北工大电子工程设计第一阶段电源+变送器+驱动.doc

北京工业大学课程设计报告（小型温度控制系统）

本页为作品封面，下载后可以自由编辑删除，欢迎下载！！！

精
品
文
档

1
【精品word文档、可以自由编辑！】

电子工程设计报告

题目：小型温度控制系统（第一阶段）
专业：电子科学与技术
小组：第九组
姓名：王丹阳
学号：11023224
指导教师：孙慧平
完成日期：2013.05.20
中文摘要

电子工程设计的任务是完成一套小型的温度测量与控制系统，其中包含有三个阶段。本次实验为第一阶段内容，即完成直流稳压电源模块的设计与实现、传感器信号处理电路模块的设计与实现、控制信号驱动电路模块的设计与实现三个实验内容。
本实验通过对三个模块的理论设计与实际调试，逐步掌握了小型电子系统的设计步骤与方法。
本报告针对以上三个模块分别详细给出设计要求、方案选择与讨论、电路设计图及实物、原理分析、电路调试、数据计算及误差分析，完整反映了实验过程。
目录

1．设计题目及课题背景 4
1.1设计题目 4
1.2课题背景 4
2．设计技术指标及设计要求 4
2.1 设计任务 4
2.2 设计参考方案 5
2.3 设计要求 5
2.3.1电源模块 5
2.3.2信号处理模块 5
2.3.3功率放大模块 5
2.4 发挥部分 6
2.5 参考元器件 6
3．设计框架及原理分析 6
3.1 设计原理说明 6
3.2电源模块 6
3.2.1方案选择 6
3.2.2原理分析 7
3.3变送器模块 10
3.3.1方案选择 10
3.3.2原理分析 11
3.4驱动器 12
3.4.1方案选择 12
3.4.2原理分析 12
4．系统的调试及实物图 13
4.1调试顺序说明 13
4.2电源模块 13
4.2.1电源模块调试 13
4.2.2电源模块实物图 13
4.3 变送器模块 14
4.3.1 变送器模块调试 14
4.3.2变送器模块实物图 14
4.4 驱动器模块 15
4.4.1 驱动器模块调试 15
4.4.2驱动器模块实物图 15
5．出现的问题分析及解决 16
5.1稳压电源电路板 16
5.2变送器电路板 16
5.3驱动电路板 17
6．数据与误差分析 17
6.1稳压电源电路板 17
6.2变送器模块电路板 17
6.3驱动器模块电路板 18
7．附录 18
7.1 系统电路的工作原理图 18
7.2 元器件识别方法和检测方法 19
7.3 参考资料 20
8．收获和体会 20

一、设计题目及课题背景
1.1设计题目
小型闭环温度控制系统
1.2课题背景
电子工程设计的任务是完成一套小型的温度测量与控制系统，其中包含有三个阶段。本次实验为第一阶段内容，即完成直流稳压电源模块的设计与实现、传感器信号处理电路模块的设计与实现、控制信号驱动电路模块的设计与实现。
具体如下：
（1）直流稳压电源模块：为其他模块供电，由变压器、整流桥和稳压管三大部分组成。使市电交流电压变为所需要的低压交流电，交流电变为直流电，不稳定的直流电压经滤波后，变为定的直流电压输出。输出+5V， +12，-12直流电压。
（2）传感器信号处理电路模块：即变送器部分。将输入电流通过集成运放转化为输出0-5V电压信号（对应于0-100℃），并具有调零、调满度的电位器，以便进行温度校准，减小误差。
（3）控制信号驱动电路模块：即驱动器部分。将D/A输出的电流经过放大，通过控制输出电压，达到控制温度的目的。并使电路具有短路保护的功能。
本报告针对以上三个模块分别详细给出设计要求、方案选择与讨论、电路设计图及实物、原理分析、电路调试、数据计算及误差分析，完整反映了实验过程。
二、设计技术指标及设计要求
2.1 设计任务
电子工程设计课程选择“小型温度控制系统”作为具体设计题目。需要完成非电量到电量信号转换、信号处理、数据采集、数据处理、人机交互、数据通信、控制等设计工作，几乎覆盖一般电子系统的所有设计环节。完成上述设计工作涉及传感器、非电测量、模拟电子技术、数字电子技术、计算机原理、接口技术、程序设计、自动控制、通信等知识应用，具有广泛的知识涵盖面。完成“小型温度控制系统”的设计，不需要特殊的电子元器件和专用仪器设备，作为一般的实践教学任务具有较好的可操作性。
2.2 设计参考方案
系统的原理框图为：

2.3 设计要求
本阶段要求设计电源电路，信号处理电路，功率放大电路等模块。相关模块设计要求如下：
2.3.1电源模块
交流输入：~9V、~14V×2
直流输出：+5V/1A、±12V/0.5A
安装：独立电路板结构
2.3.2信号处理模块
测量温度：0℃ ~ 100℃
输出电压：0V ~ 5V
测量误差：满刻度1%（0.05V或1℃ ）
负载阻抗：>30KΩ
限制条件：0.7V ≤输出电压≤5.7V
安装：独立电路板结构
2.3.3功率放大模块
控制半导体制冷片的驱动电路实际上是一个电压增益为1的功率放大器，要求如下：
输入电压：-10V ~ +10V
输出电压：-10V ~ +10V
电流输出能力：>3A
输入阻抗：>1kΩ
负载阻抗：3.5Ω
负载驱动形式：共地
安装：独立电路板结构
2.4 发挥部分
在系统功能扩充基础上进行的发挥、创新能力培养。
2.5 参考元器件
开关型稳压降压器LM2576T、稳压集成电路L7812、稳压集成电路L7912、桥式整流器DF06、运放OP07、三极管S9012、三极管S9013,功率三极管MJE2955T、功率三极管MJE3055T、其他电容、电阻、二极管等。

三、设计框架及原理分析
3.1 设计原理说明
小型温度控制系统包含电源模块、测温系统、变送器、模数转换器 、单片机、数模转换器、驱动器、控温系统。各系统在单片机的控制下共同完成对温度控制。本次实验要完成变送器、驱动器、电源模块。
3.2电源模块
3.2.1方案选择
本模块有2种电路方案，分别为线性稳压电路和开关稳压电路。方案图如下：
整流滤波
电路
7805
7812
7912
+5V
+12V
-12V
~9V
~14V
~14V
整流滤波
电路

~9V
~14V
整流滤波电路
整流滤波电路
2575-5 Buck型
+5V
+12V
-12V
2575-12 Buck型
2575-12
Buck-Boost型

线性稳压电路
开关稳压电路
优点
纹波、噪声小，实现
电路简单、成本低
效率高
缺点
效率低
纹波、噪声大，实现电
路复杂、成本高
采用线性稳压芯片LM7805（+5V）,LM7812（+12V）和LM7912（-12V）。由于交流供电电压低，输出功率较小。从实现电路简单，低成本的角度考虑选择集成线性稳压电路方案。
3.2.2原理分析
综述
在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。其方框图及各电路的输出电压波形如图所示。

电源电压器：
将市电交流电压变为所需要的低压交流电，电路图如图所示。

整流电路：
将交流电压转变为脉动的直流电压的过程。利用具有单向导电性的二极管，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。常见整流电路有两种：单相半波整流电路和单相桥式整流电路。
半波整流电路：

桥式整流电路：

整流原理：u2正半周时,D1、D3导通，D2、D4截止，电流通路如图:

u2负半周时,D2、D4导通，D1、D3截止，电流通路如图:

u2>0时
u2<0时
D1,D3导通；D2,D4截止
电流通路:由+经D1®RL®D3® -

D2,D4导通；D1,D3截止
电流通路:由+经D2®RL®D4® -

输出是脉动的直流电压
滤波电路：
滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。

稳压电路：
将不稳定的直流电压经滤波后，变为稳定的直流电压输出。为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。一般分为三种：稳压管稳压电路、线性稳压电路和开关型稳压电路。稳压管稳压电路最简单，但是带负载能力差，一般只用来提供基准电压，不作为电源使用。线性稳压电路结构简单、调节方便、电压稳定性好，纹波电压小，但发热量大、效率较低，适用于低压差、小功率场合。开关型稳压电源是近年来发展较快的电路，它的体积小、发热量小、效率较高，适用于高压差、大功率场合，但纹波、噪声大，不适合精密的模拟电路。
3.3变送器模块
3.3.1方案选择

测量温度这种非电物理量，需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上，这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。温度变送器是一个具有较高精度和稳定度的直流放大器，变送器的线性化电路采用反馈方式。对热电阻传感器，用正反馈方式校正，对热电偶传感器，用多段折线逼近法进行校正。
3.3.2原理分析
AD592特性：
实验室为我们提供的是传感器AD592，其主要特征为：
供电：+4V~+30V
温度系数：1μA/K
0℃输出： 273.2μA
工作温度：-25℃~+105℃
非线性误差： 0.1~0.5℃
重复误差：±0.1℃
时飘：±0.1℃/月
AD592输出量为随温度变化的电流，抗干扰能力强，信号调理电路容易实现。
AD592特性曲线如右图所示，当T = 0℃时，i1=273uA；T = 100℃时，i2=373uA，i2-i1=100uA。
电压转换电路特性
由于需将AD592的输出与电压相对应，故应将电流转换为电压，图为电压转换电路及输出电压特性曲线，从图中可知,所以，经计算可得，当T = 0℃时，i1=273uA,Vo=0V;T = 100℃时，i1=373uA，Vo=5V。

3.4驱动器
3.4.1方案选择

在实际的系统里，往往要求放大电路的末级输出一定的功率，以带动后面的负载。驱动电路是一个功率放大器, 简称功放。驱动电压为-9V ~ +9V ,驱动电流最大为3A,随着输出负电压的增加,制冷量增加,随着输出正电压的增加,制热量增加,从而以控制输出电压,达到控制温度的目的。
3.4.2原理分析
当ui>0时，T1导通，T2截止，iL=ie1; 当ui<0时，T2导通，T1截止，iL=ie2。
由于每个管子导通180°，故为乙类功放。
本电路设计中选择了9013、9012、MJE3055T、MJE2955T作为功放的放大管。其中当输入电压为0~+9V 时，9013、MJE3055T导通，当输入电压为-9~0V 时，9012、MJE2955T导通。之所以要选择复合管进行放大，主要是因为9013、9012的ICM=0.5A，而电路的输出电流最大会达到3A，此时，三极管必烧无疑。而MJE3055T、MJE2955T作为大功率三极管，ICM=10A，完全不用担心电流过大烧掉管子的问题。但由于功放的前一级为DA输出，其电流为10mA左右，若想最终放大到3A（即300倍），MJE3055T、MJE2955T的hFE=70又不能达到要求。所以利用9013、9012的高hFE(=300)和MJE3055T、MJE2955T的高ICM=(10A)组成了最终的功放电路。原理图中的二极管主要是为了避免交越失真。
四、系统的调试及实物图
4.1调试顺序说明
本实验的调试采取分模块调试的方式进行，等到电源焊接完成后一个模块一个模块的调试。各模块的调试互不影响，调试一个完成一个，有利于提高调试效率，是调试尽快完成。
4.2电源模块
4.2.1电源模块调试
电源模块的调试相对简单，依照电路图焊好电路后，插在电路测试板上，打开电源，测量输出端的电压即可。如果电路焊接没有问题的话，测量的输出端电压就应该满足要求。即输出应为5V和V电压。
电源模块调试步骤如下：
（1）电源板焊接完毕，对照原理图认真检查一遍然后开始测试；
（2）测试时，电源板负责交流电源输入的右插座与调试台标有~9V、~14V的插座连接，左插座悬空；
（3）连接完毕后，打开调试台电源远离电源板1~2分钟，观察电路板有无异味或异常响动，如果一切正常可以开始进一步的测试；
（4）用数字多用表按电源板左插座直流电源引出定义，检测+5V、+12V、-12V输出。
（5）若+5V、+12V、-12V输出不正常，需要重新检查有无错焊、漏焊、虚焊，并重复2、3、4的步骤。
（6）输出正常的电源板，替换模板上的电源板后，若模板正常运行，电源板的设计工作结束。否则，检查电路板的左右插座有无虚焊、脱焊等问题。
4.2.2电源模块实物图

4.3 变送器模块
4.3.1 变送器模块调试
变送器模块调试比较复杂，要分几个步骤反复调试，才能达到最后的结果。首先把调试好的电源模块和变送器模块插在测试板上。然后调节温度至0度，调节电位器1，使运放的6号管脚输出电压为0V，再调节温度至100度，使运放的6号管脚输出电压为5V。按照上述步骤反复调试几次，便可以得到相关结果。
变送器模块调试步骤如下：
（1）将电源板及变送器板分别插在调控台的指定位置，打开电源选择确定键。
（2）返回到选择菜单，选择AD592一栏，进入温度控制界面。
（3）改变温度为0℃，用万用表测输出电压，调节VR1，使v0=0V，此过程称为调零；
（4）改变温度为100℃时，用万用表测输出电压，调节VR2，使v0=5V，此的过程称为调满度。
（5）反复重复（3）、（4）两步，直到输出电压平衡为止。
（6）电压稳定后，改变调试台温度，使其分别为0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃及100℃，测量输出电压，并记录数据。
4.3.2变送器模块实物图

4.4 驱动器模块
4.4.1 驱动器模块调试
把调试好的电源模块和驱动器模块插到测试板上，然后用信号发生器发出一个正弦波，用示波器测试输出端是否有正弦波，是否有失真。
驱动器部分调试步骤如下：
（1）将电源板、控制信号驱动电路板、调试电路板分别放置在指定位置，
（2）打开调试台，改变调试电路板上的电阻，从而改变电压输出值。
（3）观察调试台屏幕显示数据，并记录数据范围。
4.4.2驱动器模块实物图

五、出现的问题分析及解决
5.1稳压电源电路板
　　　　故障现象
　　　　故障原因
无整流输出或输出不正常
整流桥接错或损坏
无稳压输出或输出不正常
集成稳压电路引脚接错或损坏
±12Ｖ输出不正常
交流输入中心抽头漏接
输出波纹大
滤波电容漏接
保险管无输入
交流输入漏接
整理桥无输入
保险管损坏
电解电容发热或爆裂
电解电容极性接反
电解电容发热或爆裂
电解电容耐压不够
无直流输出
直流输出漏接
稳压电源板理论上遇到的故障及原因
每次上电检查保险丝是否全部正常工作，若有烧断需及时找指导老师更换。每次调试完毕记得关闭电源，避免出现触电。
5.2变送器电路板
故障现象
故障原因
输出不随输入变化
运算放大器损坏
输出接近正或负电源电压
运算放大器开环
输出达不到满刻度
放大器增益控制电阻过小
输出不能到达0点
平移电路未工作
输出不能到达0点
平移电路元件选择有误
输出总是高于＋4.3V
接＋5V保护二极管反接
输出总是低于＋0.7ｖ
接地保护二极管反接
二极管全部烧毁
保护二极管全部反接
加载后输出有明显的衰减
保护电路限流电阻过大
无输出
运算放大器电源漏接
输出偏向电源一侧不随输入变化
运算放大器单电源漏接
变送器电路板理论上遇到的故障及原因
实际中我们为降低误差，在设计中考虑了电路元器件的温漂、时漂和噪声等问题，因此选择使用了OP07运算放大器。试验中，试验台右排管脚+12V、-12V管脚的错误表示容易引起芯片烧坏，调试时应注意。变送器电路的设计与所使用的传感器密切相关，因此在设计中我们特别注意了传感器与变送器连接电路的设计和校准方法及实用的关系等问题。
5.3驱动电路板
在调试过程中我们遇到了问题。第一个问题就是2955、3955发热严重，且稳压电源模块保险丝经常烧断，后来我们将接在正负12 V之间的滑动变阻换小成5K，问题解决。另外我们在验证驱动电路板时，只会正电压不输出负电压，因此进行了几次查线阶段。首先查出了焊接不结实问题，有的地方焊锡多导致连线，用吸拔器吸走多余焊锡又进行了一次排查，检查无误后再去验证，问题依旧没有解决。随后我们调整了电路，并且找老师商讨之后，验证成功。

六、数据与误差分析
6.1稳压电源电路板
万用表黑表皮接地，红表皮接三个输出点来测试三个输出的电压值，其中+5V管脚的输出电压稳定在4.97±0.05V，而-12V管脚的输出电压稳定在-11.97±0.04V，+12V管脚的输出电压稳定在11.96±0.00V左右。三个管脚的输出电压基本符合标准，满足电路输出的要求。
数据如下：

7805
7812
7912
1
+4.98
+11.96
-12.10
2
+4.98
+11.96
-12.11
3
+4.99
+11.97
-12.11
平均值
+4.98
+11.96
-12.10
分析：由测试结果可以看出直流电源的稳定度接近100%。

6.2变送器模块电路板
在0℃的时候，调整滑动变阻器VR1使得电路的输出电压为0V；在100℃的时候，调整滑动变阻器VR2使得电路的输出电压为5V。以后每增加10℃，输出电压均大概增加0.4~0.6V，经过我们的多次测试，在量程范围内，输出电压的实际值仅仅与理论值相差0.1V左右，误差在允许范围内。
数据如下：
温度
0℃
10℃
20℃
30℃
40℃
50℃
1(V)
0
0.51
0.98
1.5
2.01
2.49
2(V)
0
0.5
0.99
1.49
2
2.49
3(V)
0
0.51
0.99
1.5
2
2.51
平均值
0
0.51
0.99
1.5
2
2.5
理论值
0
0.5
1
1.5
2
2.5
温度
60℃
70℃
80℃
90℃
100℃

1(V)
3
3.5
4.02
4.5
5

2(V)
3.01
3.51
4
4.51
4.99

3(V)
2.99
3.51
3.99
4.51
4.99

平均值
3
3.51
4.01
4.51
4.99

理论值
3
3.5
4
4.5
5

经分析,电路误差较小，实验结果较为准确。
6.3驱动器模块电路板
温度上升时，指示灯红灯（加热）亮，输出端电压值升高。温度下降时，指示灯绿灯（制冷）亮，输出端（既电路板右排针从上数第七管脚）电压值降低。在调试台上调试时，输入10V电压时，输出端输出电压8.7V；输入-10V电压时，输出端电压-9.2V。基本达到设计要求。

七、附录
7.1 系统电路的工作原理图

7.2 元器件识别方法和检测方法
芯片的识别方法和检测方法
相对于其他元件，芯片的识别和检测相对简单，芯片表面有明显的型号标示，可以用来识别信号。而芯片的检测实验室也有专门的仪器，可以直接借助专用的仪器来检测芯片的好坏。
电阻的识别方法与检测方法
电阻的标示一般都是色环标示法。色环标示主要应用圆柱型的电阻器上，如：碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、保险丝电阻、绕线电阻。主要分两部分。
第一部分的每一条色环都是等距，自成一组，容易和第二部分的色环区分。四个色环电阻的识别：第一、二环分别代表两位有效数的阻值；第三环代表倍率；第四环代表误差。 五个色环电阻的识别：第一、二、三环分别代表三位有效数的阻值；第四环代表倍率；第五环代表误差。 如果第五条色环为黑色，一般用来表示为绕线电阻器，第五条色环如为白色，一般用来表示为保险丝电阻器。如果电阻体只有中间一条黑色的色环，则代表此电阻为零欧姆电阻。
色环颜色和相应的数值对照表如下。

银
金
黑
棕
红
橙
黄
绿
蓝
紫
灰
白
无
有效数字
—
—
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
—
数量级
10^-2
10^-1
10^0
10 ^1
10^2
10^3
10^4
10^5
10^6
10^7
10^8
10^9
—
电阻的检测相对简单，直接用万用表测电阻的阻值并与电阻上的色环标示值比较就可以检验电阻的好坏。
电容的识别方法与检测方法
电容器的标注规则为：当电容器的容量大于100pF而又小于1mF时，一般不注单位，没有小数点的，其单位是pF时，有小数点的其单位是mF。如4700就是4700pF，0.22就是0.22mF。当电容量大于是10000pF时，可用mF为单位，当电容小于10000pF时用pF为单位。据此根据电容器表面的标注可以识别电容器的大小。
电容器的检测方法如下：
1.用万用电表的欧姆档（R×10k或R×1k档，视电容器的容量而定），当两表笔分别接触容器的两根引线时，表针首先朝顺时针方向（向右）摆动，然后又慢慢地向左回归至∞位置的附近，此过程为电容器的充电过程。
2.当表针静止时所指的电阻值就是该电容器的漏电电阻（R）。在测量中如表针距无穷大较远，表明电容器漏电严重，不能使用。有的电容器在测漏电电阻时，表针退回到无穷大位置时，又顺时针摆动，这表明电容器漏电更严重。一般要求漏电电阻R≥500k，否则不能使用。
三极管的识别方法与检测方法
对于三极管的识别，三极管表面有明显的型号标示，可以根据标示的型号判断三极管的类型。三极管的检测也可以运用万用表的三极管测量功能来进行检测。

7.3 参考资料
［1］ 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，《模拟电子技术基础（第四版）》
［2］ 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，《电子设计从零开始》
［3］ 清华大学电子学教研组编，高等教育出版社，《数字电子技术基础（第五版）》
［4］ 邱关源主编，高等教育出版社，《电路（第四版）》
［5］ 梁廷贵主编，科学技术文献出版社，《现代集成电路使用手册》
［6］ 潘中良主编，国防工业出版社，《数字电路的仿真与验证》
［7］ 许小军主编，东南大学出版社，《电子技术实验与课程设计指导》
［8］ 孙余凯主编，电子工业出版社，《常用集成电路使用手册》

八、收获和体会
这次试验经过我和我的同伴历时两个星期的努力之后才完成验收。有过整个下午到晚上的时间的漫长试验的经历。
实验过程中，我们对模拟电路设计的一般过程有了一个整体的认识，体会到了前期准备工作的重要性。只有每一个环节都认真准备，每个环节都认真对待，不出问题，最后才能得出实验结果。相反，如果不重视准备工作，只想最后的实验结果，那么最后实验不出结果时再反过来查找问题是将非常非常困难的。
对于第一块电源板，我组在老师讲解后，选择了较为保守的方案，并在老师的带领下一步步完成了第一块板。在调试时，我组发现所输出电压超出了规定范围，便开始寻找原因，可却不知错在哪里，后来试用别组芯片时，输出电压便达到规定值，完成了任务。所以，我们得出，在遇到问题时，不应拘泥于一方面，应多角度考虑，尝试多种方法，最终达到所期望的结果。
对于第二块变送器板，选择好方案，在焊电路板时，由于要自己设计，我组研究了很久，在纸上画出了各种等效电路，将交叉的导线数降到最低后，排好版开始焊接，看着完全自己设计并完成焊接的电路板，我们心中无比喜悦。之后的调试工作也很顺利，调节两个电阻后便得出了相应的数据。
在制作第三块板时，我们也像前两块板一样，选择了保守的方案，通过审查，领取完材料后便开始了设计、焊接工作。但此块板的调试工作并不顺利，烧了两个电源保险丝，最后，在我们坚持不懈的改进、纠错和别组同学的帮助下，我组终于测出了合格数据。所以，组员之间和小组之间的互相帮助十分重要，感谢这些帮助过我们的同学们。电子设计实验是一们锻炼学生综合能力特别是动手能力的课程。在这次实验中，我们体会到，只有准备工作扎实充分，认真思考，勤于动手，在实验中不断发现问题，解决问题，才能少走弯路，快速的完成实验任务，得到实验结果。
在这我要衷心感谢我的指导老师孙老师，感谢她对我的帮助。孙老师对事情的尽职尽责，对学生的理解与关怀，在我心中留下深刻的印象。感谢余威同学与我紧密的合作和支持。在实验中，虽然我们工作各有侧重，但我们几乎每天都在一起研究相关资料与文献、讨论实验方案。余威的踏实肯干给我留下了深刻的印象，也值得我在日后的工作中学习。

- 22 -