P8数字电子技术课程设计简易温度控制器

兰州理工大学技术工程学院电子技术综合训练简易温度控制器技术性能指标设计一个温度监控系统，用温度传感检测容器内的水的温度，。具体要求如下：1：当水温小与50°C时，H1.H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热；2：当水温大于50°C,但小与60°C时，H1热器打开，H2加热器关闭；3：当温大于60°C时，H1.H2两个加热器同时关闭；4：当水温小于40°C,或者大于70°C时，用红色发光二极管发出报警信号；5：当水温在40~~70°C之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；6：电源：220V/50HZ的工平频交流电供电；温度控制电路的总体框图如图1所示，它是由温度信号采取电路、温度信号处理电路、控制温度电路、显示电路四部分构成的。图1温度控制总体框第三章方案选择方案一：此电路是一种数字温度控制器的参考设计方案检测电路信号调节温度显示拨码盘时钟发生器温度求取A/D转换器比较器加热控制电路温度信号采集控制温度电路显示电路温度信号处理电路兰州理工大学技术工程学院电子技术综合训练简易温度控制器图2方案一原理框图原理：温度检测电路通过热敏电阻检测水温并将水温信号转化成电压信号，时钟发生器产生的脉冲启动A/D转换电路。通过A/D转换电路将模拟信号转化成数字信号，利用4线——7段显示译码器/驱动器将得到的BCD码送至LED数码显示管显示。在比较电路中将拨码盘输入的温度与求取得到的温度进行比较，条件成立后送入控制电路控制加热器。方案二：使用555元件处理电压图3方案二原理框图原理：使用感温效果较好的热敏电阻进行温度感应，当周围温度变化时，引起电阻阻值发生变化，进而导致输入到555元件的电压发生变化，式555输出电压发生变化，使相应的二极管发光，相应的设备进行工作。方案三：把水温转换为电压进行控制图4方案三原理框图原理：利用热敏电阻进行温度测量，当环境温度变化时，热敏电阻的阻值也发生变化，直接导致分压变化，进而使单限比较器的输入电压发生变化，经过比较之后产生两个大小不同的电压进入由三极管构成的开关，通过开关后就会有一个三极管导通，使发光二极管和继电器同时工作。方案分析：通过比较发现第三个电路比第一个电路原理简单，电路简单，更能准确的检测水温的变化，而方案二需要用比较复杂的元件，虽然它也能起到比较电压的作用，但是需要的条件比较苛刻，利用率比较低，并且效果不好。方案三，控制相当简单，原理易于理解，操作方便易行，如果出现异常，还可以简单的进行修改就会达到维修的目的，最重要的是它的性价比较高。综上所述，最终确定方案三为本次电子技术综合训练方案。第四章单元电路设计2.温度检测电路在温度检测电路中通过铂电阻Pt100采集水温信号，并将水温信号转换成电压信号，Pt100的阻值和温度之间的关系为R=R0（1+At+B*t*t）式中，t为摄氏温度；R0为t=0°C时的阻值；A、B为常数。由实验法测得。本实验中，由于控制精度并不很高，因此可以将二次项忽略。Pt100的阻值和温度之间的关系为R=100欧姆+0.386欧姆*T/C。这部分电路采用5伏直流电源供电。将得到的电压信号送入比较电路进行比较，将比较得到的结果输入显示电路。得到的分压电路处理电压温热敏电阻改变电路三极管导通发光二极管发光温热敏电阻改变温度555芯片处理电压三极管导通发光二极管发光兰州理工大学技术工程学院电子技术综合训练简易温度控制器水温为50°C和60°C对应的电压信号输入控制电路后，由12伏直流继电器控制两个加热器工作。在焊接电路板时，温度检测电路可以用十二伏直流电源和一个10千伏可调电位器代替。温度检测电路可采用图所示的图是温度测量电路。图中检测元件可采用铂PT100或其他热电阻传感器，本实验采用PT100。PT100的阻值与温度之间关系为R=R0(1+AT+BT*T)式中，t为摄氏温度：R0为t=0°C时的阻值；A.B为常数，由实验法测得。本实验中，由于控制精度并不很高，因此可以将二次项忽略，这样，PT100阻值与温度之间的关系可用下式表示:R=100欧姆+0.386欧姆*T/°C.式中，100欧姆为PT100在0°时的阻值.要想实现对水温的控制，希望将水温信号变换为电压信号，可以采用电路。为使运放在静态时输入端平衡，令R1=R3，R2=R4。图中R*=100欧姆，如果设A3的输出为U0，则有U0=（U1-U2）R2/R1=K（U1-U2）令t=100C时，U0=5V,则K=54.4，故有R2/R1=54.4，取R1=5.6千欧姆，则R2=304.64k欧姆，故取R1=R3=5.6k欧姆，取R2=R4=300千欧。当水温改变时对应的电压值为：当水温小于40°C或者大于70°C时对应的热敏电阻阻值为小于2kv或者大于3.5kv。当水温在50°C时对应的电压值为2.5kv。当水温在60°C时对应的电压值为3kv。（图6）R12kΩR22kΩR3100ΩR75.6kΩR85.6kΩVCC5VR20200ΩKey=A0%U2ATL082CD32481U7BTL082CD56487U5ALF412ACN32481R9300kΩR5300kΩ76043210VCCV1312VV1412V26V1512VV1612V27V1712VV1812V30312928000000图6温度检测电路兰州理工大学技术工程学院电子技术综合训练简易温度控制器3.比较/显示电路比较/显示电路采用图示电路，其中A4、A5构成窗口比较器，假设Ur1和Ur2可通过调节电位器RP1和RP2设定。另一方面，Ur1和Ur2的实际大小可通过实验测得。在电路中对水加热使得在水温为100°时A3的输出电压（即U0）为5V，然后测得水温为40°C时A3的输出电压U0即为Ur1，水温在70°C之间时窗口比较器输出为高电平，绿发光二极管点亮，红发光二极管熄灭，指示水温正常。否则绿发光二极管熄灭，红发光二极管点亮，处于报警状态。（图7）VCC5VVCC5VVCC5VR1051kΩR12360ΩR134.7kΩR14360ΩD71N4148D11N4148Q12SC1815Q22SC1815LED2LED1R44.254kΩR65.746kΩR112.044kΩR157.956kΩ170VCC0VCCVCC121110980U3ALM339AJ543212U4BLM339AJ763112R232ΩR242Ω1514161819V112VV212VV312VV412V2402503305013图7比较/显示电路4.控制电路控制电路可以采用图电路。假设Ur3和Ur4分别对应50°C和60°C水温，则Ur3和Ur4可通过调节电位器RP3和RP4设定。另一方面，Ur3和Ur4的大小可通过实验测得。同样在图示电路中对水加热，使得水温在100°C时A3的输出电压u0即为Ur4。图中当u0Ur3时，继电器K1和K2的常开触点闭合，加热器H1和H2都工作；Ur3u0Ur4时，继电器K2的常开触点闭合，加热器H2工作，H1断开；当u0Ur4时，继电器K1和K2的常开触点都断开，加热器H1和H2都断开，停止加热。（图8）兰州理工大学技术工程学院电子技术综合训练简易温度控制器U1ALM339AD763112R1610kΩKey=C50%V75VQ32SC1815R175.1kΩJ17mV0mVVCC5VVCC5VU6ALM339AD763112V105VJ27mV0mVR185.1kΩQ42SC1815R1910kΩKey=D50%D21N4001D31N4001LED3LED40525150494847004604544VCC43VCC0424103938V512VV612VV812VV1212V202200V9220Vrms50Hz0°V11220Vrms50Hz0°00R212ΩR222Ω21402337图8控制电路5．元器件的选择为了获得比较高的测量精度，图6中的电阻可以选用1%的五环金属膜电阻；电阻R1、R2、R3、R4要精心挑选，保证R1=R3，R2=R4，或者采用电位器调节得到两只匹配的300k电阻，使阻值尽可能实现匹配，提高电路的共模抑制比；A1和A2要选择输入电阻较大的运算放大器，如TL082CD，A3要选择精度高，输入电阻大，共模抑制比高的运算放大器，如LF412ACN等；比较器选择LM339AD,继电器选择12V的直流继电器。主要元器件：PT100铂电阻、TL082CD、LF412ACN、LM339AD、ULN2003、1N4001、1N4148、2SC1815、10K精密可调电阻、12V的直流继电器、发光二极管等。第五章硬件接线图按照实验要求设计电路，确定元器件型号和参数；为使电路便于调试，可将图中标号为R2和R4的电阻改为330千欧的电位器，在实验板上搭建电路，检查无误后通电调试；将水加热为100°C，调节330千欧的两只电位器，使A3的输出电压u0为5V（注意：为保证电路精度，在调试电位器时，一方面要保证A3的输出电压U0为5v,同时还要保证U0为5V是两只电位器的调节后的阻值要相等，然后改变水温，使其分别为40°C、50°C、60°C、70°C，测得U0电压，即为Ur1、Ur２、Ur3、Ur４；调整电位器RP1、RP2、RP3、RP4，使其中尖端电压分别为Ur1、Ur3、Ur3４、Ur２，改变水温在40～70°Ｃ之间变化，检查控制是否符合要求，指示是否正确。对测试结果进行分析，得出实验结论。兰州理工大学技术工程学院电子技术综合训练简易温度控制器图9总电路原理图R12kΩR22kΩR3100ΩR75.6kΩR85.6kΩVCC5VR20200ΩKey=A50%U2ATL082CD32481U7BTL082CD56487U5ALF412ACN32481R9300kΩR5300kΩ76043210VCCVCC5VVCC5VVCC5VR1051kΩR12360ΩR134.7kΩR14360ΩD71N4148D11N4148Q12SC1815Q22SC1815LED2LED1R44.254kΩR65.746kΩR112.044kΩR157.956kΩ170VCC0VCCVCC121110980U3ALM339AJ543212U4BLM339AJ763112R232ΩR242ΩU1ALM339AD763112R1610kΩKey=C50%V75VQ32SC1815R175.1kΩJ17mV0mVVCC5VVCC5VU6ALM339AD763112V105VJ27mV0mVR185.1kΩQ42SC1815R1910kΩKey=D50%D21N4001D31N4001LED3LED40525150494847004604544VCC43VCC042414003938371514161819V112VV212VV312VV412VV512VV612VV812VV1212V202224025000V9220Vrms50Hz0°V11220Vrms50Hz0°V1312VV1412V26V1512VV1612V27V1712VV1812V303129280000002102303305013兰州理工大学技术工程学院电子技术综合训练简易温度控制器第七章结论综合训练要求设计一个简易温度控制电路,能够采集温度信号,并将所采集到的温度信号处理成电压信号，两个指示灯相应于相应情况时各自发光,表示所在电路工作在相应的过程中。红色发光二极管放光表示温度低于温度最小值40度的工作状态，此时继电器启动导致两个电阻丝工作进行加热；或温度高于最大值70度时的工作状态，此时两个加热器都不工作。绿色发光二极管发光表示温度在最大值与最小值之间的工作状态，此时继电器启动导致相应的元件进行工作。所以该电路已基本达到任务要求及性能指标。1、当水温小于40°C,或者大于70°C时，根据R0=100欧姆+0.386欧姆t/°C，就等于电压小于2kv或电压大于3.5kv.此时红色发光二极管发出警报信号；2、当水温40°C到70°C时同理上式，即电压在2kv到3.5kv时，此时绿