水温检测与控制课程设计.docx
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水温检测与控制课程设计
XXXX学院
《模拟电子技术》课程设计
题目水温控制与检测
学生姓名XXXXXXXXX
专业班级11级通信工程二班
学号2011XXXX
院(系)信息工程学院
指导教师XXXX
完成时间XXXX
1课程设计的目的
通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题,巩固和运用在《模拟电子技术》中所学的理论知识和实验技能,掌握常用模拟电路的一般设计方法,提高设计能力和实践动手能力,为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。
1、学习基于LM35控制水温的设计方法;
2、研究基于LM35控制水温的设计方案;
3、掌握三极管管脚极性的判断方法;
4、熟悉电烙铁的使用方法。
2课程设计的任务与要求
(1)设计一个水温控制器
(2)能对水温进行测量并指示读数
(3)能对水温进行控制,控制范围为0~100℃
3设计方案与论证
3.1方案选择与论证
根据设计要求,有以下3种方案:
方案一:
用一个热敏电阻,通过热敏电阻把温度转化为电压,再得到每一度热敏电阻的电压变化值,用LM324运放做成乘法器,使电压乘以一个比例系数,使一度的变化得到一个整数变化的电压值,然后送入MC14433A/D转换器进行数模转换和数字显示。
方案二:
用LM35温度传感器、放大电路、指示器、比较器、发热元件、控制温度设置等元器件组成的单电源温度控制检测电路。
通过LM393集成运放组成的放大电路与电压比较电路来控制变化的输入信号进而控制电路的通断变化情况来实现对水的加热与水温的控制。
根据电路的简易性与可实行性,方案一运用到了数电的一些知识超出了我们的现有范围且电路较复杂(比如电路线路多而繁杂,MC14433等芯片在元件库中缺少等),方案二电路简单易懂且可实行性强。
固经过多方面考虑选用方案二。
3.2水温控制器的原理方框图
图3-1水温控制器组成原理图
水温控制器的组成原理框图如图3-1所示。
本电路由温度传感器、放大电路、指示器、比较器、发热元件、控制温度设置等部分组成。
温度传感器的作用是把温度信号转化为电压信号输出,经放大电路放大,送往电压表构成的指示器进行温度指示。
同时,由温度传感器输出的电压信号送往比较器,与设置的温度进行比较,控制发热元件的工作,从而控制水温,使其保持在某一范围。
4设计原理与功能说明
4.1元器件选用原理
(一)温度传感器简介
LM35是电压输出型集成温度传感器,其特点如下:
(1)可直接校正摄氏温度。
(2)线性温度系数:
+10mV/℃。
(3)温度范围:
-50~+150℃。
(4)非线性度低于±1/4℃。
(5)输出抗阻(在1mA负载时):
0.1Ω。
(6)工作电压范围:
4~30V。
(7)成本低。
LM35传感器采用了TO-46和TO-92封装,其等效电路及封装形式如下图4-1所示。
LM35的最大额度参数范围:
电源电压为+35~-0.2V;输出电压为+6~-1.0V;输出电流为10mA;存放温度对于TO-46封装为-60~+180℃,TO-92封装为-60~+150℃;工作范围对于LM35和LM35A为-50~+150℃,LM35和LM35A为-40~+110℃,LM35为0~+100℃。
图4-1LM35的等效电路图及封装形式
(a)为LM35内部电路;(b)LM35的封装形式
(二)LM35的基本应用电路
图4-2为LM35的基本应用电路。
图4-2(a)为采用LM35构成的单电源温度传感器电路,其中Uo为相应温度的输出电压。
图4-2(b)为采用LM35构成+2~+150℃温度传感器电路。
图4-2(c)是采用LM35构成的满程摄氏温度计,输出Uo=+1500mV,相当于+150℃;Uo=+250mV,相当于+25℃;Uo=-550mV,相当于-55℃。
图4-2LM35的基本应用电路
(a)单电源温度传感器;(b)+2~+150℃传感器;(c)满程摄氏温度计
(三)放大电路
由于LM35输出的电压信号较小,须经运算放大器放大后才能推动电压表进行温度指示。
如图4-3所示,0~100℃相应输出电压为0~10V。
(四)比较器
图4-4中,UREF控制温度设定(对应控制温度),Rf2用于改善比较器的迟滞特性,决定控温精度。
图4-3运算放大器图4-4电压比较器
(五)LM393应用说明
LM393是高增益,宽频带器件,象大多数比 较器一样,如果输出端到输入端有寄生电 容而产生耦合,则很容易产生振荡。
这种 现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输 出电压过渡的间隙,电源加旁路滤波并不 能解决这个问题,标准PC板的设计对减小 输入—输出寄生电容耦合是有助的。
减小 输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而 且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10m V)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄 生电容引起的振荡,除非利用滞后,否则 直接插入IC(集成电路板integrated circuit ,缩写:
IC) 并在引脚上加上电阻将引起输 入—输出在很短的转换周期内振荡,
当负载电流很小时,输出晶 体管的低失调电压(约1.0mV)允许 输出箝 位在零电平。
如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要。
比较器的所有没有用的引脚必须接地。
LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关。
通常电源不需要加旁路电容。
差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件,保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。
LM393的输出部分是集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或ORing
主要功能
输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用),输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流(16mA)时,输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。
输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm的γSAT限制。
主要特点
LM393是双电压比较器集成电路。
该电路的特点如下:
比较器数:
2
工作温度范围:
0°C--+70°C
SVHC(高度关注物质):
NoSVHC(18-Jun-2010)
器件标号:
393
通道数:
2
逻辑功能号:
393
工作电源电压范围宽,单电源、双电源均可工作,单电源:
2~36V,双电源:
±1~±18V;
消耗电流小,ICC=0.8mA;
输入失调电压小,VIO=±2mV;
共模输入电压范围宽,VIC=0~VCC-1.5V;
输出与TTL,DTL,MOS,CMOS等兼容;
输出可以用开路集电极连接“或”门;
采用双列直插8脚塑料封装(DIP8)和微形的双列8脚塑料封装(SOP8)。
(六)三极管引脚判定
三极管管脚的判定
B代表基极,c代表集电极,E代表发射极。
1.基极的判定
将数字表的一支表笔接在晶体三极管的假定基极上,另一只表笔分别接触另外两个电极,如果两次测量在液晶屏上显示的数字均为0.1V~0.7V,则说明晶体三极管的两个PN结处于正向导通,此时假定的基极即为晶体三极管的基极,另外两电极分别为集电极和发射极;如果只有一次显示0.1V~0.7V或一次都没有显示,则应从重新假定基极再次测量,直到测出基极为止。
2.三极管类型、材料的判定
基极确定后,红笔接基极的为NPN型三极管,黑笔接基极的为PNP型三极管;PN结正向导通时的结压降在0.1V~0.3V的为锗材料三极管,结压降在0.5V~0.7V的为硅材料三极管。
3.集电极和发射极的判定
有两种方法进行判定:
一种是用二极管挡进行测量,由于晶体三极管的发射区掺杂浓度高于集电区,所以在给发射结和集电结施加正向电压时PN压降不一样大,其中发射结的结压降略高于集电结的结压降,由此判定发射极和集电极。
另一种方法是使用hFE挡来进行判断。
在确定了三极管的基极和管型后,将三极管的基极按照基极的位置和管型插入到卢值测量孔中,其他两个引脚插入到余下的三个测量孔中的任意两个,观察显示屏上数据的大小,找出三极管的集电极和发射极,交换位置后再测量一下,观察显示屏数值的大小,反复测量四次,对比观察。
以所测的数值最大的一次为准,就是三极管的电流放大系数卢,相对应插孔的电极即是三极管的集电极和发射极。
第二种方法
电解电容有正负极之分,标记不清时用欧姆档测量,表笔交换测两次,漏电小的那次红表笔是正极(使用数字表时,)(注意:
指针表时黑表笔接的是正极).
其它容量小的电容,用指针表欧姆档的高档位测,有充放电现象,可看得到(指针接触瞬间表针摆动),就是好的.
三极管的基极对另外两个极是两个PN结,用RX1K欧姆档测,
指针表的黑表笔接一个脚,红笔分别测另两个脚,测得两个都是正向导通时,黑笔接的就是NPN型三极管的基极.
指针表的红表笔接一个脚,黑笔分别测另两个脚,测得两个都是正向导通时,黑笔接的就是PNP型三极管的基极.
这就区分出了是NPN还是PNP的三极管了,同时知道了基极(B).
发射极(E和集电极(C)区分:
根据基极对集电极和发射极的正向电阻判断,其中正向电阻低的是集电极.有的万用表有测三极管的插孔,可以插上测放大倍数,放大倍数大的接入的正确(基极的脚已测出).
用指针表测三级管,二极管,电容,比数字表方便,直观.但要记住欧姆档的表笔,黑笔是表内电池的正极,红笔是电池的负极(数字表相反)
4.2总体电路图
图4-5所示为采用LM35构成的水温控制电路。
电路中的Rr用于设定基准电压Ur,而温度传感器LM35检测温度后对应的输出电压。
当加热元件RH加热时,水温升高,经过一定时间,当超过预先设定的值(如100℃),即Ux>Ur时,则A输出高电平,VT1截止,功率晶体管VT2也截止,UH停止加热,此后温度慢慢下降;当降低到低于预先设定值时,即Ux 这样周而复始,时水温保持恒定值,从而达到控制温度的目的。 法官二极管LED用于显示RH的加热情况,加热时,LED发光;恒温时,LED熄灭。 图4-5LM35构成的水温控制电路 5单元电路设计 5.1信号处理单元 LM35输出端的电压因温度改变1摄氏度而改变10mv,很难检测。 所以必须经过一定的处理方可成为测量以及控制部分所使用的信号。 处理方法也就是将它无损的放大一定的倍数。 因控制或测量温度在30摄氏度的时候,LM35输出电压为300mv。 温度在0摄氏度的时候输出为0mv。 经下面计算: 得 即0 考虑计算的方便,以及最后输出测量的方便,放大倍数为30为宜。 5.2温度显示单元 温度显示单元承担两个主要的任务,主要是显示当前以及控制的温度,如果没有它就不知道自己到哪里了。 温度显示实质上就是电压显示,主要是设计一个可以表征温度的电压表。 因低温区的电压比较小,因此为了提高测量和控制的精度,需要设置两个量程。 电阻选择计算: 已知: 万用表内阻 满量程为 所以若使其测量10V电压,串联电阻R1需要满足: 带入数据可算出 若使其测量5V电压,串联电阻R2需要满足: 因此可以通过设置一个开关来达到改变量程的目的。 另外控制和测量温度都需要使用一个表头来显示。 如图4.3.1 当单刀双掷开关S2打到左边的时候,可以通过调节电位器R7来调整控制电压,具体的会在控制单元中说明。 当开关S2打到右边的时候,表头用来显示当前传感器传过来的经过处理的信号,也就是表征温度的电压量。 5.3控制单元 控制单元的作用是通过接收来自传感器处理后的信号,判别是否需要对当前的水体进行加热。 因为初级放大电路是反向放大电路,所以,电压会变成负电压。 因此控制电路处的比较基准电压应该从负电源中索取。 电位器选择计算: 为了使电位器在阻值最小的时候电路中电流在1.5mA以下,选择固定电阻R为2k。 虽然控制温度需要达到30摄氏度,但是为了适应实际,同时以防被毁,控制电压设置最大为50摄氏度。 Vo=500mV×30=15V。 因此电位器选择10k为宜。 6硬件的制作与调试 6.1电烙铁的使用 1、焊接的注意事项 良好的焊接是实验成功的重要保证;反过来说,焊接不良,往往会使实验失败,甚至损毁元器件。 虽然焊接技术并不复杂,但如果认为它操作简单而掉以轻心,也会造成种种不良后果。 所以应注意以下几点: (1)电烙铁焊接的时候,一定要等电烙铁加热后,拔掉电源插头,用电烙铁的余热焊。 否则,温度过高的焊接,会烫坏器件。 (2)焊接器件的时候,一定要将连接电源正、负极的导线分别焊接在器件标有“+”、“—”符号的一端。 器件的下方还有两个类似焊点的地方,如果错将导线焊在那儿,器件就会损坏,不能使用了。 (3)烙铁使用日久后,烙铁头容易被“烧死”,即在表面出现一层黑色氧化物,而且变得凹凸不平。 “烧死”的烙铁头很难熔化和沾取焊锡,需用锉刀将它重新挫亮。 尽量使用市场上出售的空心焊锡丝,它是将焊锡做成直径2~4毫米的细管状,在管内装进松香粉。 使用这种焊锡丝,能保护烙铁头不易被“烧死”。 (4)使用电烙铁一定要注意安全,使用前用万用表测一下电烙铁电源插头两端的电阻是否为正常值。 正常时20瓦烙铁的电阻约2000欧,45瓦的为1000欧,75瓦的为600欧,100瓦的约500欧。 电源插头与电烙铁外壳、烙铁头之间的电阻应接近无穷大,否则说明这把电烙铁漏电,不能使用。 2、电路的连接 在连接电路的时候,要严格按照电路图连接电路,也要注意烙铁与电路板接触的时间,不要烧坏电路板。 并在联好电路以后进行测量。 即使发现问题与改正。 7总结 本课程设计至此已经接近尾声,两周的时间虽然很短暂,但在这两个星期的设计过程中收获颇丰。 这和真正的制作有着很大的差别选定课题时我就很为难,应为以前没有过类似的东西,而且网上很难找到有关温度控制系统的电路图,这些天我翻过了许多相关的书籍,查阅了许多网上资料最后终于制作出了实物,虽然不是很复杂,但其中的辛酸真的很难概括。 由于期末考试和实验课的时间有些冲突,在这段时间里,既要复习考试,又要做课程设计,搞得自己疲惫不堪,甚至有过不想做的念头,可是最后还是克服困难,在和同学须向帮助中继续。 最后在有经验的老师和同学的帮助调试了电路,当实物制作出来并调试成功后非常有成就感。 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,由于我的计算机水平不太高,有些图不会做电子档,上网去搜索,然后截屏。 从这次课设后,我就要认真学习计算机知识补充自己。 在交作品之前我把作品做出来,其中作品可能有些毛病。 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。 感谢学校给我们这次机会,锻炼了我们的动手能力。 通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距,而且也让我认识到自己在数电商友很多的知识漏洞,以后应该多最暗言一下。 同时也感谢指导老师在设计过程中的辅导以及同学的帮助。 参考文献 [1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京: 高等教育出版社,1997. [2]谢自美.电子线路设计·实验·测试(第三版)[M].武汉: 华中科技大学出版社,2006. [3]何希才.《通用电子电路应用400例》[M].电子工业出版社,1999年. [4]童诗白、华成英.《模拟数字电子技术基础》[M].高等教育出版社,2006年 [5]康光华.电子技术基础(数字部分)第五版[M].高等教育出版社,2010. 附录一: 总体电路原理图 附录二: 元器件清单 序号 名称 型号规格 数量 1 电容 0.1μF、10μF 各1 2 电阻 2.2kΩ、220kΩ 各1 3 电阻 1kΩ、22kΩ、3.3kΩ 各1 4 电阻 100Ω、8.2kΩ 各1 5 电阻 8.2kΩ、680kΩ 各1 6 电位器 2.2kΩ 1 7 LED灯 1 8 三极管 1 9 小功率PNP三极管 1 10 三极管 2SC2562 1 11 加热丝 1A、24V 1 12 LM35 1 13 LM393 2 14 直流稳压电源 LM1702 1
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