水溫控制系統(tǒng)

水溫控制系統(tǒng)摘要該設(shè)計(jì)要完成的是水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足題目要求的水溫實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的測(cè)量。主要運(yùn)用了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)中的比例放大器、電壓比較器、二極管等知識(shí)。外界溫度通過(guò)溫度傳感器LM35轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大十倍后用比較器與基準(zhǔn)電壓比較，從而控制加熱電路的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量和水溫的控制，使得當(dāng)水溫高于設(shè)定的溫度時(shí)停止加熱，低于給定溫度時(shí)開(kāi)始加熱，做到了實(shí)時(shí)控制，具有良好的應(yīng)用性。關(guān)鍵詞：比例放大器；溫度傳感器；電壓比較器；繼電器目錄TOC\o"1-5"\h\z1 前言 12統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 1\o"CurrentDocument"2.1水溫控制的基本思路 1\o"CurrentDocument"2.2水溫控制原理 2\o"CurrentDocument"3 設(shè)計(jì)方案與認(rèn)證 2\o"CurrentDocument"3.1總體設(shè)計(jì)方案 2\o"CurrentDocument"3.2各部分電路方案認(rèn)證 2\o"CurrentDocument"3.2.1溫度傳感器 2\o"CurrentDocument"比例放大器 4\o"CurrentDocument"電壓比較器 6\o"CurrentDocument"3.2.4繼電器 7\o"CurrentDocument"3.2.5加熱部分 9\o"CurrentDocument"4電路的仿真與調(diào)試 10\o"CurrentDocument"4.1電路的仿真 10\o"CurrentDocument"4.2電路的調(diào)試 10\o"CurrentDocument"5電路的特點(diǎn)及改進(jìn) 10\o"CurrentDocument"6課程設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì) 11參考文獻(xiàn) 1 2\o"CurrentDocument"附錄I元件清單 1 3附錄II整體電路圖 1 4第一章前言在日常生活中通過(guò)水溫控制來(lái)給人們帶來(lái)舒適的，方便的生活同，例如剛在外工作回家的男人一定會(huì)很疲倦了，如果能夠洗個(gè)熱水澡，那真是非常好的事情了，這樣能夠讓一天的疲憊隨著溫?zé)岬牧魉畮ё吡?，家庭言主婦為家人煮一個(gè)熱噴噴的湯水，煮好以后就這樣放著也會(huì)變涼的，如何保持溫的恒定呢？這就需要水溫控制系統(tǒng)了。水溫控制在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛，分類(lèi)較多，不同水溫控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同，本設(shè)計(jì)是基于模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上的電路，通過(guò)溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來(lái)控制溫度。第二章統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖2-1水溫控制系統(tǒng)原理框圖2.1水溫控制的基本思路要實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制，首先，要準(zhǔn)確的檢測(cè)到水的溫度；其次，要把檢測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；再次，將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大十倍后用比較器與基準(zhǔn)電壓比較，從而控制加熱電路的通斷。

2.2水溫控制原理本設(shè)計(jì)要將水溫轉(zhuǎn)化成電信號(hào)才能控制。所以采用溫度傳感器LM35來(lái)轉(zhuǎn)化溫度,經(jīng)適當(dāng)放大后與設(shè)定的電壓比較，設(shè)定的電壓就代表特定的溫度值。當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時(shí),控制電路停止加熱；當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度時(shí),使電路接通加熱。這樣就能自動(dòng)控制溫度在某個(gè)值或小范圍波動(dòng)。第三章設(shè)計(jì)方案與認(rèn)證3.1總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)緒論中的原理方框圖,該設(shè)計(jì)問(wèn)題可分為溫度傳感器模塊,放大器模塊,比較器模塊,繼電器模塊,加熱模塊。3.2各部分電路方案認(rèn)證3.2.1溫度傳感器本設(shè)計(jì)選用LM35溫度傳感器連轉(zhuǎn)化溫度。LM35的輸出電壓與攝氏溫度呈線(xiàn)性關(guān)系,轉(zhuǎn)換公式為：在0°C時(shí)輸出為0V,每升高1°C輸出電壓增加10mV,LM35的外觀如圖3.1所示，邏輯圖如圖3.2所示：V=V=10mV/outoC圖3.1

+Vs(4VTO20V)+Vs(4VTO20V)LM35—OUIFUTLM35—0nW+IO.OmV/^C圖3.2LM35溫度傳感器的特性參數(shù)及優(yōu)點(diǎn)：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)；因晶體片微調(diào)而低費(fèi)用；適用于遙控設(shè)備；只有1/4T非線(xiàn)性值；保證0.5°C精度(在+25°C時(shí))；；小于60pA漏泄電流；較低自熱，在靜止空氣中0.08°C；低阻抗輸出，1mA負(fù)載時(shí)0.1Q工作在4?30V；-55?+150°C額定范圍；線(xiàn)性+10.0mV/°C比例因數(shù)極限參數(shù)：電源電壓一+35V?-0.2V輸出電壓一+6V?-1.0V輸出電流一10mALM35輸出電壓與攝氏溫度線(xiàn)性成比例，因而LM35有優(yōu)于用開(kāi)爾文標(biāo)準(zhǔn)的線(xiàn)性溫度傳感器，LM35無(wú)需外部校準(zhǔn)或微調(diào)來(lái)提供1/4°C的常用的室溫精度，在-55?+150°C溫度范圍內(nèi)為3/4C，LM35的額定工作溫度范圍為-55?+150C。由于LM35采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0°C開(kāi)始。比例放大器圖3.3圖3.4LM158包含了兩個(gè)獨(dú)立的高增益，頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器，這樣的設(shè)計(jì)使LM158得以在寬范圍電壓、單電源供電的狀況下工作。當(dāng)兩個(gè)電源電壓之間的差額控制在3V到30V之間；VCC子最低1.5V，比輸入共模電壓更積極，LM158在分離電源下工作也具有可行性。LM158的低電源電流消耗與供電電壓的大小無(wú)關(guān)。LM158的外觀圖如圖3.3所示。LM158包括傳感器放大器，直流放大塊，和所有的傳統(tǒng)運(yùn)算放大器，豐富的內(nèi)部資源使LM158更容易實(shí)現(xiàn)在單電源電壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，這些器件可以直接在數(shù)字系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的5V電源電壓下操作，而無(wú)需在電子接口處額外使用5V的電源電壓。LM158的邏輯圖如3.4。LM158引腳兼容LM258A、LM2904。LM158的工作溫度范圍在-25°C至85°C之間；LM258A工作溫度在-55C至125C之間；LM2904工作溫度在-40C至125°C之間。LM158的具體參數(shù)如下：寬電源電壓范圍：一單電源供電……3V至30V—雙電源低電源電流：0.7毫安低輸入偏置和失調(diào)參數(shù)：—輸入失調(diào)電壓……3mV—輸入失調(diào)電流……2nA—輸入偏置電流……20nA差分輸入電壓范圍等于最大額定電壓：32V開(kāi)環(huán)差分電壓：100伏/mV內(nèi)部頻率補(bǔ)償圖3.5此設(shè)計(jì)用正相比例放大器，使輸出時(shí)為正電壓，考慮到控制的溫度是室溫到80<€，所以取放大器的放大倍數(shù)為10倍比較合適。正相比例放大器的原理圖如圖3.5所示：由運(yùn)放的—虛短”—虛斷”的性質(zhì)有：v=vPNi=0ivv一v

/.L=o iRR12（1Rv=（1+厶）

o R1這里取Ri=10KO，貝【JR2=90KO，因?yàn)殡娫措妷簽?0V,保持10倍放大，則設(shè)定的電壓值與溫度的轉(zhuǎn)換關(guān)系就為10倍，比較容易控制和調(diào)節(jié)。電壓比較器這里采用簡(jiǎn)單的單門(mén)限電壓比較器，使用的運(yùn)算放大器為L(zhǎng)M158中的一個(gè)。電路圖如圖3.6：圖3.6圖3.6中5接放大器的輸出電壓作為比較器的輸入電壓，接+10V,7接輸出電壓，。此時(shí)放大器工作在非線(xiàn)性狀態(tài)，輸出電壓只有正或負(fù)兩種飽和值。這種情況下運(yùn)算放大器的輸入端虛短不再適用。當(dāng)vp>時(shí)，卩。=10V，當(dāng)vp<Vn時(shí)，％=—10V。這種情況下,運(yùn)算放大器的虛短仍然可用,則有：U+=R4/(R3+R4)10V由于本設(shè)計(jì)要求基準(zhǔn)溫度為可任意設(shè)定的，如表3.1：溫度/°c20304050607080R4/(R3+R4)1/43/72/31/13/27/34/1表3.1所以選R3=100?，R4為滑動(dòng)變阻器，范圍為0~400。由運(yùn)放的非線(xiàn)性特性：U+>U-時(shí)，U0二UOHU+<U-時(shí)，U0二UOLU+=U-時(shí)，UOL<UO<UOH可有：U+>U-時(shí)，U0二U+；U+<U-時(shí)，U0二-U+。繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)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。繼電器按作用原理分為電磁繼電器、固態(tài)繼電器、時(shí)間繼電器、溫度繼電器、風(fēng)速繼電器、加速度繼電器等，考慮到本設(shè)計(jì)原理及可操作性，選用額定電壓為10V的常開(kāi)型電磁繼電器。電磁式繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓，線(xiàn)圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、釋放從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線(xiàn)圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱(chēng)為“常開(kāi)觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為“常閉觸點(diǎn)”。在本設(shè)計(jì)中，無(wú)電流通過(guò)繼電器時(shí)，繼電器開(kāi)關(guān)不吸合，不進(jìn)行水溫加熱；當(dāng)有一定的電流通過(guò)時(shí)，繼電器產(chǎn)生磁性是高壓端開(kāi)關(guān)閉合，加熱電路構(gòu)成回路，開(kāi)始加熱水。其內(nèi)部構(gòu)造及工作原理如圖3.7：圖3.7當(dāng)?shù)蛪弘娫炊碎_(kāi)關(guān)接通后電磁鐵由于電流產(chǎn)生磁性，吸住磁鐵使高壓電源的開(kāi)關(guān)接通，實(shí)現(xiàn)了低壓控制高壓。下面要解決的問(wèn)題就是怎樣在電路中實(shí)現(xiàn)低壓電源端的開(kāi)關(guān)自動(dòng)打開(kāi)和閉合?？紤]到比較器的輸出電壓為正或負(fù)的10V,就可想到二極管的單向?qū)щ娦?。因此可以用二極管來(lái)代替自動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用。使用發(fā)光二極管能夠看到電路的通斷。繼電器模塊的電路圖如圖3.8：圖3.8圖中Port端接比較器模塊的輸出電壓作為此電路的輸入電壓，當(dāng)輸入電壓為+10V時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，當(dāng)輸入電壓為一10V時(shí)，發(fā)光二極管截止。接入三極管的目的是放大電流信號(hào)，使繼電器能正常工作。由于發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流與三極管的基極電流不匹配（發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流大一些），故需要在發(fā)光二極管的負(fù)極接一個(gè)電阻，與基極電阻并聯(lián)，這樣流入基極的電流就變小，使三極管能正常工作。加熱部分按其化學(xué)元素的含量和組織結(jié)構(gòu)的不同，可分為二大類(lèi)：一類(lèi)是鐵鉻鋁合金系列，另一類(lèi)為鎳鉻合金系列，它們作為電熱材料分別具有各自的較多的優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛的使用。鐵鉻鋁合金系列主要優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：鐵鉻鋁電熱合金其使用溫度高，最高使用溫度可達(dá)1400度，使用壽命長(zhǎng)、表面負(fù)荷高、抗氧化性能好、電阻率高，價(jià)格便宜等。缺點(diǎn)：主要是高溫強(qiáng)度低，隨著使用溫度升高其塑性增大，元件易變形，不易彎曲和修復(fù)。鎳鉻電熱合金系列主要優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高溫強(qiáng)度較鐵鉻鋁高，高溫使用下不易變形，其結(jié)構(gòu)不易改變，塑性較好，易修復(fù)，其輻射率高，無(wú)磁性,耐腐蝕性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)等。缺點(diǎn)：由于采用較稀缺的鎳金屬材料制成，故該系列產(chǎn)品價(jià)格高出鐵鉻鋁最多達(dá)幾倍，使用溫度較鐵鉻鋁低?？紤]到以上因素，故加熱電路選用額定功率為2.5kw的鐵鉻鋁合金電熱絲，一端接有220V，10A的市電。為了保護(hù)電路，給電熱絲一端串入保險(xiǎn)絲。電路圖如圖3.9：圖3.9第四章電路的仿真與調(diào)試4.1電路的仿真本設(shè)計(jì)用proteus進(jìn)行仿真，在繪制電路圖的過(guò)程中，要注意溫度傳感器、發(fā)光二極管以及運(yùn)算放大器管腳的接法。在仿真過(guò)程中，當(dāng)把溫度傳感器的溫度調(diào)的過(guò)高、滑動(dòng)變阻器的阻值調(diào)的過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，不能進(jìn)行仿真，這點(diǎn)要特別注意。一般情況下，溫度傳感器LM35的溫度調(diào)成60°C左右，滑動(dòng)變阻器的可動(dòng)觸頭置于中間。4.2電路的調(diào)試仿真圖畫(huà)好后，分別在溫度傳感器LM35輸出端、放大器的輸出端接上直流電壓表,設(shè)為VI、V2。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使設(shè)定的溫度為40Co當(dāng)室溫為35C時(shí)，可觀察到V1=0.4V,V2=2.02v,這時(shí)發(fā)光二極管亮，表明此時(shí)繼電器開(kāi)關(guān)閉合，加熱電路工作；升高溫度傳感器的溫度，很快就可以觀察到發(fā)光二極管熄滅，表明繼電器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，停止對(duì)水的加熱。第五章電路的特點(diǎn)及改進(jìn)這個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中用到了LM35和LM158集成塊，主要運(yùn)用了模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)中的放大器和比較器的知識(shí)，耗材小，省電，安全?；径寄苓_(dá)到預(yù)想的目標(biāo)。由于測(cè)量是在仿真情況下進(jìn)行的，故不會(huì)存在外界因素的干擾而使測(cè)量結(jié)果有所偏差。本設(shè)計(jì)中所存在的誤差主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一是仿真軟件本身存在的不精確問(wèn)題；二是設(shè)計(jì)者自己對(duì)滑動(dòng)變阻器阻值選取的不夠恰當(dāng)。設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)符合任務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溫的實(shí)時(shí)控制——當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時(shí)加熱電路會(huì)自動(dòng)進(jìn)行加熱；當(dāng)水溫高于設(shè)定溫度時(shí)，便會(huì)停止加熱。本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了模擬電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，比如同向比例放大器、反向電壓比較器、發(fā)光二極管，同時(shí)也應(yīng)用了傳感器的知識(shí)，在實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)與電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)，用到了溫度傳感器LM35,很好的做到了這兩類(lèi)信號(hào)的線(xiàn)性轉(zhuǎn)換。這個(gè)電路也存在改進(jìn)的地方。本設(shè)計(jì)沒(méi)有結(jié)合單片機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，還有在設(shè)定溫度時(shí)需要用萬(wàn)用表測(cè)量電壓，如果有數(shù)碼管的話(huà)就可以直接顯示所調(diào)電壓（即溫度）的值，那樣的話(huà)會(huì)更方便。第六章課程設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì)在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，把我們剛學(xué)完模電的相關(guān)知識(shí)就運(yùn)用到電路中，剛開(kāi)始覺(jué)得很難，相關(guān)的知識(shí)掌握得不到位，但隨著設(shè)計(jì)的深入，發(fā)現(xiàn)所學(xué)的知識(shí)在我設(shè)計(jì)的電路中得到了很好的運(yùn)用，盡管遇到了許多突發(fā)事件和各種困難，設(shè)計(jì)制作曾一度中斷，在這個(gè)過(guò)程中我感觸很深，它不僅是一個(gè)對(duì)我學(xué)習(xí)知識(shí)情況和自我應(yīng)用動(dòng)手能力的檢查，