電網(wǎng)13-2鮑玉寶 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)改

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 閉環(huán)溫度控制器設(shè)計(jì) 學(xué) 期：2014-2015學(xué)年第2學(xué)期專 業(yè)： 智能電網(wǎng)信息工程 班 級(jí)： 電網(wǎng)13-2 姓 名： 鮑玉寶 學(xué) 號(hào)： 1305080201 指導(dǎo)教師： 李季 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 成 績(jī) 評(píng) 定 表評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格不合格單元電路及整體設(shè)計(jì)方案合理性正確性創(chuàng)新性仿真或?qū)嵺`是否進(jìn)行仿真或?qū)嵺`技術(shù)指標(biāo)或性能符合設(shè)計(jì)要求有完成結(jié)果設(shè)計(jì)報(bào)告格式正確內(nèi)容充實(shí)語言流暢標(biāo)準(zhǔn)說明：以上三大項(xiàng)指標(biāo)中，每大項(xiàng)中有兩小 項(xiàng)或三小項(xiàng)合格，視為總成績(jī)合格?？偝煽?jī)?nèi)掌谀?月 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目閉環(huán)

2、溫度控制器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)1.用燈泡模擬加熱系統(tǒng)，在設(shè)定溫度20°c以下燈泡自動(dòng)亮（加熱），達(dá)到25°c時(shí)燈泡自動(dòng)滅。2.溫度低于20°c或高于25°c時(shí)報(bào)警。3. 接交流220V電源即可工作。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)共1周。第1天：選題，查資料；第2天：方案分析比較，確定設(shè)計(jì)方案；第34天：電路原理設(shè)計(jì)與電路仿真；第5天：編寫整理設(shè)計(jì)報(bào)告書。四、設(shè)計(jì)要求1. 畫出整體電路圖。2. 對(duì)所設(shè)計(jì)的電路全部或部分進(jìn)行仿真，使之達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求。3. 寫出符合設(shè)計(jì)格式要求的設(shè)計(jì)報(bào)告書。 指 導(dǎo) 教師：李 季 時(shí) 間：2015年6月25日目錄綜述11 方案設(shè)計(jì)

3、與分析21.1溫度傳感器的選擇21.2放大器電路的選擇21.3比較器的選擇31.4加熱電路設(shè)計(jì)31.5報(bào)警電路設(shè)計(jì).3電磁繼電器的工作原理：32 原理及技術(shù)指標(biāo)42.1 測(cè)量放大器42.1.1 測(cè)量電橋電路52.1.2 閉環(huán)放大電路72.2 控制電路92.3驅(qū)動(dòng)電路.102.4 加熱模塊102.5報(bào)警電路.10 3單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算.123.1電路原理設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算.123.2電源設(shè)計(jì)134 仿真運(yùn)行145 心得體會(huì)186 參考文獻(xiàn).19摘要溫度是我們生活中非常重要的一個(gè)物理量，它在日常生活中的應(yīng)用很廣，例如在工廠車間或者倉(cāng)庫(kù)中，需要將溫度控制在一定的范圍內(nèi)，為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)滿足要求的閉環(huán)

4、溫度控制器，此設(shè)計(jì)提高了溫度控制的精度，使控制更加方便簡(jiǎn)潔，相對(duì)于其他電路來說，閉環(huán)溫度控制器的性能更好更優(yōu)越。本設(shè)計(jì)采用燈泡模擬加熱系統(tǒng)，利用含有熱敏電阻的電橋電路實(shí)現(xiàn)溫度傳感，由放大電路和滯回比較器的組合，控制加熱系統(tǒng)的加熱與否。令系統(tǒng)在溫度20°c以下燈泡自動(dòng)點(diǎn)亮（加熱），溫度上升到25°c時(shí)燈泡自動(dòng)熄滅（停止加熱），低于20°c或高于25°c時(shí)，報(bào)警裝置啟動(dòng)。如此將溫度控制在20°c到25°c范圍內(nèi)。利用此電路，可根據(jù)燈泡的亮與滅判斷系統(tǒng)是否進(jìn)行加熱，方法簡(jiǎn)單易行。同時(shí)，本設(shè)計(jì)需要提供特電壓定電源，故附加了電源設(shè)計(jì)部分。 關(guān)鍵

5、詞：閉環(huán)溫度控制器；燈泡；熱敏電阻；橋式電路；滯回比較器；電源；報(bào)警電路； 綜述溫度是我們生活中非常重要的一個(gè)物理量，它在日常生活中的應(yīng)用很廣，如空調(diào)，冰箱，電熱水器等等，對(duì)它的測(cè)量和控制更有著十分重要的意義。尤其隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，溫度的控制和檢測(cè)變得愈加重要。常用的溫度傳感器通常有熱敏電阻和熱電偶，通過比較分析本設(shè)計(jì)采用熱電偶作為溫度傳感器，最后用閉環(huán)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量和控制，其核心元件是比較器。在眾多比較器中，本設(shè)計(jì)選用了具有滯回特性、抗干擾能力較好的滯回比較器。通過查閱資料，設(shè)計(jì)出了一個(gè)包括加熱電路、報(bào)警電路、滯回比較器、放大器和電橋電阻的閉環(huán)溫度

6、控制電路。1 方案論證通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，目前較為常用的有兩種方案方案一：采用熱敏電阻。靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測(cè)出10-6的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達(dá)到2000），低溫器件適用于-27355；體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇；易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。 方案二：采用熱電偶作為溫度傳感器，由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制

7、作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測(cè)溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測(cè)量快速變化的過程。它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號(hào)的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測(cè)量微小的溫度變化。轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜，成本高。 綜合以上兩種方案，電熱偶的靈敏度比較低，熱敏電阻靈敏度比較高，因此，本次課設(shè)選用熱敏電阻方案。1.1溫度傳感器的選擇常用的溫度傳感器有熱敏電阻和熱電偶溫度傳感器，由于熱電偶溫度傳感器靈敏度比較低，熱敏電阻的靈敏度較高，且本實(shí)驗(yàn)本著經(jīng)濟(jì)原則，利用熱敏的組作為溫度傳感器。1.2放大器電路的選擇為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的某種運(yùn)算關(guān)系，運(yùn)算電路中的集成運(yùn)放應(yīng)該工作

8、在線性區(qū)，因而電路中必須引入負(fù)反饋。通常應(yīng)用反相比例運(yùn)算電路和加減運(yùn)算電路。查閱資料可知，反相比例運(yùn)算電路為單輸入復(fù)雜電路，故不宜采用；加減運(yùn)算電路不但具有計(jì)算電壓差，還可以進(jìn)行放大預(yù)算，電路簡(jiǎn)單。所以采用加減運(yùn)算電路。1.3比較器的選擇比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。在測(cè)量和控制中有著廣泛的應(yīng)用。比較器的種類有：?jiǎn)蜗揠妷罕容^器、滯回比較器、窗口比較器。根據(jù)各電路特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用滯回比較器。1.4加熱電路設(shè)計(jì)加熱電路首要考慮開關(guān)控制方式?？蛇x用的方案有三極管和繼電器，通過比較分析，繼電器易于控制，實(shí)行簡(jiǎn)單，故電燈開關(guān)由繼電器控制。1.5 報(bào)警電路設(shè)

9、計(jì) 報(bào)警電路采用窗口比較器控制燈光報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)溫度低于20°c或者高于25°c時(shí)，燈光報(bào)警器報(bào)警。電磁繼電器的工作原理：繼電器是一種電控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)輸入量（如電壓、電流、溫度等）達(dá)到規(guī)定值時(shí)，繼電器所控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開。 繼電器具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)、遙控、測(cè)量和通信等裝置中。報(bào)警電路2 原理及技術(shù)指標(biāo) 控制電

10、路 測(cè)量放大器 驅(qū)動(dòng)電路 傳感器 加熱模塊 圖2-1 閉環(huán)溫度控制框圖該電路設(shè)定一個(gè)初始溫度值，與之對(duì)應(yīng)的電壓電流值為初設(shè)值，將此初設(shè)電壓電流值傳輸給測(cè)量放大器，經(jīng)放大器對(duì)電壓放大并將電流傳輸給控制電路（此為滯回比較器），滯回比較器的輸出電壓值在一定范圍內(nèi)保持不變，但若輸入的電壓超過此范圍，就會(huì)影起滯回比較器輸出電壓的變化。當(dāng)電流流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，使電路中的發(fā)熱元件（此為燈泡）發(fā)熱，從而溫度升高。溫度的升高由熱敏電阻Rt接收，再由溫度傳感器傳輸給電壓比較器，與初設(shè)值比較，使電壓輸入量減少，從而減少發(fā)熱元件的發(fā)熱，使溫度降下來。若發(fā)熱元件發(fā)熱不足，溫度傳感器傳輸給電壓比較器的電壓值就變小，使得輸入

11、電壓變大，增加發(fā)熱元件的發(fā)熱，是溫度上升。如此循環(huán)，就能使溫度處于一定的范圍內(nèi)，達(dá)到對(duì)溫度的控制。2.1 測(cè)量放大器本設(shè)計(jì)用到的測(cè)量放大電路由測(cè)量電橋電路和閉環(huán)放大電路組成。2.1.1 測(cè)量電橋電路 5vRwR2R1VaVbR3Rt 圖2-1-1 a 測(cè)量橋式電路圖如上測(cè)量電阻電橋電路是由不同阻止的電阻和熱敏電阻Rt組成的，通過改變Rw的值可調(diào)節(jié)該電橋電路的輸出電壓。Rw的值確定后，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻Rt就會(huì)有很大的變化，使得電橋電路輸出電壓發(fā)生很大變化，從而對(duì)后面電路的效果產(chǎn)生影響。如上電橋電路，其電橋平衡條件為： R3/(R2+R3)=Rt/(Rt+R1+Rw) （2-1） 當(dāng)電橋

12、平衡時(shí) VA=VB （2-2） 熱敏電阻器Rt是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的特點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，在不同的溫度下表現(xiàn)出不同的阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時(shí)電阻越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時(shí)電阻越小，它們都屬于半導(dǎo)體器件。熱敏指數(shù)B是熱敏電阻的材料常數(shù)，是熱敏電阻的重要指標(biāo)。B值越大，熱敏電阻器越靈敏，即受溫度影響后阻值的變化越大。本設(shè)計(jì)采用的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC），其阻值計(jì)算方法為： Rt=Ro*eB*(1/T-1/To) （2-3） 式中Rt為溫度為T時(shí)熱敏電阻的阻值

13、，Ro為室溫To下熱敏電阻的阻值，B為熱敏指數(shù)，一般在2000K6000K之間，其計(jì)算式為： B=T1*T2/(T2-T1)ln（RT1/RT2） （2-4）T、To、T1、T2均為開爾文溫度（即T=273.15+攝氏度）。RtT 圖2-1-1 b 熱敏電阻Rt的特性曲線含有熱敏電阻的橋式電路在整個(gè)系統(tǒng)中起到了溫度傳感的重要作用。2.1.2 閉環(huán)放大電路閉環(huán)放大電路由兩部分組成，一部分是由兩個(gè)電壓跟隨器構(gòu)成的電壓緩沖器，對(duì)電壓進(jìn)行緩沖，保證后面的電路更好的運(yùn)行；另一部分是一個(gè)用于電壓放大的電壓放大器，使后面的電路有明顯的反應(yīng)。 A2 A1 Va VcR4 VdR5 R6 Vb圖2-1-2 a

14、電壓緩沖器電路圖 R9 A3R7 VcUi VdR8R10 圖2-1-2 b 電壓放大器電路圖 A1 A3 VaR9 A3 A3 A2 A3R4R7R5UiR8R6R10 Vb 圖2-1-2 c 測(cè)量放大器電路圖2.2 控制電路滯回比較器是一種電壓控制器件，用它做控制器，可以解決單限比較器抗干擾能力差和差分比較器受干擾產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)的問題。 A4R11 UiR13Ve5vR12 R14Dz 圖2-2-1 滯回比較器電路圖 如圖2-2-1 為滯回比較器的電路圖，可以看出其傳輸特性具有線性滯回的特點(diǎn)。設(shè)其輸出高低電平電壓分別為UoH和UoL，則兩個(gè)門限電壓UT1，UT2分別為：UT1=Vcc*R12/

15、（R12+R14）+UoL*R14/（R12+R14） （2-5）UT2=Vcc*R12/（R12+R14）+UoH*R14/（R12+R14） （2-6）UT2與UT1的差值稱為滯后電平，其值為：UT2-UT1=R14（UoH-UoL）/（R12+R14） （2-7）其中UoL=-UDZ，UoH=UDZ由此可見，滯后電平可以用R12和R14來調(diào)節(jié)，選擇合適的值，則可以消除干擾。2.3 驅(qū)動(dòng)電路 Ve 12v 直線繼電器D KAR15 KT U 圖2-3 驅(qū)動(dòng)電路（直線左），加熱電路（直線右）報(bào)警電路（藍(lán)線下）如圖2-3 左半部分為驅(qū)動(dòng)電路，其中KA為繼電器。設(shè)當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的輸入電壓為U1時(shí)，三

16、極管T導(dǎo)通，繼電器KA工作，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合（K閉合），燈泡被點(diǎn)亮，開始加熱；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓為U2時(shí)，三極管T截止，繼電器KA停止工作，其動(dòng)合觸點(diǎn)斷開（K斷開），燈泡熄滅，停止加熱。2.4 加熱模塊如圖2-3 右半部分，用燈泡模擬加熱系統(tǒng)，當(dāng)開關(guān)K閉合時(shí)，燈泡被點(diǎn)亮，開始加熱；當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，燈泡熄滅，停止加熱。2.5 報(bào)警電路 窗口比較器包括差分電路級(jí)和負(fù)載電路級(jí)。差分電路級(jí)根據(jù)輸入電壓生成一對(duì)差分電流，當(dāng)輸入電壓為一參考電壓時(shí)，差分電流根據(jù)具有一最大值和一最小值的輸入電壓變化，負(fù)載電路級(jí)從參考電流和與從差分電流中選出的電流相對(duì)應(yīng)的電流生成輸出電壓。通過產(chǎn)生參考電流和所述電流，按第二電流是

17、否大于參考電流來確定一電壓范圍。由于窗口比較器的窗口按所述電流和參考電流形成，從而輸出電壓電平根據(jù)輸入電壓是否落入電壓范圍發(fā)生變化。 圖2-4 報(bào)警電路 如上圖的窗口比較器，當(dāng)溫度在T1與T2之間時(shí)，熱敏電阻Rt的阻值也在一個(gè)范圍里變化，對(duì)應(yīng)的電壓也在一個(gè)范圍里變化。當(dāng)電壓變化大于Vrl小于Vhl時(shí)窗口比較器輸出為零，燈泡X2不亮，報(bào)警系統(tǒng)不工作。當(dāng)電壓變化大于Vhl小于Vrl時(shí)，窗口比較器輸出高電平，燈X2被點(diǎn)亮，報(bào)警系統(tǒng)開始工作。3 單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算3.1電路原理設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算+5V +12V A1 R9 KADRwR4 R7K A3R11 A4 R13 R15R1 R2R5TR82

18、20v R6R10 +5V R12Rt R3 A2 R14 Dz 圖3-1 閉環(huán)溫度控制電路（除報(bào)警電路外）如上圖，為電路原理圖。通過Rw和對(duì)溫度的設(shè)置，控制A1、A2的輸入電壓（熱敏電阻Rt的存在會(huì)使其數(shù)值改變），當(dāng)電壓發(fā)生變化時(shí)，A1、A2將變化的電壓傳輸給A3，A3將所得電壓放大再交給滯回比較器A4處理，當(dāng)A4所得輸入電壓能夠使其輸出電壓對(duì)后面的電路產(chǎn)生影響時(shí)，即將原來截止的三極管T變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，將原來熄滅的燈泡點(diǎn)亮；或者將原來導(dǎo)通的三極管T變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，將原來點(diǎn)亮的燈泡熄滅，停止加熱。例如，當(dāng)溫度升高為25°c時(shí)，電壓值達(dá)到閥值電壓UT2，滯回比較器的輸出電壓為Uo=+UDZ

19、，使加熱電路停止加熱，燈泡熄滅。當(dāng)溫度下降到20°c時(shí)，電壓值達(dá)到閥值電壓UT1，滯回比較器輸出電壓為Uo= UDZ，使加熱電路開始加熱，燈泡點(diǎn)亮。電路中的參數(shù)： R1=570 R2=R3=R7=R8=R11=R12=R15=10K R4=R5=R6=1K R9=R10=R14=100K R13=2K Rt=1K（通常為25攝氏度下） Rw=1K UDZ=±6V代入以上數(shù)據(jù)有： UT1=4V，UT25.1V設(shè)B=2000K，將溫度控制在20（T1）到25（T2）攝氏度之間，e取2.72，則 RT1=1000*2.722000*(1/(20+273.15)-1/(25+273

20、.15)909.1 RT2=1000*2.722000*(1/(25+273.15)-1/(25+273.15)666.73.2 電源設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)需要特定電壓電源（+5v，+12v），現(xiàn)對(duì)電源設(shè)計(jì)做出說明。 電路圖如圖4-1所示：圖4-1 直流穩(wěn)壓電源電路圖4 仿真運(yùn)行用multisim軟件進(jìn)行仿真，下圖為仿真電路圖 圖4-1 閉環(huán)溫度控制器仿真電路圖此時(shí)萬用表伏特檔示數(shù)如圖，為2.415V。用Rt兩端電壓值的變化來體現(xiàn)溫度的變化。打開運(yùn)行開關(guān)后，軟件開始仿真，此時(shí)由于還是室溫下，低于20°c，所以燈泡被點(diǎn)亮，開始加熱，如下圖，燈泡被點(diǎn)亮 圖42 開始運(yùn)行的電路圖由上圖可見，繼電器動(dòng)合

21、觸點(diǎn)閉合，燈泡被點(diǎn)亮，圖中顯示為變黃，加熱開始。隨著溫度的升高，Rt的阻值將會(huì)減小，由于multisim中沒有熱敏電阻，故用在Rt兩端并聯(lián)電阻的方式表示其電阻值變小，用串聯(lián)電阻的方式表示其電阻值變大。如下圖 圖4-3 溫度上升到25°c時(shí)的仿真狀態(tài)如圖表示溫度上升到25°c時(shí)的電路狀態(tài)，熱敏電阻因溫度升高而電阻值減小，影響了橋式電路的輸出電壓，使得繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)斷開，燈泡熄滅，停止加熱，即燈泡再次顯示為白色，此時(shí)Rt兩端的電壓值減小為1.593V。當(dāng)溫度下降到20°c時(shí)，熱敏電阻因溫度下降而電阻值再次升高，影響橋式電路的輸出電壓，使得繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，燈泡被再次點(diǎn)亮，開始加熱，即圖中燈泡再次顯示為黃色，此時(shí)熱敏電阻的端電壓變大為3.257V，如下圖 圖4-4 溫度下降到20°c時(shí)的仿真狀態(tài)這樣，整個(gè)電路如此循環(huán)，就能將溫度控制在20&