模拟电子技术基础课程设计说明书水温控制系统的设计与制作

课程设计任务书课程设计任务书学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 电子电子 0803 班班 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 信息工程学院信息工程学院 题题 目目: 水温控制系统的设计与制作水温控制系统的设计与制作 初始条件：初始条件： 可选元件：温度传感器、继电器、集成运算放大器、电容、电阻、电位器若干、二极管以及发光二极管、三极管、直流电源12V。可用仪器：万用表。要求完成的主要任务要求完成的主要任务: （1）设计任务）设计任务根据技术指标和已知条件，选择合适的温度传感器、选择合适的继电器或晶闸管。完成对水温控制系统的设计、装配与调试。（2）设计要求）设计要求 设计制作可以测量和控制温度的温度控制器测量和控制温度范围：580，控制精度：1，控制对象：双向晶闸管或继电器，晶闸管或继电器触点连接：一组转换接点（市电 220V/50Hz/2A） 。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。 （选做：用 PSPICE 或 EWB 软件完成仿真） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。时间安排：时间安排：1、 2010 年 1 月 19 日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。2、 2010 年 1 月 20 日 至 2010 年 1 月 21 日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3、 2010 年 1 月 22 日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名：指导教师签名： 年年 月月 日日系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名： 年年 月月 日日 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书目目 录录摘摘 要要.I1 绪绪 论论.12 设计内容及要求设计内容及要求.22.1 设计的目的和主要任务.22.1.1 设计目的.22.1.2 设计任务及主要指标.22.2 设计思想.23 选定方案的论证及整体电路的工作原理选定方案的论证及整体电路的工作原理.33.1 选定方案的论证.33.2 稳压电路的设计.43.2.1 电路原理方框图.43.2.2 电路工作原理.44 单元电路的设计与元器件选择单元电路的设计与元器件选择.54.1 电源电路.54.2 温度传感器.54.3 继电器.64.4 比较器.74.5 放大器.85 程序流程图程序流程图.106电路安装与调试电路安装与调试.116.1 电路安装.116.2 电路调试.117课程设计心得体会课程设计心得体会.12参考文献参考文献.13附录附录 元件清单元件清单.14附录附录 整体电路图整体电路图.15武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书I摘 要模拟电子技术课程设计对所学的基础理论知识是一次实践检测的过程。为了实现水温控制，我制作了一个水温控制电路。该系统由 LM35 温度传感器、放大器、比较器和继电器组成，可以实现温度的测量以及对 580之内的温度进行控制。首先由温度传感器进行温度-电流的转换，经放大器放大，然后与设置好的温度进行对比，通过发光二极管的状态来判断所测的温度与设定的温度的大小关系，最后通过继电器的动作达到对温度的控制。关键词：温度传感器、比较器、继电器。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书IIAbstract Analog Electronics Technology Course Design on the basis of theoretical knowledge learned in practice is a test process. In order to achieve temperature control, I created a temperature control circuit. The system consists of LM35 temperature sensor, amplifier, comparator and relay the composition, temperature measurements can be achieved as well as within 5 80 temperature control. First, the temperature from the temperature sensor - current conversion, amplification by the amplifier, and then the temperature and setting a good contrast to the state through the light-emitting diodes to determine the measured temperature and set the size of the temperature, and finally through the relay action to achieve temperature control. Key words: Temperature sensors, Comparators,Relays.武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书11 绪绪 论论随着科学技术的飞速发展，电子技术已广泛应用于国防、交通、科技及工农业生产等各个领域，它与人们的工作和生活息息相关。因此，只有掌握电子技术的基本知识和实用技能，才能适应高速发展的信息时代。现代电子技术的快速发展,数据的采集与处理广泛地应用在自动化领域中。在生活或工业领域中，我们常看到某些特定场合或某些特殊的装置环境温度，须控制在一定范围内，或保持恒定，实现该功能的电路就是温度控制装置。水温控制系统设计的形式方案很多。此设计所采用的电路设计方案是由水温监测电路，水温范围测量电路，电阻丝开关电路，以及电源电路组成。水温监测电路是采用温度传感器将温度信号转化成电信号。而水温范围测量电路是采用比较器，其中电路中采用集成运放电路。而电阻丝开关电路是由三级管和继电器组成。这样通过温度信号转化成电信号与基准电压进行比较来输出电压信号，控制继电器的开关来控制外电源，是否对水进行加热，以次来控制水的温度，使其符合预定的温度。其总体流程图如图 1 所示。现代社会的电子科技的日新月异，这就要求我们独力思考，理论联系实际，并且发挥我们的创新意识，此次模电课程设计为我们提供了良好的实践平台，也为我们走向社会提供了良好的基础。我们通过此次设计能将学到的理论知识应用于实际，不仅能巩固书本上的知识，而且要求我们独立查阅资料，设计电路，焊接电路板，培养我们独立思考的能力。我希望自己能够充分利用这次机会，更加深刻的了解课本上的知识，以及培养自己的动手操作能力。图 1-1 水温检测电路武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书22 设计内容及要求设计内容及要求2.1 设计的目的及主要任务设计的目的及主要任务2.1.1 设计的目的设计的目的（1）通过对温度控制电路的设计、安装和调试了解温度传感器的性能，学会在实际电路中应用；（2）进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。2.1.2 设计任务及主要技术指标设计任务及主要技术指标（1） 设计制作可以测量和控制温度的温度控制器测量和控制温度范围：580，控制精度：1，控制对象：继电器，继电器触点连接：一组转换接点（市电220V/50Hz/2A）。（2）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并 画出总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE 或EWB 软件完成仿真）（3） 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。2.2 设计思想设计思想整个电路通过温度检测系统对温度信息进行检测、提取，送至处理系统，进行与预设温度的比较，然后将比较结果送至电路的控制系统，控制系统对结果做出反应，或加热或停止加热，以此来达到将水温控制的目的。本课设电路中应用温度传感器将温度信息转换为数字电信号，在由单片机换算处理后，并与预先设定的温度值相比较，然后将结果转化为高低电平并送至继电器控制部分以达到控制电路的目的，同时单片机将温度信息送至液晶屏，使其实时显示水温。而本实验的重点在于水温的检测，因为它决定了电路是否可以准确的达到自动控武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书3制作用。3 选定方案的论证及整体电路的工作原理选定方案的论证及整体电路的工作原理3.1 选定方案的论证选定方案的论证以LM35温度传感器温度检测部分，集成运放为水温处理器，继电器为执行部分的水温控制电路。该电路通过温度传感器采集温度信号，再由LM324 运放将微弱的电信号放大，送至比较器。若信号大于同向端电位，则比较器输出低电平-UTH，从而驱动继电器常闭引脚断开，加热装置停止加热；若信号小于同向端电位，则比较器输出低电平+UTH，从而使继电器常闭引脚闭合，加热装置开始加热。比较器的同向端电位即为所控制的温度。图 3-1 水温控制系统电路图武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书43.2 整体电路的工作原理整体电路的工作原理3.2.1 电路原理方框图电路原理方框图图 3-2 水温控制系统原理框图3.2.2 电路工作原理电路工作原理 本电路由温度传感器、温度设置、数字显示（万用表电压档）和输出功率级等部件组成。温度传感器的作用是把温度信号转换为电流或电压信号。信号经放大后万用表显示其温度值，并同时送入比较器与预先设定的电压（对应控制温度点）进行比较，由比较器输出电平高低变化来控制执行机构（继电器）工作，实现温度自动控制。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书54 单元电路的设计计算，元器件选择单元电路的设计计算，元器件选择4.1 电源电路电源电路一个完整的系统往往有自己的独立电源，故在水温控制系统中加入了独立电源。本系统采用的电源为+12V 和-12V 的直流电压。加热电源可以用市电 220V 的交流电，但考虑到方便和安全性，本次实验直接用吹风机代替加热装置对温度传感器进行加热，从而模拟水温形同的控制。4.2 温度传感电路温度传感电路此处采用的是 LM35 温度传感器，其输出的电压线性的与摄氏温度成正比。因此，LM35 比按绝对温标校准的线性温度传感器优越的多。LM35 输出电压与摄氏温度一一对应，使用极为方便。灵敏度为 10.0mV/,精度在 0.4 至 0.8（-55至+150 温度范围内），所以可以满足此次实验的温度测量和控制。再者，LM35 具有低输出阻抗，线性输出和内部精密校准使其与读出或控制电路接口简单和方便。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书6图 4-1 温度传感器电路示意图4.3 继电器继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书7图 4-2 继电器电路图部分4.4 比较器比较器首先，集成运算放大器的同相输入端的电压输入由电阻分压提供。调节电位的旋钮，可以再 0 至 8V 任意设置一电压值作为设定电压，然后与经放大后的电压（温度传感器输出的电压放大后的输出级）进行比较，若放大电压比设定电压大，则放大器输出为负电压，此时发光二极管不发光；若放大电压比设定电压小，则放大器输出为正电压，此时二极管发光。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书8图 4-3 比较器电路图4.5 放大器放大器该放大器为典型的电压并联负反馈放大器，具有稳定输出电压的作用，同时能提高增益稳定性。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书9图 4-4 放大器的电路武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书105 程序流程图程序流程图调节电位器设置温度开始温度传感器将温度转化为电信号运放对信号放大十倍比较器对两端电位进行比较通过控制发光二极管通断再控制继电器工作控制电热丝是否加热武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书116 电路安装与调试电路安装与调试6.1 电路安装电路安装在系统的学习了模拟电子技术知识之后，再通过查阅相关资料。我设计出了水温控制电路，其中运用到了课本上的基本知识点，比如比例放大器、差放电路，也参考了课外资料的相关知识，比如温度传感器和继电器。但理论并不代表实践，首先根据电路图对实物进行了仿真，逐级检查，通过对电压和电流的测量，我们改正了原来的不足，并在原来的基础上对电路图进行修改。然后按照电路图将元器件摆放在通用板上，以确定元器件的大致位置，接着使用电烙铁将各个元件焊接在电路板上，确保焊接过程中无元件损坏，接着开始焊接连线，从电路最左边开始一级一级焊接，每焊接一级便用万用表测试一下此级中有无损坏的元件或是连线错误。安装时注意不要将太多锡丝弄到电路板上，以免出现短路的情况，避免虚焊，尽量一次到位，以免电路板上的镀铜脱落影响后面的焊接工作。尽量用给出的电阻引脚的铁丝不要刻意去找外面的导线焊，且布线时尽量让线横竖有一定的布局，保持电路板的整体美观。将多出的线一定整理干净，以免造成短路，发生危险。6.2 电路调试电路调试在调试过程中，我首先确认各元件和导线是否连接正确，然后再接上+12 和-12 的直流电源，通过对放大器输出电压的测量得出的数据和温度想比较，误差比较小，这就保证的温度传感器和比例放大器的正常工作。接着我设定温度为 40 摄氏度，此时发光二极管发光，说明此时温度小于 40 摄氏度，再用吹风机对温度传感器进行加热，很快，发光二极管熄灭，说明此时温度超过 40 摄氏度，再测试继电器的开关，表征为断开状态。此时我就肯定此电路工作状况良好。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书127.课程设计心得体会课程设计心得体会通过这次的模电课程设计，我学到了很多东西，也加深了对课本知识的理解。真正把课堂上学习到的理论知识运用到实践上，但这和真正的设计有着很大的差别，须知以后的设计将会更复杂。由于期末考试和课设的时间有些冲突，在这段时间里，既要复习考试，又要做课程设计，所以实践相当仓促，对一些问题没有仔细考虑清楚，导致买了两次元件。虽然很辛苦，但很充实。该电路只采用了简单的比较器和放大电路，思想和操作比较简单。再者我们直接把摄氏温度转化为电压信号，没有像传统的那样加入 K-OC 转化器，这样大大简化了电路设计。但该电路对线性要求极高，所以不易调试成功，且误差较大。可以改用单片机来控制电路。单片机在处理温度数据时十分精确，并且可以加装数字液晶屏来显示实时温度和所选温度，使温度调控更加便捷。通过此次课设，我认识到自己还有很多不足，同时也对以前的知识是一个很好的巩固，这次画图，我运用了电工实习老师教给我们的画图方法，用protel软件画出了电路图。从这次课设后，我认识自己对电路仿真的认识还有一定的不足。但我会在以后的课设和学习中，更加努力。这次课设不仅使我的动手能力大幅提高，也锻炼我的意志品质，提高了自学能力。可以说，此次课设是为大二上学期划上了圆满的句号。为明年的数电学习打下了良好的基础。学习是基础，把知识运用到实际应用上才是关键。在以后的学习中，我会联系实际来学习课本知识，争取对课本知识有更全面的了解，能够把知识运用到实践上。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书13参考文献参考文献1 吴友宇. 模拟电子技术基础. 北京：清华大学出版社, 2009 年05 月2 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编.北京：北京理工大学出版社, 2004 年01 月3 刘震，张宗勇，肖敬若. 数字式自动控温热水器的设计. 科学技术与工程出版社, 2004：8（6）1076-10784 张庆双. 电子技术基础 技能 线路实例.北京：科学出版社，2006年08月5 杨碧石. 电子技术实训教程. 北京：电子工业出版社, 2005 年03 月武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书14附录附录 元件清单元件清单表一 元件规格名称序号型号数量电阻R1R2R3R4R5R6R710K90K10K1OK10K2K5K1111111电位器Rw10K1发光二极管D1LED(红)1三极管Q1NPN1温度传感器U7LM351继电器K1AC250DC301集成运算放大器AR1LM32HM1二极管D2IN40011武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书15附录附录 整体电路图整体电路图