水溫控制與檢測課程設(shè)計論文

1、西安電子科技大學模擬電子技術(shù)課程設(shè)計題 目 水溫控制與檢測 學生姓名 專業(yè)班級 11級通信工程二班 學 號 2011 院 （系） 信息工程學院 指導(dǎo)教師 完成時間 2013-5-30 目 錄 緒論.41 課程設(shè)計的目的42 課程設(shè)計的任務(wù)與要求12.1 設(shè)計任務(wù)12.2 設(shè)計要求13 設(shè)計方案與論證23.1 方案選擇與論證23.2 水溫控制器的原理方框圖24 設(shè)計原理與功能說明34.1 元器件選用原理34.2 總體電路圖85 單元電路設(shè)計95.1 信號處理單元95.2 溫度顯示單元105.3 控制單元116 電烙鐵的使用127 總結(jié)13參考文獻16附錄一：總體電路原理圖17附錄二：元器件清單1

2、8緒論在鋼鐵、機械、石油化工、電力、等工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一; 隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展,需要對各種參數(shù)進行測量,溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一.在冶金工業(yè),化工生產(chǎn),電力工程,機械制造和食品加工等許多領(lǐng)域中,人們都需要對各種環(huán)境中的溫度進行檢測和控制,溫度控制對于大型工業(yè)和日常生活用品等工程都具有廣闊的應(yīng)用前景.例如冶金工業(yè)中的煉鋼爐溫度控制、化工生產(chǎn)中的培養(yǎng)皿溫度控制、食品加工車間的溫度控制等。溫度控制一般指對某一特定空間的溫度進行控制調(diào)節(jié)，使其達到并滿足工藝過程的要求。溫度測量與控制系統(tǒng)是自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)的有機結(jié)合，綜合發(fā)展的產(chǎn)物

3、。其內(nèi)容十分的豐富，它包括各種數(shù)據(jù)的采集和處理系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)、生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)等，廣泛應(yīng)用于工廠自動化、商業(yè)自動化、實驗室自動化等人類活動的各個領(lǐng)域。隨著工業(yè)的發(fā)展，對溫度控制提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無公害方向發(fā)展。溫度控制是一種具有純滯后的系統(tǒng)，加熱材料、環(huán)境溫度以及電網(wǎng)電壓等都影響控制過程，目前的溫度控制系統(tǒng)大多建立在一定的數(shù)學模型基礎(chǔ)上，對被控對象中的非線性、時變性及隨機干擾無能為力，因此，提高系統(tǒng)的抗干擾能力成為關(guān)鍵性的技術(shù)。首先，控溫精度要高。其次，當環(huán)境發(fā)生變化而影響到控溫精度時，要有合適的手段進行調(diào)整以達到精度要求。而且，為了方便進行工

4、藝的研究，需要能保存溫度數(shù)據(jù)。最后，由于生產(chǎn)中的實際情況，控制設(shè)備要求操作方便，易于維護，成本較低等等。常用的溫度控制方法有:電接點溫度表溫度控制、位式溫度顯示調(diào)節(jié)儀溫度控制、pid連續(xù)電流輸出溫度顯示調(diào)節(jié)儀表溫度控制、pid連續(xù)電壓輸出溫度顯示調(diào)節(jié)儀表溫度控制。這些溫度控制方法大都是在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場安裝溫度控制儀表，通過提前設(shè)定溫度控制的上下限值或pid控制參數(shù)，然后再將控制儀表投入使用，進行各種預(yù)定的控制。但若被控對象發(fā)生變化，難于實時的調(diào)整控制參數(shù)，不能滿足實時控制的要求，而且溫度變化曲線的一一記錄不易實現(xiàn)?？傊覈碾姕囟鹊目刂圃O(shè)備的現(xiàn)狀不容樂觀，主要有以下特點: 小部分比較先進的設(shè)備

5、和大部分比較落后的設(shè)備并存。由于我國改革開放的發(fā)展，國內(nèi)引進和生產(chǎn)了少量的比較先進的控制設(shè)備，但是，整體上，我國的溫度控制系統(tǒng)比國外發(fā)達國家要落后，占主導(dǎo)地位的是模擬儀表控制，這種系統(tǒng)的控制參數(shù)由人工選擇，需要配置專門的儀表調(diào)試人員，費時、費力且不準確。控制精度依賴于試驗者的調(diào)節(jié)，控制精度不高，一旦生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無法保存。因而，對生產(chǎn)工藝的研究很困難，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量低、廢品率高、工作人員的勞動強度大、勞動效率低、這些都縮減了企業(yè)的效益。由于微機控制系統(tǒng)性能的優(yōu)越性，市場的需求量很大?？刂葡到y(tǒng)對微機的性能需求不是很高，同時由于計算機cpu及外圍功能卡的不斷

6、升級和價格的不斷下降，使得用高檔微機進行控制的成本大為降低，而且也使得大批pc機閑置不用。因此，用高檔微機甚至閑置不用的pc機構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)，具有較高的可行性和經(jīng)濟價值。但是，目前國內(nèi)的一些生產(chǎn)企業(yè)和研究機構(gòu)主要開發(fā)一些大型微機控制系統(tǒng)，中小型的控制系統(tǒng)很少見。這方面的缺口較大，市場前景看好。本設(shè)計以溫度控制為研究對象，針對環(huán)境溫度，在比較、研究不同控制策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況通過模擬電路實現(xiàn)溫度控制。本文主要做了以下幾個方面工作：(l)論述了溫度控制系統(tǒng)的課題目的、意義，當前計算機測控系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)及本論文的主要內(nèi)容并對溫度控制特點進行了簡要分析。(2)介紹溫度測量過程相關(guān)知識。(3)

7、 介紹溫度比較控制過程相關(guān)知識。 (4)設(shè)計溫度控制的實際電路。(5)對結(jié)果進行系統(tǒng)分析與總結(jié) 1 課程設(shè)計的目的通過理論設(shè)計和實物制作解決相應(yīng)的實際問題，鞏固和運用在模擬電子技術(shù)中所學的理論知識和實驗技能，掌握常用模擬電路的一般設(shè)計方法，提高設(shè)計能力和實踐動手能力，為以后從事電子電路設(shè)計、研發(fā)電子產(chǎn)品打下良好的基礎(chǔ)。1、學習基于lm35控制水溫的設(shè)計方法；2、研究基于lm35控制水溫的設(shè)計方案；3、掌握三極管管腳極性的判斷方法；4、熟悉電烙鐵的使用方法。2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求（1）設(shè)計一個水溫控制器（2）能對水溫進行測量并指示讀數(shù)（3）能對水溫進行控制，控制范圍為01003 設(shè)計方案與論證

8、3.1 方案選擇與論證根據(jù)設(shè)計要求，有以下3種方案：方案一：采用溫度傳感器對溫度進行采集，采集的電壓經(jīng)過放大電路將信號放大，然后經(jīng)過3.5位a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在進行模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的同時, 還可直接驅(qū)動led顯示器,將溫度顯示出來。方案二： 用lm35溫度傳感器、放大電路、指示器、比較器、發(fā)熱元件、控制溫度設(shè)置等元器件組成的單電源溫度控制檢測電路。根據(jù)電路的簡易性與可實行性(比如電路線路多而繁雜，mc14433等芯片在元件庫中缺少等)，選用方案二。3.2 水溫控制器的原理方框圖控制溫度設(shè)置比較器指示器放大電路發(fā)熱元件被控對象溫度傳感器 圖3-1 水溫控制器組成原理圖水溫控制器的組成

9、原理框圖如圖3-1所示。本電路由溫度傳感器、放大電路、指示器、比較器、發(fā)熱元件、控制溫度設(shè)置等部分組成。溫度傳感器的作用是把溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，經(jīng)放大電路放大，送往電壓表構(gòu)成的指示器進行溫度指示。同時，由溫度傳感器輸出的電壓信號送往比較器，與設(shè)置的溫度進行比較，控制發(fā)熱元件的工作，從而控制水溫，使其保持在某一范圍。4 設(shè)計原理與功能說明4.1 元器件選用原理（一）溫度傳感器簡介lm35是電壓輸出型集成溫度傳感器，其特點如下：（1） 可直接校正攝氏溫度。（2） 線性溫度系數(shù)：+10mv/。（3） 溫度范圍：-50+150。（4） 非線性度低于±1/4。（5） 輸出抗阻（在1ma

10、負載時）：0.1。（6） 工作電壓范圍：430v。（7） 成本低。lm35傳感器采用了to-46和to-92封裝，其等效電路及封裝形式如下圖4-1所示。lm35的最大額度參數(shù)范圍：電源電壓為+35-0.2v；輸出電壓為+6-1.0v；輸出電流為10ma；存放溫度對于to-46封裝為-60+180，to-92封裝為-60+150；工作范圍對于lm35和lm35a為-50+150，lm35和lm35a為-40+110，lm35為0+100。圖4-1 lm35的等效電路圖及封裝形式（a） 為lm35內(nèi)部電路；（b）lm35的封裝形式（二）lm35的基本應(yīng)用電路圖4-2為lm35的基本應(yīng)用電路。圖4-

11、2（a）為采用lm35構(gòu)成的單電源溫度傳感器電路，其中uo 為相應(yīng)溫度的輸出電壓。圖4-2（b）為采用lm35構(gòu)成+2+150溫度傳感器電路。圖4-2（c）是采用lm35構(gòu)成的滿程攝氏溫度計，輸出uo=+1500mv，相當于+150；uo=+250mv，相當于+25；uo=-550mv，相當于-55。 圖4-2 lm35的基本應(yīng)用電路（a） 單電源溫度傳感器；（b）+2+150傳感器；（c）滿程攝氏溫度計（三）放大電路由于lm35輸出的電壓信號較小，須經(jīng)運算放大器放大后才能推動電壓表進行溫度指示。如圖4-3所示，0100相應(yīng)輸出電壓為010v。（四）比較器圖4-4中，uref控制溫度設(shè)定（對應(yīng)

12、控制溫度），rf2用于改善比較器的遲滯特性，決定控溫精度。 圖4-3運算放大器 圖4-4電壓比較器（五）三極管管腳的判定b代表基極，c代表集電極，e代表發(fā)射極。                                    

13、0;                      1 基極的判定   將數(shù)字表的一支表筆接在晶體三極管的假定基極上，另一只表筆分別接觸另外兩個電極，如果兩次測量在液晶屏上顯示的數(shù)字均為 0  1v  0  7v ，則說明晶體三極管的兩個 pn 

14、;結(jié)處于正向?qū)?，此時假定的基極即為晶體三極管的基極，另外兩電極分別為集電極和發(fā)射極；如果只有一次顯示 0  1v  0  7v 或一次都沒有顯示，則應(yīng)從重新假定基極再次測量，直到測出基極為止。   2 三極管類型、材料的判定   基極確定后，紅筆接基極的為 npn 型三極管，黑筆接基極的為 pnp 型三極管； pn 結(jié)正向?qū)〞r的結(jié)壓降在 0  1v

15、60; 0  3v 的為鍺材料三極管，結(jié)壓降在 0  5v  0  7v 的為硅材料三極管。   3 集電極和發(fā)射極的判定   有兩種方法進行判定：一種是用二極管擋進行測量，由于晶體三極管的發(fā)射區(qū)摻雜濃度高于集電區(qū)，所以在給發(fā)射結(jié)和集電結(jié)施加正向電壓時 pn 壓降不一樣大，其中發(fā)射結(jié)的結(jié)壓降略高于集電結(jié)的結(jié)壓降，由此判定發(fā)射極和集電極。   另一種方法是使用

16、 hfe 擋來進行判斷。在確定了三極管的基極和管型后，將三極管的基極按照基極的位置和管型插入到盧值測量孔中，其他兩個引腳插入到余下的三個測量孔中的任意兩個，觀察顯示屏上數(shù)據(jù)的大小，找出三極管的集電極和發(fā)射極，交換位置后再測量一下，觀察顯示屏數(shù)值的大小，反復(fù)測量四次，對比觀察。以所測的數(shù)值最大的一次為準，就是三極管的電流放大系數(shù)盧，相對應(yīng)插孔的電極即是三極管的集電極和發(fā)射極。 第二種方法 電解電容有正負極之分,標記不清時用歐姆檔測量,表筆交換測兩次,漏電小的那次紅表筆是正極(使用數(shù)字表時,)   (注意:指針表時黑表筆接的是正

17、極). 其它容量小的電容,用指針表歐姆檔的高檔位測,有充放電現(xiàn)象,可看得到(指針接觸瞬間表針擺動),就是好的. 三極管的基極對另外兩個極是兩個pn結(jié),用rx1k歐姆檔測, 指針表的黑表筆接一個腳,紅筆分別測另兩個腳,測得兩個都是正向?qū)〞r,黑筆接的就是npn型三極管的基極. 指針表的紅表筆接一個腳,黑筆分別測另兩個腳,測得兩個都是正向?qū)〞r,黑筆接的就是pnp型三極管的基極. 這就區(qū)分出了是npn還是pnp的三極管了,同時知道了基極(b). 發(fā)射極(e和集電極(c)區(qū)分：根據(jù)基極對集電極和發(fā)射極的正向電阻判斷，其中正向電阻低的是集電極

18、. 有的萬用表有測三極管的插孔,可以插上測放大倍數(shù),放大倍數(shù)大的接入的正確(基極的腳已測出).  用指針表測三級管,二極管,電容,比數(shù)字表方便,直觀.但要記住歐姆檔的表筆,黑筆是表內(nèi)電池的正極,紅筆是電池的負極(數(shù)字表相反) 4.2 總體電路圖圖4-5所示為采用lm35構(gòu)成的水溫控制電路。電路中的rr用于設(shè)定基準電壓ur，而溫度傳感器lm35檢測溫度后對應(yīng)的輸出電壓。當加熱元件rh加熱時，水溫升高，經(jīng)過一定時間，當超過預(yù)先設(shè)定的值（如100），即ux>ur時，則a輸出高電平，vt1截止，功率晶體管vt2也截止，uh停止加熱，此后溫度慢慢下降；當降低到低于預(yù)先

19、設(shè)定值時，即ux<ur，則a輸出低電平，vt1導(dǎo)通，功率晶體管vt2也導(dǎo)通，rh又開始加熱。這樣周而復(fù)始，時水溫保持恒定值，從而達到控制溫度的目的。法官二極管led用于顯示rh的加熱情況，加熱時，led發(fā)光；恒溫時，led熄滅。圖4-5 lm35構(gòu)成的水溫控制電路5 單元電路設(shè)計5.1信號處理單元 lm35輸出端的電壓因溫度改變1攝氏度而改變10mv，很難檢測。所以必須經(jīng)過一定的處理方可成為測量以及控制部分所使用的信號。處理方法也就是將它無損的放大一定的倍數(shù)。 因控制或測量溫度在30攝氏度的時候，lm35輸出電壓為300mv。溫度在0攝氏度的時候輸出為0mv。經(jīng)下面計算：得 即0<

20、 av < 40。考慮計算的方便，以及最后輸出測量的方便，放大倍數(shù)為30 為宜。5.2溫度顯示單元溫度顯示單元承擔兩個主要的任務(wù)，主要是顯示當前以及控制的溫度，如果沒有它就不知道自己到哪里了。溫度顯示實質(zhì)上就是電壓顯示，主要是設(shè)計一個可以表征溫度的電壓表。因低溫區(qū)的電壓比較小，因此為了提高測量和控制的精度，需要設(shè)置兩個量程。電阻選擇計算：已知：萬用表內(nèi)阻滿量程為所以若使其測量10v電壓，串聯(lián)電阻r1需要滿足：帶入數(shù)據(jù)可算出 若使其測量5v電壓，串聯(lián)電阻r2需要滿足：因此可以通過設(shè)置一個開關(guān)來達到改變量程的目的。另外控制和測量溫度都需要使用一個表頭來顯示。如圖4.3.1當單刀雙擲開關(guān)s2打

21、到左邊的時候，可以通過調(diào)節(jié)電位器r7來調(diào)整控制電壓，具體的會在控制單元中說明。當開關(guān)s2打到右邊的時候，表頭用來顯示當前傳感器傳過來的經(jīng)過處理的信號，也就是表征溫度的電壓量。5.3控制單元控制單元的作用是通過接收來自傳感器處理后的信號，判別是否需要對當前的水體進行加熱。因為初級放大電路是反向放大電路，所以，電壓會變成負電壓。因此控制電路處的比較基準電壓應(yīng)該從負電源中索取。電位器選擇計算：為了使電位器在阻值最小的時候電路中電流在1.5ma以下，選擇固定電阻r為2k。雖然控制溫度需要達到30攝氏度，但是為了適應(yīng)實際，同時以防被毀，控制電壓設(shè)置最大為50攝氏度。vo = 500mv × 3

22、0= 15 v。因此電位器選擇10k為宜。6電烙鐵的使用 1、焊接的注意事項良好的焊接是實驗成功的重要保證；反過來說，焊接不良，往往會使實驗失敗，甚至損毀元器件。雖然焊接技術(shù)并不復(fù)雜，但如果認為它操作簡單而掉以輕心，也會造成種種不良后果。所以應(yīng)注意以下幾點： （1）電烙鐵焊接的時候，一定要等電烙鐵加熱后，拔掉電源插頭，用電烙鐵的余熱焊。否則，溫度過高的焊接，會燙壞器件。 （2）焊接器件的時候，一定要將連接電源正、負極的導(dǎo)線分別焊接在器件標有“”、“”符號的一端。器件的下方還有兩個類似焊點的地方，如果錯將導(dǎo)線焊在那兒，器件就會損壞，不能使用了。 （3）烙鐵使用日久后，烙鐵頭容易被“燒死”，即在表

23、面出現(xiàn)一層黑色氧化物，而且變得凹凸不平?！盁馈钡睦予F頭很難熔化和沾取焊錫，需用銼刀將它重新挫亮。盡量使用市場上出售的空心焊錫絲，它是將焊錫做成直徑24毫米的細管狀，在管內(nèi)裝進松香粉。使用這種焊錫絲，能保護烙鐵頭不易被“燒死”。 （4）使用電烙鐵一定要注意安全，使用前用萬用表測一下電烙鐵電源插頭兩端的電阻是否為正常值。正常時20瓦烙鐵的電阻約2000歐，45瓦的為1000歐，75瓦的為600歐，100瓦的約500歐。電源插頭與電烙鐵外殼、烙鐵頭之間的電阻應(yīng)接近無窮大，否則說明這把電烙鐵漏電，不能使用。 2、電路的連接在連接電路的時候，要嚴格按照電路圖連接電路，也要注意烙鐵與電路板接觸的時間，不

24、要燒壞電路板。并在聯(lián)好電路以后進行測量。即使發(fā)現(xiàn)問題與改正。7總結(jié)經(jīng)過兩周的模擬電子課程設(shè)計使我學到了很多關(guān)于模電理論方面和實踐方面的知識，受益匪淺。不僅鍛煉了自己的動手能力，也從一定程度上鞏固了仿真軟件的應(yīng)用，亦加深了對模擬電路方面知識的理解。在這次課設(shè)中，第一道題就是要學multisim這個軟件。為了能熟練的使用multisim軟件，以符合設(shè)計的需要，我對這個軟件的基礎(chǔ)操作學習長達兩天，這些也是對通信專業(yè)方向的基本知識的掌握。對于簡易溫度控制器這個課題，我們最先要做的是繪制一份合理的水溫控制設(shè)計的電路原理圖。在這過程中我們根據(jù)各種元件的用途，型號及實際應(yīng)用效果，查找了許多有關(guān)方面的資料，也觀察分析了許多溫度控制電路圖，學會了如何繪制一張實際的溫度控制電路原理圖。期間我發(fā)現(xiàn)了很多問題，經(jīng)過反復(fù)思考與分析，發(fā)現(xiàn)原來許多理論知識都與實踐有較大的區(qū)別，我耐心的一一進行分析，并請教老師，同學，最后我們確定了合理的原理圖，進行了分析和元件參數(shù)的一定程度的修改。在仿真過程中，首先我們的第一步是繪制原理圖，接著設(shè)置元件的參數(shù)，最后就是要應(yīng)用仿真功能觀察仿真結(jié)果。在此期間，我又根據(jù)仿真結(jié)果與實際結(jié)果的對比，對電路元件參數(shù)進行了相應(yīng)的修改，最后得到了比較理想，比較接近實際的仿真結(jié)果。仿真軟件的確是非常實用的軟件，元件的連接使用自動化的畫線工具，對所繪制的原理圖進行快速檢查。所有這一