1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 電子技術課程設計 題 目 水溫控制系統設計 院 系 電氣信息工程學院 專業班級 自動化 學生姓名 學生學號 指導教師 2013 年 7月 5日東北石油大學課程設計任務書課程 電 子 技 術 課 程 設 計 題目 水溫控制系統設計 專業 自動化 姓名 學號 主要內容：根據技術指標和已知條件，選擇合適的溫度傳感器、選擇合適的繼電器或晶閘管。完成對水溫控制系統的設計、裝配與調試。基本要求： 設計制作可以測量和控制溫度的溫度控制器測量和控制溫度范圍：580，控制精度：±1，控制對象：雙向晶閘管或繼電器，晶閘管或繼電器觸點連接：一組轉換接點（市電22

2、0V/50Hz/2A）。 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。計算電路元件參數與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） 安裝調試并按規定格式寫出課程設計報告書。主要參考資料：1 吳友宇.模擬電子技術基礎.北京:清華大學出版社M.清華大學出版社.2009年05 月2 全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編J.北京理工大學出版社.2004年01月3 張鳳言.電子電路基礎M.北京:高等教育出版社.19954 華中科技大學電子技術課程組 電子技術基礎M.高等教育出版社.2005年07月5 吳慎山.電子線路設計與實踐高等

3、學校電子信息類教材J.電子工業出版社.2005年09月6 黃錦安, 付文紅, 蔡小玲編-電路與模擬電子技術M.高等教育出版社.1997.完成期限 2013.7.1-2013.7.5 指導教師 姜建國 許愛華 專業負責人 徐建軍 2013年 7月5 日目 錄1 任務和要求32 總體方案設計與選擇32.1 設計原理及方法32.2 單元模塊設計42.2.1 電源模塊43.2.2 溫度傳感器模塊43.2.3 放大器模塊53.2.4 比較器模塊73.2.5 繼電器模塊83.2.6 加熱模塊93.2.7溫度過低報警模塊102.3電路的安裝與調試103.3.1 電路的安裝103.2.2 電路的調試113 電

4、路的仿真124 設計總結12參考文獻14附 錄 元件清單1附 錄 整體電路圖21 任務和要求 (1)任務：設計一種可實現測溫和控溫的電路 (2)水溫控制系統性能要求Ø 工作溫度范圍：室溫100。Ø 控溫精度 ：±1 oC。Ø 控溫通道輸出為雙向晶閘管或繼電器，一組轉換觸點為市電（220V，10A）。2 總體方案設計與選擇2.1 設計原理及方法根據原理方框圖，該設計問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，溫度過低報警模塊及溫度顯示模塊。由于電路中含有運算放大器，需接入±12V直流穩壓電源，所以電源模塊也可算在其中。

5、原理方框圖圖1-12.2 單元模塊設計2.2.1 電源模塊本設計的電源電路采用固定集成穩壓源電路輸出±12V電壓。穩壓源電路如圖2-3-1-1：電源電路圖3-2-1-1這是一個用集成穩壓器輸出的穩壓源電路，LM7812和LM7912是集成穩壓器，分別控制輸出±12V直流電壓。電源接220V交流電后經變壓器后變為15V左右的交流電，再經橋式整流后濾波，此時的電壓不穩定，經上述集成穩壓器后就能得到較穩定的電壓。3.2.2 溫度傳感器模塊本設計選用LM35溫度傳感器連轉化溫度。LM35的輸出電壓與攝氏溫度呈線性關系，轉換公式為：Vout=10mV oC T oC 在0時輸出為0V

6、，每升高1輸出電壓增加10mV,LM35的外觀如圖所示 圖3-2-2-1 LM35 圖3-2-2-2常溫下LM35不需要額外的校準處理即可達到±1/4的準確率。此設計采用單電源供電，在25下的靜默電流約50A，非常省電，并且無散熱問題，精度非常高。并且輸入電壓寬，從4V到30V都可以。所以選擇LM35很合適。3.2.3 放大器模塊放大器和比較器均要用到運算放大器，這里采用LM324集成運放。LM324是4個運算放大器的集成器件，這個設計中選擇其中的兩個使用。LM324的接線圖如圖3-2-3-1：LM324集成運放LM324N實物圖下面說明放大器的原理：此設計用正相比例放大器，使輸出時

7、正電壓，考慮到控制的溫度是室溫到80 oC，所以取放大器的放大倍數為10倍（即溫度縮小10倍）比較合適。正相比例放大器的原理圖如圖3-2-3-3：正向比例放大器原理圖圖3-2-3-3由運放的“虛短”“虛斷”的性質有這里取R1=10K，則R2=90 K，因為電源電壓為12V，保持10倍放大，則設定的電壓值與溫度的轉換關系就為10 倍，比較容易控制和調節。實際中取R=90.9 K。3.2.4 比較器模塊 這里采用簡單的單門限電壓比較器，使用的運算放大器為LM324中的一個。電路圖如圖3-2-4-1：單門限電壓比較器圖3-2-4-1中1接放大器的輸出電壓作為比較器的輸入電壓，3接輸出電壓。此時放大器

8、工作在非線性狀態，輸出電壓只有正或負兩種飽和值。這種情況下運算放大器的輸入端“虛短”不再適用。當VP>VN時，=12V，當VP<VN時，=-12V。這種情況下，運算放大器的“虛短”仍然可用，則有 Vi=VNVP=V4=V11所以可以通過調節滑動變阻器來控制的值。圖中增加R=5 K的電阻，是為了控制V11的最大值不超過8V，即設定的溫度值不超過80 oC。當滑動變阻器的接入電阻為0時， 取R3=10K，R9=5 K 即可達到要求。3.2.5 繼電器模塊 繼電器是可以高溫控制低溫的器件，其內部構造及工作原理如圖3-2-5-1： 繼電器原理及實物當低壓電源端開關接通后電磁鐵由于電流產生磁

9、性，吸住磁鐵使高壓電源的開關接通，實現了低壓控制高壓。下面要解決的問題就是怎樣在電路中實現低壓電源端的開關自動打開和閉合。考慮到比較器的輸出電壓為正或負的12V，就可想到二極管的單向導電性。因此可以用二極管來代替自動開關的作用。使用發光二極管能夠看到電路的通斷。繼電器模塊的電路圖如圖3-2-5-2：繼電器模塊電路圖圖3-2-5-2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，當輸入電壓為+12V時，發光二極管導通，當輸入電壓為-12V時，發光二極管截止。接入三極管的目的是放大電流信號，使繼電器能正常工作。由于發光二極管的導通電流與三極管的基極電流不匹配（發光二極管的導通電流大一些）

10、，故需要在發光二極管的負極接一個電阻，與基極電阻并聯，這樣流入基極的電流就變小，使三極管能正常工作。一般取R=10K，實際的發光二極管正向導通時有2V的壓降，所以發光二極管正向導通時負極的電位約為10V，流過的電流約為6mA。三極管的基極電流為A量級，所以與基極并聯電阻R=2 K即可。繼電器選取的是額定電壓為12V的常開型型號。即在無電流通過繼電器時，繼電器高壓端開關打開，加熱電路不工作，當有一定的電流通過時，繼電器產生磁性使高壓端開關閉合。普通二極管的作用是保護繼電器不因電流反流時燒壞。3.2.6 加熱模塊加熱電阻是很簡單的加熱器串聯電路，加熱電路中串聯保險絲防止電流過大產生危險。電路圖如圖

11、3-2-6-1：加熱模塊電路圖圖3-2-6-1 Port端接220V市電即可。繼電器電路自動控制開關的閉合。3.2.7溫度過低報警模塊將比較器輸出的信號直接加到9013的基極,構成一個高通飽和開關電路.當水溫低于設定的電壓值時,比較器輸出12V的電壓,此時開關電路導通,蜂鳴器發出聲響. 溫度過低警報模塊2.3電路的安裝與調試3.3.1 電路的安裝由于電路中用到了集成塊，所以電路的焊接時空間不是很大，要注意布線的規則。LM35焊接時，最好用三根導線接出(也可以直接用杜邦線連接)，這是因為LM35是要與加熱電路中的電熱絲放在一起。LM324中要用到其中的兩個運算放大器，最好選用接頭為5/6/7和8

12、/9/10的兩個運放。在兩邊分別安裝比例運放的電阻和比較器的電阻。繼電器的開關端也要用導線引出接電熱絲。最后將所有的+12V端，GND端，端分別連在一個節點并用導線引出接電源。電路焊接時，注意LM35，LM324，三極管的管腳，發光二級管和普通二極管的極性。3.2.2 電路的調試 電路焊好后，接通穩壓電源（先不要接通發熱電路得電源，注意安全）。用萬用表測量LM35輸出端的電位，設為V1，則有用萬用表測量比較器正向輸入端的電壓，現在的室溫在15 oC左右，調節滑動變阻器，當比較器的v為1.5V以上時，就能觀察到很容易就能觀察到發光二極管燈亮，這時用萬用表測繼電器的開關的兩端電阻，發現接近0，表明

13、此時開關閉合（若接通加熱電路，則加熱電路工作）；加熱溫度傳感器，很快就可以觀察到二極管熄滅，并能聽到開關動作的聲音，再測繼電器開關端電阻，應是無窮大，表明開關斷開（若接通加熱電路，則加熱電路不工作）。3 電路的仿真 圖4-1 4 設計總結此次課程設計考查了我們的設計電路的能力和動手能力。從中我學到了很多東西。設計上的電路在實際中運用可能不是像仿真那樣理想，由于購買元件的誤差及元件的大小在實際中比沒有很好的匹配，所以按照設計的電路焊出來的實物在調試過程中遇到了一些問題，但我都一步一步地解決了。由于是第一次課程設計，所以花的時間很多。通過這次課程設計，我學會了如何使用仿真軟件Protel和Mult

14、isim，進一步鞏固了電路的焊接能力。最重要的是通過這次課程設計我深深體會到能把所學的知識運用到實踐中才是真正掌握。這次的課程設計時間有些倉促，我們剛學完模電的相關知識就運用到電路中，剛開始覺得很難，相關的知識掌握得不到位，但隨著設計的深入，發現所學的知識在我設計的電路中得到了很好的運用，在課程設計的同時，鞏固和掌握了現學的知識，這才是設計的目的。特別是在電路調試成功的那一刻，出現了我所預料的現象，著實讓我高興了一番，自己所設計的東西沒有白費，并且從中獲得了知識，是一件很開心的事。這只是一次簡單的課程設計，只是一個開始，設計的東西在實際中的運用還尚欠缺，但從中我學到了遇到困難要解決，不能浮躁，

15、要靜心，耐心，細心的做事，堅持下去，總能看到成功的曙光的。另外實驗中也有一些尚未解決的問題,比如LM324作為比較器用的時候輸出的最大電壓達不到電源電壓,導致蜂鳴器不停地響,達不到報警的作用.總之，通過這次課程設計，不僅使我對所學過的知識有了一個新的認識。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性以及動手操作能力。使我的綜合能力有了一個很大的提高。參考文獻1 吳友宇.模擬電子技術基礎.北京:清華大學出版社M.清華大學出版社.2009年05 月2 全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編J.北京理工大學出版社.2004年01月3 張鳳言.電子電路基礎M.北京:高等教育出版社

16、.19954 華中科技大學電子技術課程組 電子技術基礎M.高等教育出版社.2005年07月5 吳慎山.電子線路設計與實踐高等學校電子信息類教材J.電子工業出版社.2005年09月6 黃錦安, 付文紅, 蔡小玲編-電路與模擬電子技術M.高等教育出版社.1997.附 錄 元件清單名稱序號型號數量電阻R1R2R3R4R5R6R710K90K10K10K3.9K10K3.9K1111111電位器Rw10K1發光二極管D1LED(綠)1三極管Q1S80502溫度傳感器U1LM351繼電器K1AC250DC302集成運算放大器ARLM3241二極管D1N40011電熱絲R300W1保險絲FFUSE1蜂鳴器Beep1 附 錄 整體電路圖東北石油大學課程設計成績評價表課程名稱電 子