水温控制与检测课程设计

西安电子科技大学《模拟电子技术》课程设计题目水温控制与检测学生姓名专业班级11级通信工程二班学号2011院（系）信息工程学院指导教师完成时间2013-5-30目录绪论........................................................................................41课程设计的目的...........................................................................42课程设计的任务与要求...............................................................62.1设计任务.............................................................................62.2设计要求.....................................................错误!未定义书签。3设计方案与论证...........................................................................63.1方案选择与论证............................................................................63.2水温控制器的原理方框图.........................................................74设计原理与功能说明...................................................................84.1元器件选用原理............................................................................84.2总体电路图.........................................................错误!未定义书签。5单元电路设计.......................................................错误!未定义书签。5.1信号处理单元....................................................错误!未定义书签。5.2温度显示单元....................................................错误!未定义书签。5.3控制单元..............................................................错误!未定义书签。6电烙铁的使用.............................................................................147总结...............................................................................................15参考文献.....................................................................错误!未定义书签。附录一：总体电路原理图.........................................错误!未定义书签。附录二：元器件清单.......................................................................19绪论在钢铁、机械、石油化工、电力、等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一;随着科学技术和生产发展,需要对各种参数进行测量,温度是工业对象中主要的被控参数之一.在冶金工业,化工生产,电力工程,机械制造和食品加工等许多领域中,人们都需要对各种环境中的温度进行检测和控制,温度控制对于大型工业和日常生活用品等工程都具有广阔的应用前景.例如冶金工业中的炼钢炉温度控制、化工生产中的培养皿温度控制、食品加工车间的温度控制等。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。温度测量与控制系统是自动控制技术、计算机技术、电子技术和通信技术的有机结合，综合发展的产物。其内容十分的丰富，它包括各种数据的采集和处理系统、自动测量系统、生产过程自动控制系统等，广泛应用于工厂自动化、商业自动化、实验室自动化等人类活动的各个领域。随着工业的发展，对温度控制提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。温度控制是一种具有纯滞后的系统，加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，目前的温度控制系统大多建立在一定的数学模型基础上，对被控对象中的非线性、时变性及随机干扰无能为力，因此，提高系统的抗干扰能力成为关键性的技术。首先，控温精度要高。其次，当环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。最后，由于生产中的实际情况，控制设备要求操作方便，易于维护，成本较低等等。常用的温度控制方法有:电接点温度表温度控制、位式温度显示调节仪温度控制、PID连续电流输出温度显示调节仪表温度控制、PID连续电压输出温度显示调节仪表温度控制。这些温度控制方法大都是在工业生产现场安装温度控制仪表，通过提前设定温度控制的上下限值或PID控制参数，然后再将控制仪表投入使用，进行各种预定的控制。但若被控对象发生变化，难于实时的调整控制参数，不能满足实时控制的要求，而且温度变化曲线的一一记录不易实现。总之，我国的电温度的控制设备的现状不容乐观，主要有以下特点:小部分比较先进的设备和大部分比较落后的设备并存。由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了少量的比较先进的控制设备，但是，整体上，我国的温度控制系统比国外发达国家要落后，占主导地位的是模拟仪表控制，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确。控制精度依赖于试验者的调节，控制精度不高，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。操作不方便，控制数据无法保存。因而，对生产工艺的研究很困难，因此造成产品质量低、废品率高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低、这些都缩减了企业的效益。由于微机控制系统性能的优越性，市场的需求量很大。控制系统对微机的性能需求不是很高，同时由于计算机CPU及外围功能卡的不断升级和价格的不断下降，使得用高档微机进行控制的成本大为降低，而且也使得大批PC机闲置不用。因此，用高档微机甚至闲置不用的PC机构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，中小型的控制系统很少见。这方面的缺口较大，市场前景看好。本设计以温度控制为研究对象，针对环境温度，在比较、研究不同控制策略的基础上，根据实际情况通过模拟电路实现温度控制。本文主要做了以下几个方面工作：(l)论述了温度控制系统的课题目的、意义，当前计算机测控系统的发展动态及本论文的主要内容并对温度控制特点进行了简要分析。(2)介绍温度测量过程相关知识。(3)介绍温度比较控制过程相关知识。(4)设计温度控制的实际电路。(5)对结果进行系统分析与总结1课程设计的目的通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《模拟电子技术》中所学的理论知识和实验技能，掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。1、学习基于LM35控制水温的设计方法；2、研究基于LM35控制水温的设计方案；3、掌握三极管管脚极性的判断方法；4、熟悉电烙铁的使用方法。2课程设计的任务与要求（1）设计一个水温控制器（2）能对水温进行测量并指示读数（3）能对水温进行控制，控制范围为0~100℃3设计方案与论证3.1方案选择与论证根据设计要求，有以下3种方案：方案一：采用温度传感器对温度进行采集，采集的电压经过放大电路将信号放大，然后经过3.5位A/D转换器转换成数字信号，在进行模拟/数字信号转换的同时,还可直接驱动LED显示器,将温度显示出来。方案二：用LM35温度传感器、放大电路、指示器、比较器、发热元件、控制温度设置等元器件组成的单电源温度控制检测电路。根据电路的简易性与可实行性(比如电路线路多而繁杂，MC14433等芯片在元件库中缺少等)，选用方案二。3.2水温控制器的原理方框图图3-1水温控制器组成原理图水温控制器的组成原理框图如图3-1所示。本电路由温度传感器、放大电路、指示器、比较器、发热元件、控制温度设置等部分组成。温度传感器的作用是把温度信号转化为电压信号输出，经放大电路放大，送往电压表构成的指示器进行温度指示。同时，由温度传感器输出的电压信号送往比较器，与设置的温度进行比较，控制发热元件的工作，从而控制水温，使其保持在某一范围。温度传感器控制温度设置比较器发热元件放大电路指示器被控对象4设计原理与功能说明4.1元器件选用原理（一）温度传感器简介LM35是电压输出型集成温度传感器，其特点如下：（1）可直接校正摄氏温度。（2）线性温度系数：+10mV/℃。（3）温度范围：-50~+150℃。（4）非线性度低于±1/4℃。（5）输出抗阻（在1mA负载时）：0.1Ω。（6）工作电压范围：4~30V。（7）成本低。LM35传感器采用了TO-46和TO-92封装，其等效电路及封装形式如下图4-1所示。LM35的最大额度参数范围：电源电压为+35~-0.2V；输出电压为+6~-1.0V；输出电流为10mA；存放温度对于TO-46封装为-60~+180℃，TO-92封装为-60~+150℃；工作范围对于LM35和LM35A为-50~+150℃，LM35和LM35A为-40~+110℃，LM35为0~+100℃。图4-1LM35的等效电路图及封装形式（a）为LM35内部电路；（b）LM35的封装形式（二）LM35的基本应用电路图4-2为LM35的基本应用电路。图4-2（a）为采用LM35构成的单电源温度传感器电路，其中Uo为相应温度的输出电压。图4-2（b）为采用LM35构成+2~+150℃温度传感器电路。图4-2（c）是采用LM35构成的满程摄氏温度计，输出Uo=+1500mV，相当于+150℃；Uo=+250mV，相当于+25℃；Uo=-550mV，相当于-55℃。图4-2LM35的基本应用电路（a）单电源温度传感器；（b）+2~+150℃传感器；（c）满程摄氏温度计（三）放大电路由于LM35输出的电压信号较小，须经运算放大器放大后才能推动电压表进行温度指示。如图4-3所示，0~100℃相应输出电压为0~10V。（四）比较器图4-4中，UREF控制温度设定（对应控制温度），Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定控温精度。图4-3运算放大器图4-4电压比较器（五）三极管管脚的判定B代表基极，c代表集电极，E代表发射极。1．基极的判定将数字表的一支表笔接在晶体三极管的假定基极上，另一只表笔分别接触另外两个电极，如果两次测量在液晶屏上显示的数字均为0．1V～0．7V，则说明晶体三极管的两个PN结处于正向导通，此时假定的基极即为晶体三极管的基极，另外两电极分别为集电极和发射极；如果只有一次显示0．1V～0．7V或一次都没有显示，则应从重新假定基极再次测量，直到测出基极为止。2．三极管类型、材料的判定基极确定后，红笔接基极的为NPN型三极管，黑笔接基极的为PNP型三极管；PN结正向导通时的结压降在0．1V～0．3V的为锗材料三极管，