水溫控制系統摘要該設計要完成的是水溫控制系統的設計，實現滿足題目要求的水溫實時控制系統的測量。主要運用了模擬電子技術基礎中的比例放大器、電壓比較器、二極管等知識。外界溫度通過溫度傳感器LM35轉換為模擬信號，經過放大器放大十倍后用比較器與基準電壓比較，從而控制加熱電路的通斷，實現對水溫的控制。該設計實現了溫度的測量和水溫的控制，使得當水溫高于設定的溫度時停止加熱，低于給定溫度時開始加熱，做到了實時控制，具有良好的應用性。關鍵詞：比例放大器；溫度傳感器；電壓比較器；繼電器目錄TOC\o"1-5"\h\z1 前言 12統設計原理 1\o"CurrentDocument"2.1水溫控制的基本思路 1\o"CurrentDocument"2.2水溫控制原理 2\o"CurrentDocument"3 設計方案與認證 2\o"CurrentDocument"3.1總體設計方案 2\o"CurrentDocument"3.2各部分電路方案認證 2\o"CurrentDocument"3.2.1溫度傳感器 2\o"CurrentDocument"比例放大器 4\o"CurrentDocument"電壓比較器 6\o"CurrentDocument"3.2.4繼電器 7\o"CurrentDocument"3.2.5加熱部分 9\o"CurrentDocument"4電路的仿真與調試 10\o"CurrentDocument"4.1電路的仿真 10\o"CurrentDocument"4.2電路的調試 10\o"CurrentDocument"5電路的特點及改進 10\o"CurrentDocument"6課程設計總結及心得體會 11參考文獻 1 2\o"CurrentDocument"附錄I元件清單 1 3附錄II整體電路圖 1 4第一章前言在日常生活中通過水溫控制來給人們帶來舒適的，方便的生活同，例如剛在外工作回家的男人一定會很疲倦了，如果能夠洗個熱水澡，那真是非常好的事情了，這樣能夠讓一天的疲憊隨著溫熱的流水帶走了，家庭言主婦為家人煮一個熱噴噴的湯水，煮好以后就這樣放著也會變涼的，如何保持溫的恒定呢？這就需要水溫控制系統了。水溫控制在工業及日常生活中應用廣泛，分類較多，不同水溫控制系統的控制方法也不盡相同，本設計是基于模擬電子技術基礎上的電路，通過溫度傳感器將溫度信號轉化為電信號來控制溫度。第二章統設計原理圖2-1水溫控制系統原理框圖2.1水溫控制的基本思路要實現水溫的自動控制，首先，要準確的檢測到水的溫度；其次，要把檢測到的溫度信號轉換為模擬信號；再次，將采集到的模擬信號經過放大器放大十倍后用比較器與基準電壓比較，從而控制加熱電路的通斷。

2.2水溫控制原理本設計要將水溫轉化成電信號才能控制。所以采用溫度傳感器LM35來轉化溫度,經適當放大后與設定的電壓比較，設定的電壓就代表特定的溫度值。當實際溫度高于設定溫度時,控制電路停止加熱；當實際溫度低于設定溫度時,使電路接通加熱。這樣就能自動控制溫度在某個值或小范圍波動。第三章設計方案與認證3.1總體設計方案根據緒論中的原理方框圖,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。3.2各部分電路方案認證3.2.1溫度傳感器本設計選用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：在0°C時輸出為0V,每升高1°C輸出電壓增加10mV,LM35的外觀如圖3.1所示，邏輯圖如圖3.2所示：V=V=10mV/outoC圖3.1

+Vs(4VTO20V)+Vs(4VTO20V)LM35—OUIFUTLM35—0nW+IO.OmV/^C圖3.2LM35溫度傳感器的特性參數及優點：直接用攝氏溫度校準；因晶體片微調而低費用；適用于遙控設備；只有1/4T非線性值；保證0.5°C精度(在+25°C時)；；小于60pA漏泄電流；較低自熱，在靜止空氣中0.08°C；低阻抗輸出，1mA負載時0.1Q工作在4?30V；-55?+150°C額定范圍；線性+10.0mV/°C比例因數極限參數：電源電壓一+35V?-0.2V輸出電壓一+6V?-1.0V輸出電流一10mALM35輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，因而LM35有優于用開爾文標準的線性溫度傳感器，LM35無需外部校準或微調來提供1/4°C的常用的室溫精度，在-55?+150°C溫度范圍內為3/4C，LM35的額定工作溫度范圍為-55?+150C。由于LM35采用內部補償，所以輸出可以從0°C開始。比例放大器圖3.3圖3.4LM158包含了兩個獨立的高增益，頻率補償運算放大器，這樣的設計使LM158得以在寬范圍電壓、單電源供電的狀況下工作。當兩個電源電壓之間的差額控制在3V到30V之間；VCC子最低1.5V，比輸入共模電壓更積極，LM158在分離電源下工作也具有可行性。LM158的低電源電流消耗與供電電壓的大小無關。LM158的外觀圖如圖3.3所示。LM158包括傳感器放大器，直流放大塊，和所有的傳統運算放大器，豐富的內部資源使LM158更容易實現在單電源電壓系統運轉。例如，這些器件可以直接在數字系統標準的5V電源電壓下操作，而無需在電子接口處額外使用5V的電源電壓。LM158的邏輯圖如3.4。LM158引腳兼容LM258A、LM2904。LM158的工作溫度范圍在-25°C至85°C之間；LM258A工作溫度在-55C至125C之間；LM2904工作溫度在-40C至125°C之間。LM158的具體參數如下：寬電源電壓范圍：一單電源供電……3V至30V—雙電源低電源電流：0.7毫安低輸入偏置和失調參數：—輸入失調電壓……3mV—輸入失調電流……2nA—輸入偏置電流……20nA差分輸入電壓范圍等于最大額定電壓：32V開環差分電壓：100伏/mV內部頻率補償圖3.5此設計用正相比例放大器，使輸出時為正電壓，考慮到控制的溫度是室溫到80<€，所以取放大器的放大倍數為10倍比較合適。正相比例放大器的原理圖如圖3.5所示：由運放的—虛短”—虛斷”的性質有：v=vPNi=0ivv一v

/.L=o iRR12（1Rv=（1+厶）

o R1這里取Ri=10KO，貝【JR2=90KO，因為電源電壓為10V,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。電壓比較器這里采用簡單的單門限電壓比較器，使用的運算放大器為LM158中的一個。電路圖如圖3.6：圖3.6圖3.6中5接放大器的輸出電壓作為比較器的輸入電壓，接+10V,7接輸出電壓，。此時放大器工作在非線性狀態，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>時，卩。=10V，當vp<Vn時，％=—10V。這種情況下,運算放大器的虛短仍然可用,則有：U+=R4/(R3+R4)10V由于本設計要求基準溫度為可任意設定的，如表3.1：溫度/°c20304050607080R4/(R3+R4)1/43/72/31/13/27/34/1表3.1所以選R3=100?，R4為滑動變阻器，范圍為0~400。由運放的非線性特性：U+>U-時，U0二UOHU+<U-時，U0二UOLU+=U-時，UOL<UO<UOH可有：U+>U-時，U0二U+；U+<U-時，U0二-U+。繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。繼電器按作用原理分為電磁繼電器、固態繼電器、時間繼電器、溫度繼電器、風速繼電器、加速度繼電器等，考慮到本設計原理及可操作性，選用額定電壓為10V的常開型電磁繼電器。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。在本設計中，無電流通過繼電器時，繼電器開關不吸合，不進行水溫加熱；當有一定的電流通過時，繼電器產生磁性是高壓端開關閉合，加熱電路構成回路，開始加熱水。其內部構造及工作原理如圖3.7：圖3.7當低壓電源端開關接通后電磁鐵由于電流產生磁性，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10V,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3.8：圖3.8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+10V時，發光二極管導通，當輸入電壓為一10V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），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。加熱部分按其化學元素的含量和組織結構的不同，可分為二大類：一類是鐵鉻鋁合金系列，另一類為鎳鉻合金系列，它們作為電熱材料分別具有各自的較多的優點，而得到廣泛的使用。鐵鉻鋁合金系列主要優缺點：優點：鐵鉻鋁電熱合金其使用溫度高，最高使用溫度可達1400度，使用壽命長、表面負荷高、抗氧化性能好、電阻率高，價格便宜等。缺點：主要是高溫強度低，隨著使用溫度升高其塑性增大，元件易變形，不易彎曲和修復。鎳鉻電熱合金系列主要優缺點：優點：高溫強度較鐵鉻鋁高，高溫使用下不易變形，其結構不易改變，塑性較好，易修復，其輻射率高，無磁性,耐腐蝕性強，使用壽命長等。缺點：由于采用較稀缺的鎳金屬材料制成，故該系列產品價格高出鐵鉻鋁最多達幾倍，使用溫度較鐵鉻鋁低。考慮到以上因素，故加熱電路選用額定功率為2.5kw的鐵鉻鋁合金電熱絲，一端接有220V，10A的市電。為了保護電路，給電熱絲一端串入保險絲。電路圖如圖3.9：圖3.9第四章電路的仿真與調試4.1電路的仿真本設計用proteus進行仿真，在繪制電路圖的過程中，要注意溫度傳感器、發光二極管以及運算放大器管腳的接法。在仿真過程中，當把溫度傳感器的溫度調的過高、滑動變阻器的阻值調的過大時，會出現錯誤，不能進行仿真，這點要特別注意。一般情況下，溫度傳感器LM35的溫度調成60°C左右，滑動變阻器的可動觸頭置于中間。4.2電路的調試仿真圖畫好后，分別在溫度傳感器LM35輸出端、放大器的輸出端接上直流電壓表,設為VI、V2。調節滑動變阻器，使設定的溫度為40Co當室溫為35C時，可觀察到V1=0.4V,V2=2.02v,這時發光二極管亮，表明此時繼電器開關閉合，加熱電路工作；升高溫度傳感器的溫度，很快就可以觀察到發光二極管熄滅，表明繼電器開關斷開，停止對水的加熱。第五章電路的特點及改進這個設計結構簡單，設計中用到了LM35和LM158集成塊，主要運用了模擬電子技術基礎中的放大器和比較器的知識，耗材小，省電，安全。基本都能達到預想的目標。由于測量是在仿真情況下進行的，故不會存在外界因素的干擾而使測量結果有所偏差。本設計中所存在的誤差主要來自兩個方面：一是仿真軟件本身存在的不精確問題；二是設計者自己對滑動變阻器阻值選取的不夠恰當。設計總結本設計符合任務要求，實現了對水溫的實時控制——當水溫低于設定溫度時加熱電路會自動進行加熱；當水溫高于設定溫度時，便會停止加熱。本設計主要運用了模擬電子技術的相關知識，比如同向比例放大器、反向電壓比較器、發光二極管，同時也應用了傳感器的知識，在實現溫度信號與電壓信號的轉換時，用到了溫度傳感器LM35,很好的做到了這兩類信號的線性轉換。這個電路也存在改進的地方。本設計沒有結合單片機的自動調節，還有在設定溫度時需要用萬用表測量電壓，如果有數碼管的話就可以直接顯示所調電壓（即溫度）的值，那樣的話會更方便。第六章課程設計總結及心得體會在本次設計過程中，把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，盡管遇到了許多突發事件和各種困難，設計制作曾一度中斷，在這個過程中我感觸很深，它不僅是一個對我學習知識情況和自我應用動手能力的檢查，