传感器设计—温度控制器—鱼缸水温自动加热系统.

一、基本原理二、元器件的选择三、制作、调试和应用鱼缸水温加热控制器引言•对于具有观赏价值的热带鱼，为使它们安全过冬，需要对鱼缸温度进行监测，并实现自动加温，使得水温保持在26度左右。这里介绍的鱼缸自动加热控制器，不但工作可靠，稳定性好，而且结构简单，适合爱好者自己动手制作。基本原理原理概括使用热敏电阻直接感受鱼缸温度，将温度变化转化为电压值，然后通过555定时器的电压参数变化监测温度，控制加热器的工作。流程图鱼缸水温加热控制器•热电阻测温原理在工业应用中，热电偶一般适用于测量500℃以上的较高温度。对于500℃以下的中、低温度，热电偶的输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低温区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。•金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，其温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重。鱼缸水温加热控制器•热电阻的金属材料一般要求：尽可能大而且稳定的温度系数、电阻率要大（在同样灵敏度下减小传感器的尺寸）、在使用的温度范围内具有稳定的化学物理性能、材料的复制性好、电阻值随温度变化要有间值函数关系（最好呈线性关系）。•目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。中国最常用的有R0=10Ω、R0=100Ω和R0=1000Ω等几种，其分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，其分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。鱼缸水温加热控制器•热电阻的引线的三种方式○二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此只适用于测量精度较低的场合•○三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线，通常与电桥配套使用，可较好的消除引线电阻的影响，在工业过程控制中最常用。•○四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。该引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。鱼缸水温自动加热控制系统流程图基本电路图电路原理分析元器件选取制作应用鱼缸水温加热控制器•控制流程图设定预置温度加热温度检测停止加热温度已达设定值温度未达设定值基本原理图温控电路•555定时器温控电路•电路结构：电路采用负温度系数的热敏电阻Rt作为传感器，由电位器Rp、热敏电阻Rt和电阻R1和555定时器（IC1芯片）构成单位态电路进行温度控制。•工作过程：电路平时处于稳定状态，IC1输出端（3脚）为低电平，LED不发光，继电器K不工作，常开接点K1-1为释放状态，加热器不工作。•设控制温度为26℃，在此温度下调节电位器Rp，使Rp+Rt=2R1，IC1输入端（2脚）UR1=1/3Vcc。温控电路•当水温超过26℃时，Rt阻值增大，R1分压减小，UR11/3Vcc,进入暂稳态，IC1输出端（3脚）为高电平，指示灯LED发光，继电器K1-1吸合，加热器通电工作。其中暂稳态时间t取决于R2、C1乘积，当R2=1MΩ、C1=10uF时，t=1.1R2*C1=11s。•加热11s后，若水温仍低于26℃，则IC1（引脚2）仍小于1/3Vcc,IC1输出端（3脚）为高电平，继续加热。若水温高于26℃，Rt阻值减小，R1分压增大，IC1（引脚2）UR11/3Vcc,则暂稳态结束后电路立即复位，IC1输出端（3脚）为低电平，指示灯LED熄灭，继电器K1-1释放，停止加热。•发光二极管LED、二极管D1、继电器K连接IC1输出端（3脚）。当IC1输出端（3脚）为高电平时，电压继电器K吸合，指示灯ＬＥＤ亮，反之，ＬＥＤ灯灭。基本原理：加热器功能的实现•加热电路•加热电路由加热器、继电器K1-1及220v交流电源组成，交流欠电压继电器K1-1有一对常开触点，当线圈电压达到或大于某额定值时，衔铁吸合，反之，衔铁释放。因此，当IC1输出端（3脚）为高电平时，K1-1吸合，加热器工作，反之，K1-1释放，加热器停止工作。•桥式整流滤波电路•变压器T、二极管D2~D5组成12v式桥式整流滤波电路，利用二极管的单向导电作用，它可将交流电变换为直流电。其中变压器T把220v交流输入电压转化为整流电路中12v交流电压。基本电路元件•555定时器基本电路元件•继电器电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。•对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。元器件选择•热敏电阻Ｒｔ采用负温度系数的热敏电阻做成传感器。•IC1采用NE555型时基集成电路，均为双列直插式塑料封装结构，８个引脚。•继电器K用JZC-23F、220V/5AC、DC9V超小型中功率继电器，有一组转换接点，5个引脚，可直接插焊在印刷电路板上，引脚排列如图。其尺寸为22mm×16.2mm×16.5mm。元器件选择•继电器K1-1为有一对常开触点的交流欠电压继电器。元器件选择•D1用1N4148型硅开光二极管。D2~D5用1N4001型硅整流二极管。LED用Φ5mm红色发光二极管。•Rp采用有机实心微调电位器，如WSW、W2S型。R1~R2用1/8W碳膜或金属膜电阻。C1、C3用CD11~16V型普通电解电容器，C2用瓷介电容器。元器件选择•变压器T用220V/12V、3VA小型电源变压器。XP、XS用普通交流电源插头、插座。•加热器可用成品鱼缸加热管，也可用35~70W内热式电烙铁铁心为发热元件、石英砂为填料、试管和橡皮塞为密封外壳组成，将它浸入装有变压器油的铜管，但使用时要防止漏油污染鱼缸。制作、调试和应用•1.制作。除热敏电阻和加热器外，电子元件均安装在尺寸为80mm×50mm的自制电路板上。热敏电阻Rt与塑料导线连接好以后，将焊接点和Rt用热溶胶密封，待固化后即成为防水性能良好的测温探头。•2.调试。调节电位器Rp至最小阻值，将测温探头插入水中，水中另插一支温度计，缓慢导入热水并搅拌混合，电路将从暂稳态回到稳态（LED不亮），同时注释温度计温升情况，当水温上升至26度（预定控制温度）时停止加水，待温度计开始下降时逐渐调大电位器Rp阻值，直至LED发光同时听到继电器K的吸合声就停止调节，然后将电位器紧锁或用火漆封固。•3.应用。将调节好的电路板装入事先准备好的塑料机壳内，将它安放在不会溅到水的位置，使用一天工作正常后即可正式投入使用。市电电压在±10%范围内的变化不会影响控制器的正常工作。Thanks!