熱帶魚缸溫度控制器設(shè)計

目錄1.前言 12.總體方案設(shè)計 22.1方案比較 22.2方案論證 32.3方案選擇 33.單元電路設(shè)計 43.1溫度傳感器電路 43.2555時基集成電路 53.3基于NE555設(shè)計閃光電路 63.4觸發(fā)器和加熱電路 73.5AD/DC電源變換電路 84.系統(tǒng)功能及調(diào)試 9系統(tǒng)工作原理 94.1.1電路元件選擇 94.1.2電路工作原理 104.2調(diào)試及參數(shù)計算 104.2.1相關(guān)參數(shù)計算 104.2.2系統(tǒng)調(diào)試 115.結(jié)論 126.總結(jié)與體會 137.致謝 148.參考文獻(xiàn) 159.附錄：熱帶魚缸溫度控制器原理圖 16現(xiàn)代都市生活使更多人需要得到精神的安慰，飼養(yǎng)寵物已經(jīng)成為一股經(jīng)久不息的潮流。然而現(xiàn)在由于禽流感和狂犬病的泛濫，關(guān)于動物之類的新型病也傳的沸沸揚揚，層出不窮，這樣使得人們常常飼養(yǎng)的鳥類和貓狗的生存與人類的安全沖突不斷。在這樣的新的形勢下，飼養(yǎng)幾條熱帶魚有可能將成為最新的趨勢?，F(xiàn)在市場上的熱帶魚價格也挺高的，感覺比較嬌貴，因此人們在飼養(yǎng)的過程中往往十分細(xì)致，特別是魚兒的生存環(huán)境是人們最值得關(guān)注的一部分，因而魚缸的選擇至關(guān)重要。隨著現(xiàn)代科技術(shù)日新月異的發(fā)展，特別是自動控制系統(tǒng)的發(fā)展，給人們帶來了很多新的想法，自動控制的智能魚缸便應(yīng)運而生了，而且市場前景非常令人期待。魚缸是養(yǎng)魚的必備用具，有了科技的發(fā)展，具有各種附加功能的新型魚缸也在市場上層出不窮。有的魚缸可以對缸內(nèi)的水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，有的魚缸可以通過噴氧來改善水質(zhì)，還有裝備定時喂食裝置的魚缸等等，并且逐漸邁向了智能化，自動化，使得這些魚缸都具有一定的科技含量，為喂養(yǎng)熱帶魚提供了方便。雖然已經(jīng)有很多成型的具有自動控制功能的魚缸上市，但也有些產(chǎn)品過于追求完善，增加科技含量，使得造價過高，不便于普及，又有一些系統(tǒng)設(shè)計不夠考慮周到，導(dǎo)致熱帶魚“不幸”身亡，因此，要設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，實用性和安全性都較好的魚缸控制系統(tǒng)比較有難度。在此針對熱帶魚的飼養(yǎng)對魚缸水溫的控制極為重要，設(shè)計了一個簡單的控制系統(tǒng)，主要利用溫度傳感器來進(jìn)行感溫，將水溫的物理信號通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，并接入一個測試電路兼控制電路，在特定條件下，通過加熱來控制魚缸內(nèi)的水溫，使魚兒有一個穩(wěn)定的生活環(huán)境。由于設(shè)計的選材基于廉價，實用的原則，非常適用于實際的熱帶魚缸的設(shè)計。在此設(shè)計中，選用了一個控制溫度可調(diào)傳感器，使得該系統(tǒng)的使用非常靈活，不僅可用于魚缸水溫的調(diào)節(jié)，其他一些類似的水溫調(diào)節(jié)也十分實用，可謂使用廣泛，應(yīng)該說是一個性價比較高的自動溫度控制器。2.總體方案設(shè)計2.1方案比較設(shè)計一個熱帶魚缸溫度控制器有很多種方案，現(xiàn)列出兩種方案如下：方案一：系統(tǒng)組成如圖所示，由4個部分組成：傳感器模塊、自動控制模塊、加熱模塊和顯示模塊。在自動控制模塊中用軟件編寫控制的方式，設(shè)定溫度控制域值，如果水溫低于20度，則自動啟動加熱模塊以保持水溫，而當(dāng)水溫高于24度則停止加熱，同時輸出溫度值到顯示模塊以實現(xiàn)水溫動態(tài)顯示。處理器處理器傳感器加熱模塊顯示模塊圖2.1方案一系統(tǒng)組成框圖方案二：利用555時基集成電路來實現(xiàn)，該系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2.2所示，主要由4部分組成：傳感器電路部分、AD/DC電源變換、555時基集成電路和加熱電路。通過傳感器設(shè)定水溫的控制范圍為20至24度，當(dāng)溫度在此之間時電路都會周而復(fù)始的工作，從而達(dá)到可靠控制魚缸中水溫的目的。555時基集成電路555時基集成電路傳感器電路加熱電路AD/DC電源變換圖2.2方案二工作原理框圖這里只對這兩個方案進(jìn)行比較，還有許多種方案設(shè)計沒有一一例舉，對于這兩個方案，結(jié)構(gòu)和模塊來看都不是很復(fù)雜，兩者都有可行性，方案一更多的是用軟件來控制溫度達(dá)到自動控制，所以軟件部分要求較高，方案二更多的在于電路的設(shè)計，合理的設(shè)計好各部分電路是設(shè)計成功的關(guān)鍵。2.2方案論證就第一種方案來看，結(jié)構(gòu)很簡單，可行性也還是非常高，并同時有加熱模塊和顯示模塊，同時實現(xiàn)了可視化和自動化，功能強(qiáng)大，設(shè)計起來有一定的難度。其中的難點可能是由于需要使用單片來實現(xiàn)軟件編程控制，而且傳感器在與單片機(jī)通信時還必須實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這對于設(shè)計人員的編程能力和單片機(jī)知識要求較高，調(diào)試起來我認(rèn)為會有些困難。第二個方案大部分電路都涉及到模擬電路知識，模塊也不是很多，結(jié)構(gòu)也相對簡單，各部分功能作用明顯，難點可能在于傳感器的選擇和各電路之間的合理連接，但只要弄清楚各單元的電路作用，選好相關(guān)硬件，就可以設(shè)計出一個簡單輕便，經(jīng)濟(jì)實惠，易于使用的魚缸水溫調(diào)節(jié)器。只要參數(shù)能夠處理好，控制精度也應(yīng)該十分的好，對于單純的控制魚缸水溫，設(shè)計這樣一個系統(tǒng)可以很好的滿足要求。2.3方案選擇經(jīng)過方案的比較和論證，以及自己對各部分知識的掌握情況和應(yīng)用能力，覺得方案二實行起來較為簡單，調(diào)試起來更為容易，于是在設(shè)計中選擇了方案二進(jìn)行，下面就對各部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計說明。3.1溫度傳感器電路選擇合適的溫度傳感器是設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，考慮到盡量簡單易行，搜集各種溫度傳感器資料后，最終選擇了電接點可調(diào)試水銀溫度計作為傳感器件，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.1所示。圖3.1電接點可調(diào)試水銀溫度計結(jié)構(gòu)簡圖電接點可調(diào)試水銀溫度計是利用水銀在透明的玻璃感溫泡和毛細(xì)管內(nèi)的熱膨脹作用來測量溫度的，其測量范圍也十分大，最大可測到-30℃—+300℃之間的溫度。在溫度計內(nèi)設(shè)有兩個接點1和2，一個在水銀柱一端，另一個則設(shè)在標(biāo)尺的任意一個設(shè)定位置，因此可以根據(jù)自己需要來調(diào)節(jié)需要測定的溫度區(qū)間。當(dāng)溫度升高使水銀柱上升到設(shè)定的接點位置時，兩個接點導(dǎo)通，從而接通外接電路，通過控制器對電器設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。此溫度計的這個功能恰好能應(yīng)用到設(shè)計當(dāng)中。電接點水銀溫度控制器是由玻璃水銀溫度計加裝電觸針?biāo)纬呻娊狱c開關(guān)而構(gòu)成的,其工作原理是利用溫度計中的水銀柱隨溫度變化而膨脹或收縮時接觸或斷開電觸針,從而接通或斷開外接電路,達(dá)到控制的目的。這種溫度計最突出的特點是具有可調(diào)節(jié)功能，特別是用于該設(shè)計，所要測定的溫度不是一個固定的值，而是一個穩(wěn)定的變化范圍，這種可調(diào)的溫度計正好解決了這個問題，可以將溫度計測定的范圍設(shè)置為自己想要控制的某個區(qū)間內(nèi)，十分方便。3.2555時基集成電路555時基集成電路是數(shù)字集成電路，是由21個晶體三極管、4個晶體二極管和16個電阻組成的定時器，有分壓器、比較器、觸發(fā)器和放電器等功能的電路。它具有成本低、易使用、適應(yīng)面廣、驅(qū)動電流大和一定的負(fù)載能力的特點。在電子制作中只需經(jīng)過簡單調(diào)試，就可以做成多種實用的各種小電路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三極管電路。是該設(shè)計的一個首選電路。555時基電路國內(nèi)外的型號很多，如國外產(chǎn)品有：NE555、LM555、A555和CA555等；國內(nèi)型號有5GI555、SL555和FX555等。圖3.2為NE555的引腳圖，圖3.2則顯示了NE555時基集成電路的內(nèi)部電路圖。圖3.2NE555時基集成電路引腳圖圖3.3NE555時基集成電路內(nèi)部框圖盡管555時基電路型號很多，但它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳序號都相同，因此，可以直接互相代換。在這里我選擇了最常用的NE555作為設(shè)計電路之用。

555時基集成電路各管腳的作用：腳①是公共地端為負(fù)極；腳②為低觸發(fā)端TR，低于1／3電源電壓以下時即導(dǎo)通；腳③是輸出端V，電流可達(dá)2000mA;腳④是強(qiáng)制復(fù)位端MR，不用可與電源正極相連或懸空;腳⑤是用來調(diào)節(jié)比較器的基準(zhǔn)電壓，簡稱控制端VC，不用時可懸空，或通過0.01μF電容器接地;腳⑥為高觸發(fā)端TH，也稱閾值端，高于2/3電源電壓發(fā)上時即截止;腳⑦是放電端DIS;腳⑧是電源正極VC。555時基集成電路的主要參數(shù)為（以NE555為例）：電源電壓4.5～16V。輸出驅(qū)動電流為200毫安。作定時器使用時，定時精度為1％。作振蕩使用時，輸出的脈沖的最高頻率可達(dá)500千赫。使用時，驅(qū)動電流若大于上述電流時，在腳輸出端加裝擴(kuò)展電流的電路，如加一三極管放大。3.3基于NE555設(shè)計閃光電路在魚缸溫度控制器的設(shè)計過程中，為了能夠直觀了解加熱情況和缸內(nèi)溫度情況，利用555時基電路的功能，設(shè)計兩個紅綠指示燈是十分必要的，因此特意設(shè)計閃光電路來解決這個問題。圖3.4便是閃光電路的功能電路接線圖。圖3.4基于NE555的閃光電路接線圖如圖，555時基集成電路由輸入端R3、RP和C4組成一個振蕩電路，腳③輸出的電平不斷高低翻轉(zhuǎn)，當(dāng)腳③輸出低電位時，VD1導(dǎo)通發(fā)光，VD2滅；當(dāng)腳③輸出低電位時，VD1滅，VD2導(dǎo)通發(fā)光。這樣紅綠發(fā)光二極管交替發(fā)光閃爍。電路工作時，可先將可調(diào)電阻動片的接觸點擰到中間位置，然后再將電阻值增大或者減少，這時發(fā)光二極管交替發(fā)光的時間也隨之增大或者減少，但并不十分明顯。如果用不同容值的電容去替換C4，交替發(fā)光時間的長短就十分明顯了。其振蕩頻率（即每秒發(fā)光二極管的閃爍次數(shù)）只要改變RP的阻值和C的電容量，就能實現(xiàn)。但本設(shè)計中還有其他功能電路，其發(fā)光時間并不是靠改變RP的阻值和C的電容量來實現(xiàn)的。3.4觸發(fā)器和加熱電路在該設(shè)計中，加熱電路是控制功能執(zhí)行最重要的一環(huán)，并且加熱與否要與魚缸內(nèi)的水溫緊密相關(guān)，于是需要設(shè)計一個可靠的驅(qū)動電路來控制加熱電路，這里用觸發(fā)器來觸發(fā)一個加熱開關(guān)是個很好的方案，經(jīng)過挑選，我選用了觸發(fā)器CC4098來控制，其引腳圖如圖3.5所示。圖3.5CC4098引腳圖CC4098由兩個可重觸發(fā)的單態(tài)觸發(fā)器組成,Q和Q輸出有緩沖，輸出特性對稱，該器件在工作是應(yīng)在Cext和Rext/Cext端間外接電容C,Rext/cext和VDD端間外接電阻R，每個觸發(fā)器具有上升沿觸發(fā)輸入（TR+)和下降沿觸發(fā)輸入（TR-),不用的TR+應(yīng)接Vss,不用的TR-應(yīng)接VDD.對于非可重觸發(fā)方式，當(dāng)采用TR+觸發(fā)時,TR-應(yīng)接至Q;當(dāng)采用TR觸發(fā)時TR+應(yīng)接至Q0直接復(fù)位RD為低電平時,終止輸出脈沖,RD不用時應(yīng)接VDD(當(dāng)整個觸發(fā)器不用時,RD應(yīng)接VSS).外電阻R和外電容C用來確定輸出脈沖寬度.傳輸延遲時間(分別由TR和RD至Q和Q)與R及C無關(guān).由此，加熱電路由觸發(fā)器和加溫器兩部分構(gòu)成，加溫器與一個開關(guān)串聯(lián)在一起，觸發(fā)器CC4098從收到的信號來控制開關(guān)的關(guān)斷，從而決定是否加熱，達(dá)到自動控制的目的。因而加熱器與開關(guān)連接方式如圖所示。圖3.6加熱器與開關(guān)串聯(lián)3.5AD/DC電源變換電路在電源設(shè)計環(huán)節(jié)，考慮實際，用家用電作為供電源十分方便，因此必須設(shè)計一個交直流變換電路供控制電路所需，在這里，設(shè)計了一個簡單的變換電路如圖3.6所示。圖3.6電源變換電路如圖，電路工作原理為右側(cè)輸入220V/50Hz的家用電，經(jīng)過C3作用而降壓，VD作為整流二極管使用起到整流的作用，再經(jīng)過DW的穩(wěn)壓，C4濾波，則在C4兩端得到直流電壓Vo，其值大約為12V，剛好用作直流電路供電。這樣就完成了使用家用電來為直流電路供電的轉(zhuǎn)換。另外，采用家用電供電還方便了加熱器的供電，因為魚缸專用的加溫器或加熱器都采用市電作為電源。及調(diào)試經(jīng)過前面各個單元電路的設(shè)計，所設(shè)計的熱帶魚缸溫度控制器的總體也就規(guī)劃出來了。經(jīng)過分析和選擇，聯(lián)接好各個單元電路，就組成了一個完整的工作系統(tǒng)。其工作的電路原理圖如圖4.1所示。圖4.1熱帶魚缸自動溫度控制器電路原理圖電路元件選擇對照電路原理圖，對電路各部分元件經(jīng)性選擇如下：傳感器P1選用接點可調(diào)試水銀溫度計。IC選用NE555時基集成電路。LED1選用2EF105全塑紅色二極管，LED2選用2EF105全塑綠色二極管，VD1選用IN4001,DW選用2CW60/12穩(wěn)壓管，VD2選用IN4007。Ω直線型碳膜電位器；電阻全部為0.125-0.25W碳膜電阻。電容選用普通瓷片電容，電解為CD11系列。J1選用CC4098。RH選用魚缸專用管棒式加溫器。其中有些元件的具體接入的值需要經(jīng)過參數(shù)計算后才能確定。電路工作原理通電后，220V交流電經(jīng)C3降壓、VD2整流、C4濾波、DW穩(wěn)壓，在C4兩端取得12V直流電壓為調(diào)節(jié)器供電。接點可調(diào)節(jié)式水銀溫度計P1和加熱器RH置于魚缸水中，設(shè)定水溫控制范圍為20-24℃，當(dāng)水溫低于24℃時，P1的觸針1和水銀面2處在斷開狀態(tài)。這時，由IC（NE555）組成的單穩(wěn)態(tài)2腳為高電平“1”，IC處在“穩(wěn)態(tài)”，3腳Uo=0V，J1不動作，其常觸點J1-1接通，RH由家用電供電對水加熱。這時紅色的LED1被點亮，表示調(diào)節(jié)器處在加熱狀態(tài)，水溫隨之升高。當(dāng)水溫升至24℃時，P1中1和2接點接通電路，IC的2腳電位立刻為“0”，，于是IC進(jìn)入“暫態(tài)”，Uo輸出電壓，J1得電而動作，常閉觸點J1-1被斷開，RH停止對水加熱。之后水溫逐漸下降，此時，P1的1、2接點斷開，但C1上電壓在未充到2/3E之前，IC維持“暫態(tài)”不變。經(jīng)過時間T1后，水溫降至預(yù)控溫度的下限值20℃。如果通過調(diào)節(jié)RP使IC單穩(wěn)態(tài)的“暫態(tài)”時間Td與T1相等，那么，當(dāng)水溫降至20℃時，IC“暫態(tài)”剛好結(jié)束，電路立刻為“穩(wěn)態(tài)”，于是J1釋放，J1-1又被接通，RH又開始加熱。如此來保持魚缸中水溫在20-244.2調(diào)試及參數(shù)計算相關(guān)參數(shù)計算由于555時基集成電路要求的電源電壓在4.5～16V之間，因此將電源變換電路輸出電壓的值設(shè)為了12V，在選擇降壓電容的時候，因為通過降壓電容C3向負(fù)載提供的電流Io，實際上是流過C3的充放電電流Ic。C3容量越大，容抗Xc越小，則流經(jīng)C3的充、放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io小于C3的充放電電流時，多余的電流就會流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax小于Ic-Io時易造成穩(wěn)壓管燒毀。而且為保證C3可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓，泄放電阻R4的選擇必須保證在要求的時間內(nèi)泄放掉C3上的電荷。C3在電路中的容抗Xc為：Xc=1/（2πfC）流過電容器C3的充電電流（Ic）為：通常降壓電容C3的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)為：C=14.5I，其中C的容量單位是μF，Io的單位是A。另外，比較重要的一個參數(shù)是NE555的暫態(tài)時間，根據(jù)電路連接特性，其參數(shù)確定的公式為：Td=1.1（R1+Rp）C1電路中接入R1為510KΩΩ，C1為1000μ的電容值，由此代入關(guān)系式計算得Td≈8.5~63.5min。可見其可調(diào)的范圍還是非常大的。則只要時間T1在這個范圍之內(nèi)，都可以準(zhǔn)確的自動控制魚缸內(nèi)的水溫。系統(tǒng)調(diào)試從前面的設(shè)計過程可以看出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，所以調(diào)試起來也比較容易，只要電路的接法和參數(shù)選擇上沒有問題，很快便會調(diào)試成功。電路連好過后，通電一會兒后，可以看到紅色的發(fā)光二極管被點亮，加熱棒開始工作，溫度計中水銀面上升，直到上升到接點1，以后紅色的發(fā)光二極管熄滅，綠色的發(fā)光二極管被點亮，說明加熱完成。之后記錄溫度計中水銀面下降到20℃時的時間，方便調(diào)節(jié)滑動變阻器，使NE555的暫態(tài)時間Td與這個時間相等，以便精確控制水溫變化。電源部分采用220V交流電輸入，所以調(diào)試過程應(yīng)該注意安全。經(jīng)過兩個星期的努力，最終順利完成了熱帶魚缸溫度控制器的設(shè)計，經(jīng)過調(diào)試和參數(shù)計算，基本能達(dá)到要求，總的來說，這次設(shè)計比較成功。但由于自己的水平有限，可能設(shè)計得還不夠完善，還有一些模塊值得改進(jìn)和增強(qiáng)，比如說電源電路的設(shè)計略顯簡單，而且存在一個問題，就是長期使用電容值減小后,輸出的直流電壓也會變化，將導(dǎo)致電路不能正常工作。如果條件允許的話，我認(rèn)為電源可改用變壓器T降壓供電，雖然安裝上不太方便，并且這比用電容降壓價格要高一些，可選用5W、12V/220V的經(jīng)濟(jì)變壓器比較好。另外，用普通橋式整流，電容濾波加穩(wěn)壓，能夠使電路更加完善。參考文獻(xiàn)[1]趙家貴.傳感器電路設(shè)計手冊.北京：中國計量出版社2002[2]何希才.實用傳感器接口電路實例.北京：中國電力出版社2007[3]陳有卿.實用555時基電路300例.北京：中國電力出版社2005[4]沈錦飛.電源變換應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2007[6]劉暢生.HYPERLINK"://202.115.151.108:8080/OPAC/openlink.php?title=%E4%BC%A0%E6%84%9F%E