学位论文-—水温控制系统电子技术课程设计.doc

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

课 程 电子技术课程设计
题 目 水温控制系统设计
院 系 电气信息工程学院
专业班级 自动化
学生姓名
学生学号
指导教师

2013 年 7月 5日
东北石油大学课程设计任务书

课程 电 子 技 术 课 程 设 计
题目 水温控制系统设计
专业 自动化 姓名 学号
主要内容：
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。
基本要求：
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：5～80℃，
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）。
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。
主要参考资料：
[1] 吴友宇.模拟电子技术基础.北京:清华大学出版社[M].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[J].北京理工大学出版社.2004年01月
[3] 张凤言.电子电路基础[M].北京:高等教育出版社.1995
[4] 华中科技大学电子技术课程组 电子技术基础[M].高等教育出版社.2005年07月
[5] 吴慎山.电子线路设计与实践——高等学校电子信息类教材[J].电子工业出版社.2005年09月
[6] 黄锦安, 付文红, 蔡小玲编-电路与模拟电子技术[M].高等教育出版社.1997.
完成期限 2013.7.1-2013.7.5
指导教师 姜建国 许爱华
专业负责人 徐建军
2013年 7月5 日

目 录
1 任务和要求 3
2 总体方案设计与选择 3
2.1 设计原理及方法 3
2.2 单元模块设计 4
2.2.1 电源模块 4
3.2.2 温度传感器模块 4
3.2.3 放大器模块 5
3.2.4 比较器模块 7
3.2.5 继电器模块 8
3.2.6 加热模块 9
3.2.7温度过低报警模块 10
2.3电路的安装与调试 10
3.3.1 电路的安装 10
3.2.2 电路的调试 11
3 电路的仿真 12
4 设计总结 12
参考文献 14
附 录 Ⅰ 元件清单 1
附 录 Ⅱ 整体电路图 2

1 任务和要求
(1)任务：设计一种可实现测温和控温的电路 (2)水温控制系统性能要求
Ø 工作温度范围：室温~100℃。
Ø 控温精度 ：±1 oC。
Ø 控温通道输出为双向晶闸管或继电器，一组转换触点为市电（220V，10A）。
2 总体方案设计与选择
2.1 设计原理及方法
根据原理方框图，该设计问题可分为温度传感器模块，放大器模块，比较器模块，继电器模块,加热模块，温度过低报警模块及温度显示模块。由于电路中含有运算放大器，需接入±12V直流稳压电源，所以电源模块也可算在其中。

原理方框图

图1-1

2.2 单元模块设计
2.2.1 电源模块
本设计的电源电路采用固定集成稳压源电路输出±12V电压。稳压源电路如图2-3-1-1：

电源电路
图3-2-1-1
这是一个用集成稳压器输出的稳压源电路，LM7812和LM7912是集成稳压器，分别控制输出±12V直流电压。电源接220V交流电后经变压器后变为15V左右的交流电，再经桥式整流后滤波，此时的电压不稳定，经上述集成稳压器后就能得到较稳定的电压。
3.2.2 温度传感器模块
本设计选用LM35温度传感器连转化温度。LM35的输出电压与摄氏温度呈线性关系，转换公式为：
Vout=10mV oC T oC
在0℃时输出为0V，每升高1℃输出电压增加10mV,LM35的外观如图所示

图3-2-2-1

LM35
图3-2-2-2
常温下LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。此设计采用单电源供电，在25℃下的静默电流约50μA，非常省电，并且无散热问题，精度非常高。并且输入电压宽，从4V到30V都可以。所以选择LM35很合适。

3.2.3 放大器模块

放大器和比较器均要用到运算放大器，这里采用LM324集成运放。LM324是4个运算放大器的集成器件，这个设计中选择其中的两个使用。LM324的接线图如图3-2-3-1：

LM324集成运放

LM324N实物图
下面说明放大器的原理：
此设计用正相比例放大器，使输出时正电压，考虑到控制的温度是室温到80 oC，所以取放大器的放大倍数为10倍（即温度缩小10倍）比较合适。正相比例放大器的原理图如图3-2-3-3：

正向比例放大器原理图
图3-2-3-3
由运放的“虚短”“虚断”的性质有

这里取R1=10K，则R2=90 K，因为电源电压为12V，保持10倍放大，则设定的电压值与温度的转换关系就为10 倍，比较容易控制和调节。实际中取R=90.9 K。
3.2.4 比较器模块

这里采用简单的单门限电压比较器，使用的运算放大器为LM324中的一个。电路图如图3-2-4-1：

单门限电压比较器
图3-2-4-1中1接放大器的输出电压作为比较器的输入电压，3接输出电压。此时放大器工作在非线性状态，输出电压只有正或负两种饱和值。这种情况下运算放大器的输入端“虚短”不再适用。当VP>VN时，=12V，当VP<VN时，=-12V。这种情况下，运算放大器的“虚短”仍然可用，则有
Vi=VN

VP=V4=V11
所以可以通过调节滑动变阻器来控制的值。
图中增加R=5 KΩ的电阻，是为了控制V11的最大值不超过8V，即设定的温度值不超过80 oC。当滑动变阻器的接入电阻为0时，

取R3=10KΩ，R9=5 KΩ 即可达到要求。
3.2.5 继电器模块

继电器是可以高温控制低温的器件，其内部构造及工作原理如图3-2-5-1：

继电器原理及实物
当低压电源端开关接通后电磁铁由于电流产生磁性，吸住磁铁使高压电源的开关接通，实现了低压控制高压。
下面要解决的问题就是怎样在电路中实现低压电源端的开关自动打开和闭合。考虑到比较器的输出电压为正或负的12V，就可想到二极管的单向导电性。因此可以用二极管来代替自动开关的作用。使用发光二极管能够看到电路的通断。
继电器模块的电路图如图3-2-5-2：

继电器模块电路图
图3-2-5-2
图中Port端接比较器模块的输出电压作为此电路的输入电压，当输入电压为+12V时，发光二极管导通，当输入电压为-12V时，发光二极管截止。接入三极管的目的是放大电流信号，使继电器能正常工作。由于发光二极管的导通电流与三极管的基极电流不匹配（发光二极管的导通电流大一些），故需要在发光二极管的负极接一个电阻，与基极电阻并联，这样流入基极的电流就变小，使三极管能正常工作。
一般取R=10KΩ，实际的发光二极管正向导通时有2V的压降，所以发光二极管正向导通时负极的电位约为10V，流过的电流约为6mA。三极管的基极电流为μA量级，所以与基极并联电阻R=2 KΩ即可。
继电器选取的是额定电压为12V的常开型型号。即在无电流通过继电器时，继电器高压端开关打开，加热电路不工作，当有一定的电流通过时，继电器产生磁性使高压端开关闭合。
普通二极管的作用是保护继电器不因电流反流时烧坏。
3.2.6 加热模块

加热电阻是很简单的加热器串联电路，加热电路中串联保险丝防止电流过大产生危险。电路图如图3-2-6-1：

加热模块电路图
图3-2-6-1

Port端接220V市电即可。继电器电路自动控制开关的闭合。
3.2.7温度过低报警模块
将比较器输出的信号直接加到9013的基极,构成一个高通饱和开关电路.当水温低于设定的电压值时,比较器输出12V的电压,此时开关电路导通,蜂鸣器发出声响.

温度过低警报模块

2.3电路的安装与调试
3.3.1 电路的安装

由于电路中用到了集成块，所以电路的焊接时空间不是很大，要注意布线的规则。
LM35焊接时，最好用三根导线接出(也可以直接用杜邦线连接)，这是因为LM35是要与加热电路中的电热丝放在一起。LM324中要用到其中的两个运算放大器，最好选用接头为5/6/7和8/9/10的两个运放。在两边分别安装比例运放的电阻和比较器的电阻。继电器的开关端也要用导线引出接电热丝。最后将所有的+12V端，GND端，端分别连在一个节点并用导线引出接电源。
电路焊接时，注意LM35，LM324，三极管的管脚，发光二级管和普通二极管的极性。

3.2.2 电路的调试

电路焊好后，接通稳压电源（先不要接通发热电路得电源，注意安全）。用万用表测量LM35输出端的电位，设为V1，则有

用万用表测量比较器正向输入端的电压，现在的室温在15 oC左右，调节滑动变阻器，当比较器的v为1.5V以上时，就能观察到很容易就能观察到发光二极管灯亮，这时用万用表测继电器的开关的两端电阻，发现接近0，表明此时开关闭合（若接通加热电路，则加热电路工作）；加热温度传感器，很快就可以观察到二极管熄灭，并能听到开关动作的声音，再测继电器开关端电阻，应是无穷大，表明开关断开（若接通加热电路，则加热电路不工作）。
3 电路的仿真

图4-1

4 设计总结
此次课程设计考查了我们的设计电路的能力和动手能力。从中我学到了很多东西。设计上的电路在实际中运用可能不是像仿真那样理想，由于购买元件的误差及元件的大小在实际中比没有很好的匹配，所以按照设计的电路焊出来的实物在调试过程中遇到了一些问题，但我都一步一步地解决了。
由于是第一次课程设计，所以花的时间很多。通过这次课程设计，我学会了如何使用仿真软件Protel和Multisim，进一步巩固了电路的焊接能力。
最重要的是通过这次课程设计我深深体会到能把所学的知识运用到实践中才是真正掌握。这次的课程设计时间有些仓促，我们刚学完模电的相关知识就运用到电路中，刚开始觉得很难，相关的知识掌握得不到位，但随着设计的深入，发现所学的知识在我设计的电路中得到了很好的运用，在课程设计的同时，巩固和掌握了现学的知识，这才是设计的目的。
特别是在电路调试成功的那一刻，出现了我所预料的现象，着实让我高兴了一番，自己所设计的东西没有白费，并且从中获得了知识，是一件很开心的事。
这只是一次简单的课程设计，只是一个开始，设计的东西在实际中的运用还尚欠缺，但从中我学到了遇到困难要解决，不能浮躁，要静心，耐心，细心的做事，坚持下去，总能看到成功的曙光的。
另外实验中也有一些尚未解决的问题,比如LM324作为比较器用的时候输出的最大电压达不到电源电压,导致蜂鸣器不停地响,达不到报警的作用.
总之，通过这次课程设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。
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[M].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[J].北京理工大学出版社.2004年01月
[3] 张凤言.电子电路基础[M].北京:高等教育出版社.1995
[4] 华中科技大学电子技术课程组 电子技术基础[M].高等教育出版社.2005年07月
[5] 吴慎山.电子线路设计与实践——高等学校电子信息类教材[J].电子工业出版社.2005年09月
[6] 黄锦安, 付文红, 蔡小玲编-电路与模拟电子技术[M].高等教育出版社.1997.

附 录 Ⅰ 元件清单
名称
序号
型号
数量

电阻
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7

10K
90K
10K
10K
3.9K
10K
3.9K
1
1
1
1
1
1
1
电位器
Rw
10K
1
发光二极管
D1
LED(绿)
1
三极管
Q1
S8050
2
温度传感器
U1
LM35
1
继电器
K1
AC250
DC30
2
集成运算放大器
AR
LM324
1
二极管
D
1N4001
1
电热丝
R
300W
1
保险丝
F
FUSE
1
蜂鸣器
Beep

1

附 录 Ⅱ 整体电路图

东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
电 子 技 术 课 程 设 计
题目名称
水温控制系统设计
学生姓名

学号

指导教
师姓名

职称

序号
评价项目
指 标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20

2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45

3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5

4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30

总分

评语：

指导教师： 年 月 日