校電子信息類教材[J].電子工業(yè)出版社.2005年09月</p&g

7、t;<p>　　[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.</p><p>　　2013年 7月5 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 任務(wù)和要求3</p><p>　　2 總體方案設(shè)計與選擇3</p>

8、<p>　　2.1 設(shè)計原理及方法3</p><p>　　2.2 單元模塊設(shè)計4</p><p>　　2.2.1 電源模塊4</p><p>　　3.2.2 溫度傳感器模塊4</p><p>　　3.2.3 放大器模塊5</p><p>　　3.2.4 比較器模塊7</p>&

9、lt;p>　　3.2.5 繼電器模塊8</p><p>　　3.2.6 加熱模塊9</p><p>　　3.2.7溫度過低報警模塊10</p><p>　　2.3電路的安裝與調(diào)試10</p><p>　　3.3.1 電路的安裝10</p><p>　　3.2.2 電路的調(diào)試11</p&

10、gt;<p>　　3 電路的仿真12</p><p><b>　　4 設(shè)計總結(jié)12</b></p><p><b>　　參考文獻14</b></p><p>　　附 錄 Ⅰ 元件清單1</p><p>　　附 錄 Ⅱ 整體電路圖2</p><p>

11、<b>　　1 任務(wù)和要求</b></p><p>　　(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</p><p>　　工作溫度范圍：室溫~100℃。</p><p>　　控溫精度 ：±1 oC。</p><p>　　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（2

12、20V，10A）。</p><p>　　2 總體方案設(shè)計與選擇</p><p>　　2.1 設(shè)計原理及方法</p><p>　　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。</p>

13、<p><b>　　原理方框圖</b></p><p>　　2.2 單元模塊設(shè)計</p><p>　　2.2.1 電源模塊</p><p>　　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：</p><p><b>　　電源電路</b>&

14、lt;/p><p><b>　　圖3-2-1-1</b></p><p>　　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。</p><p>　

15、　3.2.2 溫度傳感器模塊</p><p>　　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：</p><p>　　Vout=10mV oC T oC</p><p>　　在0℃時輸出為0V，每升高1℃輸出電壓增加10mV,LM35的外觀如圖所示</p><p><b>　　圖3-2-

16、2-1</b></p><p><b>　　LM35</b></p><p><b>　　圖3-2-2-2</b></p><p>　　常溫下LM35不需要額外的校準處理即可達到±1/4℃的準確率。此設(shè)計采用單電源供電，在25℃下的靜默電流約50μA，非常省電，并且無散熱問題，精度非常高。并且輸入電壓

17、寬，從4V到30V都可以。所以選擇LM35很合適。</p><p>　　3.2.3 放大器模塊</p><p>　　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：</p><p><b>　　LM324集成運放</b><

18、;/p><p><b>　　LM324N實物圖</b></p><p>　　下面說明放大器的原理：</p><p>　　此設(shè)計用正相比例放大器，使輸出時正電壓，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：</p><p>　　正向比

19、例放大器原理圖</p><p><b>　　圖3-2-3-3</b></p><p>　　由運放的“虛短”“虛斷”的性質(zhì)有</p><p>　　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。</p><p&

20、gt;　　3.2.4 比較器模塊 </p><p>　　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：</p><p><b>　　單門限電壓比較器</b></p><p>　　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。此時放大器工作在非線性狀態(tài)，輸出電壓只有正

21、或負兩種飽和值。這種情況下運算放大器的輸入端“虛短”不再適用。當VP>VN時，=12V，當VP<VN時，=-12V。這種情況下，運算放大器的“虛短”仍然可用，則有</p><p><b>　　Vi=VN</b></p><p><b>　　VP=V4=V11</b></p><p>　　所以可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻

22、器來控制的值。</p><p>　　圖中增加R=5 KΩ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。當滑動變阻器的接入電阻為0時，</p><p>　　取R3=10KΩ，R9=5 KΩ 即可達到要求。</p><p>　　3.2.5 繼電器模塊</p><p>　　繼電器是可以高溫控制低溫的器件，其內(nèi)部構(gòu)造及

23、工作原理如圖3-2-5-1：</p><p><b>　　繼電器原理及實物</b></p><p>　　當?shù)蛪弘娫炊碎_關(guān)接通后電磁鐵由于電流產(chǎn)生磁性，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。</p><p>　　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?？紤]到比較器的輸出電壓為正或負的12V，就可想到二極管的

24、單向?qū)щ娦?。因此可以用二極管來代替自動開關(guān)的作用。使用發(fā)光二極管能夠看到電路的通斷。</p><p>　　繼電器模塊的電路圖如圖3-2-5-2：</p><p><b>　　繼電器模塊電路圖</b></p><p><b>　　圖3-2-5-2</b></p><p>　　圖中Port端接比較器模塊

25、的輸出電壓作為此電路的輸入電壓，當輸入電壓為+12V時，發(fā)光二極管導通，當輸入電壓為-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)光二極管的導通電流與三極管的基極電流不匹配（發(fā)光二極管的導通電流大一些），故需要在發(fā)光二極管的負極接一個電阻，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。</p><p>　　一般取R=10KΩ，實際的發(fā)光二極管正向?qū)〞r有2V

26、的壓降，所以發(fā)光二極管正向?qū)〞r負極的電位約為10V，流過的電流約為6mA。三極管的基極電流為μA量級，所以與基極并聯(lián)電阻R=2 KΩ即可。</p><p>　　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。</p><p>　　普通二極管的作用是保護繼電器不因電流反流時燒壞。

27、</p><p>　　3.2.6 加熱模塊</p><p>　　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3-2-6-1：</p><p><b>　　加熱模塊電路圖</b></p><p><b>　　圖3-2-6-1</b></p>

28、<p>　　Port端接220V市電即可。繼電器電路自動控制開關(guān)的閉合。</p><p>　　3.2.7溫度過低報警模塊</p><p>　　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)電路導通,蜂鳴器發(fā)出聲響.</p><p><b>　　溫度過低警報模塊<

29、/b></p><p>　　2.3電路的安裝與調(diào)試</p><p>　　3.3.1 電路的安裝</p><p>　　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。</p><p>　　LM35焊接時，最好用三根導線接出(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

30、要用到其中的兩個運算放大器，最好選用接頭為5/6/7和8/9/10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)點并用導線引出接電源。</p><p>　　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。</p><p>　　3.2.2 電路的調(diào)試</p

31、><p>　　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</p><p>　　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，表明此時開關(guān)閉合（若接通加熱電路，則加熱電路工

32、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）。</p><p><b>　　3 電路的仿真 </b></p><p><b>　　圖4-1</b></p><p><b>　　4 設(shè)計總結(jié)</b&

33、gt;</p><p>　　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。</p><p>　　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，我學會了如何使用仿真軟件P

34、rotel和Multisim，進一步鞏固了電路的焊接能力。</p><p>　　最重要的是通過這次課程設(shè)計我深深體會到能把所學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)學的知識，這才是設(shè)計的目的。</p>

35、<p>　　特別是在電路調(diào)試成功的那一刻，出現(xiàn)了我所預料的現(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。</p><p>　　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，但從中我學到了遇到困難要解決，不能浮躁，要靜心，耐心，細心的做事，堅持下去，總能看到成功的曙光的。</p><p>　　另外實驗中也有一些

36、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,導致蜂鳴器不停地響,達不到報警的作用.</p><p>　　總之，通過這次課程設(shè)計，不僅使我對所學過的知識有了一個新的認識。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。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><

37、p>　　[1] 吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學出版社[M].清華大學出版社.2009年05 月</p><p>　　[2] 全國大學生電子設(shè)計競賽組委會. 全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編[J].北京理工大學出版社.2004年01月</p><p>　　[3] 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社.1995</p><p>　　[4]

38、華中科技大學電子技術(shù)課程組 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社.2005年07月</p><p>　　[5] 吳慎山.電子線路設(shè)計與實踐——高等學校電子信息類教材[J].電子工業(yè)出版社.2005年09月</p><p>　　[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.</p><p>　　附 錄 Ⅰ 元件清單<