水温控制电路的设计报告

华北科技学院课程设计1水温控制电路设计报告一设计的具体实现1.1系统概述水温控制器电路的总体框图如图1所示。它由温度传感器、同相比例运算放大电路、比较电路、加热电路，显示电路和电源电路6部分组成。温度传感器同相比例运算放大电路比较电路加热电路显示电路电源电路图1水温控制电路的总体框图本设计要将水温转化成电信号才能控制。所以采用温度传感器来转化,将温度信号转化成电压信号，经同相比例运算放大电路适当放大后与设定的电压比较，设定的电压就代表特定的温度值。当实际温度高于设定温度时，控制电路停止加热，同时显示电路开始工作，进行报警提示；当实际温度低于设定温度时，使电路接通加热。这样就能自动控制温度在某个值或小范围波动。电源电路的功能是为上述所有电路提供电源，包括直流电源和交流电源，设计中唯一用到交流电源的是加热电路，其余部分均为直流电源供电。华北科技学院课程设计2该设计问题可分为温度传感器模块，放大电路模块，比较器模块,继电器、加热模块，显示报警模块以及电源模块。温度传感器模块，主要负责温度信号与电压信号的转化；放大器模块，使输出电压变为原来的十倍；比较器模块，控制温度的预设定电压；继电器、加热模块，当被测温度超过设定温度时，继电器动作，是触点断开停止加热，反之被测温度低于设置温度时，继电器触点闭合，进行加热；显示报警模块，当被测温度超过设定温度时，LED灯和蜂鸣器同时工作，提示报警。1.2单元电路设计、仿真与分析1.2.1温度传感器模块本设计选用LM35温度传感器来转化温度为电信号。LM35是NS公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度线性成比例。其转换公式为：mV/10＝VoutoCToC（式1-1）在0℃时输出为0V，每升高1℃输出电压增加10mV,LM35的外观如图2所示图2LM35外观图3LM35实物图华北科技学院课程设计3常温下LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。此设计采用单电源供电，在25℃下的静默电流约50A，非常省电，并且无散热问题，精度非常高。并且输入电压宽，从4V到30V都可以。所以选择LM35很合适。1.2.2放大器模块放大器和比较器均要用到运算放大器，这里采用LM324集成运放。LM324是4个运算放大器的集成器件，这个设计中选择其中的三个使用。LM324的接线图如图4：图4LM324管脚连接图华北科技学院课程设计4LM324系列器件是带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图所中示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“Vcc”、“VEE”分别为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。下面说明放大器的原理：此设计用正相比例放大器，使输出时正电压，考虑到控制的温度是室温到60oC，所以取放大器的放大倍数为10倍（即温度缩小10倍）比较合适。同相比例放大器的原图如图5：华北科技学院课程设计5图5放大器原理图由运放的“虚短”“虚断”的性质有ioioiivRRuRuuRui）231716NP1(0uu这里取R16=1K，则R17=9K，因为输入电压为8V（电源电压为12V，为保护LM35，设计电路时，我在LM35的电源端串联了个电阻)保持10倍放大，则设定的电压值与温度的转换关系就为10倍，比较容易控制和调节。如图6华北科技学院课程设计6所示：图6放大器输出结果3.2.3比较器模块比较电路也即水温检测和水温范围测量电路。将输入的变化的电压与基准电压（上下限电压）进行比较，通过运放输出高低电平来控制后面的电路。这里分别采用了一般单限比较器和比较稳定，抗干扰性比较强的滞回比较器，使用的运算放大器为LM324中的两个。电路图如图7：华北科技学院课程设计7图7比较电路图7中24接放大器的输出电压作为比较器的输入电压，7和11分别为滞回比较电路和一般单限比较电路的输出端。此时放大器工作在非线性状态，输出电压只有正或负两种饱和值。若集成运放的输出电压ou的幅值为OMu，则当NPuu＞时,OMuu＝＋0；则当NPuu＜时,OMuu＝－0。如图7所示，通过调节R4和滑动变阻器R5的阻值，可以改变29u的大小，即参考电压的大小。参考电压生的功能是设定水温范围的上限值。在电路中，电阻R4，R5构成参考电压电路，滞回比较器构成水温测量范围电路。现在先以滞回比较电路为例进行说明，其电压传输特性如图8所示：华北科技学院课程设计8图8滞回比较器的电压传输特性根据Un=Up：﹚﹢0＋R／(R×＝767291RuUT﹚＋R／(R×﹚﹢＋R／(R×＝7677767292RuRuUT所以﹚＋R／(R×＝－767721RuUUTT，即7u从高电平转化为低电平和从低电平转化为高电平的分界点就有了V﹚＋R／(R×7677Ru的差别。根据以上几个公式我们可以知道，参考电压29u瘦集成运放的正反馈的影响，在仿真时应适当调低的数29u值。接下来我们分析一下另一路电压比较器——一般单限比较电路。我们将信号源接入运算放大器的同相输入端，将比较电压从反向输入端输入。可以运用运算放大器的“虚短”原理，则有295－＝＝uuu248＋＝＝uuu所以可以通过调节滑动变阻器来控制29u的值。华北科技学院课程设计93.2.4继电器、加热模块继电器是可以低压控制高压的器件，其内部构造及工作原理如图9：图9继电器构造及原理图当低压电源端开关接通后电磁铁由于电流产生磁性，吸住磁铁使高压电源的开关接通，实现了低压控制高压。继电器选取的是额定电压为12V的常开型型号。即在无电流通过继电器时，继电器高压端开关打开，加热电路不工作，当有一定的电流通过时，继电器产生磁性使高压端开关闭合。华北科技学院课程设计10普通二极管D5、D6的作用是保护继电器不因电流反流时烧坏。加热模块加热电阻是很简单的加热器串联电路，采用家用220V交流电源直接供电。继电器、加热模块如图10：图10继电器、加热和显示报警模块3.2.5显示报警模块如图10所示在上路电路中，当温度值低于我们设定的值时，三极管导通，继电器开关闭合，红色发光二极管发光，开始加热；而当温度超过我们设定的值时，三极管截止，继电器和发光二极管都停止工作，加热停止。华北科技学院课程设计11相似的，在下路电路中，当温度高于我们设定的值时，三极管导通，继电器开关闭合，橙色发光二极管发光，同时蜂鸣器发声，提醒报警；而当温度低于我们设定的值时，三极管截止，继电器、发光二极管和蜂鸣器都停止工作。3.2.6电路的仿真如图11所示我们把温度定在40℃左右，其对应的输出电压为0.4V，我们可以看到加热模块在工作，加热指示灯发光。图11加热状态如图12所示我们把温度定在63℃左右，其对应的输出电压为0.63V，我们可以看到加热模块已经停止工作，报警电路工作，保温指示灯发光，蜂鸣器工作。华北科技学院课程设计12图12保温状态水温控制器总原理电路图如图13和图14图13水温控制器电路华北科技学院课程设计13图14直流稳压电源电路3.3PCB版电路制作这次使用的软件是Protel99SE软件，Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用。这次我们使用它来进行PCB画板，如图15，是水温控制器电路的原理图：图15原理图华北科技学院课程设计14如图16，是最后生成的PCB图：图16PCB图四课程设计心得此次课程设计考查了我们设计电路的能力和动手绘图的能力。从中我学到了很多东西。通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过的这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图。在仿真和制版过程中，遇到很多问题，是以前我从没有接触过的，比如说在使用Protel99SE软件生成PCB的过程中经常出现“Error:Nodenotfound”的错误提示，后来在我的指导老师——梁秀荣老师的帮助下，终于弄懂，原来是原理图中的元件引脚名与PCB分装里的名称不一样导致的，改正之后软件就再没有报错了。在这里，我要深深的感谢我的指导老师——梁秀荣老师，谢谢您对我的帮助和支持，谢谢您！而且这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，华北科技学院课程设计15才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。还有，在这次课程设计中遇到的一系列问题让我学会了思考，找到了以往学习中的缺陷：不善于发现问题，缺乏解决问题的能力。理论知识的不足在这次学习中表现的很明显。这将有助于我今后的学习，端正自己的态度，从而更加努力的学习，以书本上的知识为主，实践动手能力为辅，实践与理论两手抓。同时我认为我们的实践工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。由于是第一次做课程设计，所以花的时间很多。通过这次课程设计，我学会了如何使用制版软件Protel99SE和仿真软件Multisim。在使用Protel99SE时，我学会了如何自己去画原理图和PCB图的封装，也学会了PCB板的布局原则，虽然运用的还不是很熟练，但我相信，在接下去的学习生活中，我会慢慢将它学懂。最重要的是通过这次课程设计我深深体会到能把所学的知识运用到实践中才是真正掌握。这次的课程设计时间有些仓促，我们刚学完模电的相关知识就运用到电路中，刚开始觉得很难，相关的知识掌握得不到位，但随着设计的深入，发现所学的知识在我设计的电路中得到了很好的运用，在课程设计的同时，巩固和掌握了现学的知识，这才是设计的目的。最后我要感谢我们的梁秀荣老师，这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教。华北科技学院课程设计16五.附录元器元件明细表名称型号序号数量电阻贴片电阻R1R2R3R4R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R161K1K9K10K1K10K10K10K1K10K1K50010K1K1K111111111111111滑动变阻器R520K1华北科技学院课程设计17集成运放U1LM3241发光二极管D1D5LED(红)LED(橙)11二极管D2、D3、D41N58343温度传感器U1LM351继电器K1、K2、AC250DC302三极管Q1、Q2、90132六参考文献[1]童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础（第四版）．北京：高等教育出版社，2009[2]郭海文主编.电工电子实验技术.徐州:中国矿业大学出版社,2012[3]薛鹏骞，梁秀荣主编．电子设计自动化技术使用教程．徐州：中国矿业大学出版社，2007[4]张培仁主编．传感器原理、检测及应用．北京：清华大学出版社，2012[5]张新喜．Multisim10电路仿真及应用．北京：机械工业出版社，2010[6]陈锦玲．Protel99SE电路设计与制板．北京：人民邮电出版社，2008