化学反应釜课程设计--化学反应釜温度电子控制器设计.doc

内蒙古工业大学课程设计说明书学校代码： 10128学 号： 201110204017课程设计说明书 题 目：化学反应釜温度电子控制器设计学生姓名： 学 院： 信息工程班 级： 指导教师： 二一三 年 九 月 一日内蒙古工业大学课程设计任务书（1）课程名称： 电子技术课程设计 学院：信息工程学院 班 级： _学生姓名： _ 学号： _ 指导教师： 一、设计题目 化学反应釜温度电子控制器设计与实验二、设计目的 掌握基本模拟电子电路和数字逻辑电路的分析及设计方法，培养学习专业知识能力。 掌握基本电子电路故障的基本识别方法与基本诊断方法，培养分析问题、解决问题能力。 掌握学习总结报告和设计说明书的基本书写方法，培养技术交流能力。三、设计内容和要求 1设计内容设计并制作一个针对化学反应釜温度和反应次数的控制器。温度为毫伏级缓慢变化信号。传感器为电压型，可将测量的0-200温度转换为对应电信号5-15mV，并伴有5 mV左右的共模干扰。工艺要求：当温度升高到150时反应釜停止加热，自然冷却至60时，启动加热器。反复加热7次后反应釜开始排料至下一工艺过程。要求控制器有高、低温报警功能（VCC=5V，POM=1W）；报警和反应次数的计数显示功能。可拓展功能为反应时间计时显示、启停温度可设定、报警和反应次数的存储，提供控制器5V/2A直流电源电路设计。2设计要求（1）查找资料，主要从器件选型角度分析比较2种以上设计方案，理解工作原理，比较各自优缺点，完成系统框架设计，明确设计思路。从设计方案选择、选取器件材料、设计制作、测试分析等方面归纳阐述并总结成文，列出选用器件清单；列出参考文献目录清单。（2）对照系统框架，确定电路设计方案，绘制原理图或设计流程图，简述所选电路的工作原理；根据设计要求，进行电路分析及比较，根据计算的参数特征，选择电路元器件，写出必要的输入-输出函数表达式。（3）选择相关集成电路器件，绘制完整实验电路原理图或接线图，说明主要元件在电路中的作用，说明整体电路工作原理或工作流程。（4）搭建Multisim或MAX PlusII仿真电路，完成所设计电路的仿真测试。（5）安装、调试实测电路，完成电路性能指标测试，记录并分析实验测试结果。（6）得出结论（是否针对设计任务完成电路设计，通过什么方式验证设计的正确性，设计电路的性能如何，还可以在哪些方面做进一步改进等）。（7）写出设计说明和实验报告，分析说明实验过程中出现故障的原因及排除方法。（8）创意设计或自主扩展设计。想一想自己的设计作品具有哪些方面的市场竞争力，是否可以通过进一步拓展和深化，开展项目开发，参加创新性设计，怎样才能销售出去等。四、工作内容、进度安排 第1天第2天：查阅文献资料，分析电路组成方框图，确定并提交总体设计方案。第3天：分析模拟信号单元电路的工作原理和特性，并有必要的计算，利用软件工具对其进行仿真。第4天第5天：用计算机绘制电气原理图/接线管脚图，安装调试电路，通过阶段验收。第6天第7天：分析数字信号单元电路的工作原理和特性，并有必要的分析、计算、描述。第8天第9天：完成逻辑电路性能指标测试；完成系统统调测试；*提出扩展设计模块及方案。第10天：完成设计说明书的总体编写工作，针对设计通过答五、主要参考资料1 阎石，数字电子技术基础（第5版） 高等教育出版社 20062 华成英，模拟电子技术基础（第4版） 高等教育出版社 20063 电子技术课程组，电子技术 内蒙古工业大学 2013.34 课程设计专栏，内蒙古工业大学精品课程公共网站。学生根据实际题目检索相关文献（不少于三篇）审核意见系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间 年 月 日 指导教师签字：_ _ 摘 要温度是生产过程和科学实验中普遍存在的物理参数,化学反应釜的温度控制精度、系统响应速度及稳定度是衡量温控系统性能指标的关键因素，准确控制釜内温度对在不同温度下进行化学反应具有重要的意义。本文对反应釜的温度控制进行了分析，设计主要运用基本的模拟电子技术和数字电子技术的知识，用电压比较器来实现温度控制装置，采用555构成的多谐振荡器来实现高、低温报警装置，用内置译码器的四输入数码管译码显示反应次数，A/D转换应用比较器完成。同时运用到模拟电子技术中的滤波放大电路的相关知识:在A/D转换前置低通滤波器，来滤除干扰信号，应用放大电路来实现信号幅度与元器件工作范围的匹配。通过这些，实现温度控制电路的设计。关键词： 三运放放大；滤波器 ；比较器 ；计数显示 ；报警器 AbstractThe temperature is generally exists in the production process and scientific experiments of physical parameters, chemical reaction kettle temperature control precision, the system response speed and stability is a key factor measure of temperature control system performance, precise temperature control inside the kettle to chemical reaction at different temperatures is of great importance. In this paper, the reaction kettle temperature control was analyzed, and the design of the main use of basic analog electronic technology and digital electronic technology knowledge, to realize the temperature control device with voltage comparator, multivibrator composed of 555 is used to achieve high and low temperature alarm device, using A built-in decoder decoding digital tube display reaction times four input, A/D conversion application comparator. At the same time using the filter amplifier circuit in analog electronic technology related knowledge: in the A/D conversion lead low pass filter, to filter the jamming signal, amplifying circuit, is applied to realize the signal amplitude and the matching of the components work scope. Through these, realize the temperature control circuit design.Keywords: Three op-amp amplifier；fliter；camparator；Counting and display；alarm apparatus目录一、设计任务概述1二、设计方案论证及方框图1三、电路组成及工作原理4四、电路元器件选择与计算5五、安装与调试9 1、安装10 2、测试方案10 3、调试过程11 4、调试中发现的问题及解决措施12六、指标测试 12 1、单元电路功能测试12 2、整体电路功能测试13结论14收获与体会14参考文献15设计所需仪器设备及元器件清单16附录：元件说明一 设计任务概述在精细化工行业中,反应釜是常用的一种反应容器,而温度是其主要被控制量,是保证产品质量的一个重要因素。设计并制作一个针对化学反应釜温度和反应次数的控制器。温度为毫伏级缓慢变化信号。传感器为电压型，可将测量的0-200温度转换为对应电信号5-15mV，并伴有5 mV左右的共模干扰。工艺要求：1. 当温度升高到150时反应釜停止加热，自然冷却至60时，启动加热器。反复加热7次后反应釜开始排料至下一工艺过程。2. 要求控制器有高、低温报警功能（VCC=5V，POM=1W）；报警和反应次数的计数显示功能。可拓展功能为反应时间计时显示、启停温度可设定、报警和反应次数的存储，提供控制器5V/2A直流电源电路设计。二 设计方案方框图及论证根据本设计内容及工艺要求，兼顾可行性、可靠性和经济性等各种因素，要实现此设计要求可以通过以下几种方案：（阴影部分不在设计范围内）方案一：系统框图如图1所示，温度传感器测量温度，转换成电压信号后经过滤波消除干扰信号，放大电路将所测信号幅度与后续电路的工作范围做一匹配，所得有用信号经过A/D转换专职转换成数字信号。此数字信号有两条路径：一、进入超限报警装置与所设定的温度范围进行比较，若超限则发出声光报警；二、进入数字比较器与输入的控制温度进行比较，产生温度控制机构的工作信号，计数反应次数并显示。此系统可以对被测体的温度进行实时跟踪测量，并进行有效控制，总体上滤波放大电路A/D转换数字比较器输入控制温度超限报警装置温度传感器计数并显示反应次数温度控制装置实现了温度的控制。图1表1 方案一材料表序号元器件名称规格型号数量1运算放大器LM324D62A/D转换器ADC080413电容10nF100F若干4电阻5.1k100K若干5555定时器NE55526计数器74LS16027蜂鸣器5VDC18发光二极管2方案二：系统框图如图2所示，温度传感器用来测量被测体的实时温度并转换成电压信号，该电压信号经过滤波放大电路，成为有用信号进入电压比较器，与输入控制温度电压信号进行比较，比较结果信号将驱动反应次数计数装置工作，对被测体的温度进行实时控制，电压比较器的比较结果还将决定是否发出声光报警。此方案是将测量温度与输入控制温度转换成电压信号进行比较，从而实现了温度的控制。 三运放放大电路低通滤波器输入控制温度超限声光报警装置温度传感器计数并显示反应次装置数温度控制装置电压比较器图2表2 方案二材料表序号元器件名称规格型号数量1运算放大器LM324D42电压比价器LM39323电容10nF100F若干4电阻5.1k100K若干5555定时器NE55526计数器74LS16027蜂鸣器5VDC18发光二极管2方案选择：方案一：将所有的信号都转换成数字信号处理，克服了模拟信号易受干扰的缺点。而且系统的主要处理部件均采用数字式的元器件，从而使信号的模式与之匹配，对于信号处理的精度就有了保证。但是由于其上、下限温度限定电路复杂，而且本设计只设计两点温度比较，所以A/D转换器部分过于繁杂。综合考虑故此方案舍弃。方案二：符合要求中控制温度与报警、反应次数计数的要求。控制电路中以模拟信号为主，实现起来简单且准确。 综上所述，考虑到两个方案的优缺点，选择方案二作为此次温度控制电路的设计方案。整体构思： 总体设计框图如下图3所示，从温度的采集到与设定温度的比较，再到控制过程都是模拟信号，在显示电路中，将模拟信号转换成数字信号显示，考虑到传感器得到的是弱信号并且伴有5mv共模干扰信号，所以在设计电路过程中，采用三运放放大电路。整个温度控制部分主要由以下几个模块构成：温度传感器、放大器、滤波器、电压比较器、控制电路（温控电路）、声光报警器、显示电路。模拟部分原理方框图：温度传感器三运放放大电路滤波器比较器图3 数字部分原理方框图:数字信号数值比较器加热装置高低温报警器反应计数输入控制温度报警计数图4三 电路组成及工作原理1.化学反应釜温度电子控制器模部分总电路原理图如图5所示。图5 化学反应釜温度电子控制器模电部分总电路原理图由直流电源模拟传感器传出的电压信号，通过三运放差分放大电路后，放大一定的倍数，使电压与温度成线性关系。放大电压信号通过低通滤波器，调节滤波器的截止频率，滤掉高频干扰信号同时得出电压放大倍数。经过滤波电路的信号通过窗口比较器，实现模拟信号转变为数字信号。 2.化学反应釜温度电子控制器数字部分总电路原理图如图6所示。图6 四 电路及元器件的选择与计算1放大电路的组成考虑传感器输出电压信号的特点，前置级应该满足下述要求：（1）高输入阻抗。输出信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为100k，则放大器的输入阻抗应大于1M。（2）高共模抑制比CMRR。前置级须采用CMRR高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。（3）低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。如图7所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求。放大器的第一级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。第二级采用差动电路用以提高共模抑制比。 图7三运放差分放大电路如图7为三运放构成的差分电路，这是一种现代工程中常用的差分放大结构。运放A3和A4构成放大部分，A5为差分放大部分。从电路结构可知，该电路具有输入阻抗、共模抑制比高，温漂影响小和二级放大信号失真小等优点。当R3=R4，R5=R6时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即：Avd=(（Rp+2R1）/Rp)(R6/R4) 由此可知，上述电路具有输入阻抗高，共模抑制比高等优点，故选用此三运放差分电路来放大小输入电压信号Ux。参数选择：R1=R2=0.45k ，Rp=0.1k ，R3=R4=0.01k ，R5=R6=1k 则输出电压U0=(（Rp+2R1）/Rp)(R6/R4)Ux，通过改变Rp可以改变电压放大倍数。调节Rp，使温度150时，输出电压U0值为1.25V。最终保证输出和温度数值上的一个线性关系，通过电压值可以知道温度值，而达到测量温度的目的。2.滤波电路的选择及工作原理 考虑到实际工作环境中各种信号的干扰，所以选择了一阶低通电路。如图8所示，为反相输入一阶低通滤波器。 图8LM324的原理及结构LM324是运放集成电路，电路模型如图9所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端；Vi+（+）为同相输入端。 LM324的引脚排列见图10。 图9 图103.高低温报警功能声光报警555单限比较器温度设定图11该报警装置如图11所示，主要构成器件为555定时器集成芯片。它组成的多谐振荡器再加上发光器件和蜂鸣器，就构成了此声光报警器，当前置电路产生的逻辑信号为高电平时，则该声光报警装置工作，发出声光报警。该设计的发声频率为： f=1.44/(R14+2R15)C4 11.7HZ所以，发声持续时间： T=1/f8.5510-2s4. 反应次数计数功能 图12 根据温度与电压对应的线性关系，算出150摄氏度对应的电压作为A的输入，经过跟随器将电压分送入比较放大器B(放大倍数为1）的反相输入端，60摄氏度对应电压送入同相输入端，B输出端的电压为二输入电压之差此电压对应两个设定的温度值之差比较器D的反向输入端接传感器输出端。当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时，C输出高电平；当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电平，电压比较器D输出高电平。计数器开始计数，当计数到七是停止计数。当实际温度上升到150以上时，温度传感器的输出电压大于1.25V，电压比较器D输出低电平，停止计数。加热电路图13加热电路如图13，当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时，C输出高电平，可控硅T1因获得偏流一直导通，交流220V直接加在电热元件两端，进行大功率快速加热；当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时，表明实际温度已接近控制温度，C输出低电平，可控硅T1因无偏流处于截止状态，电压比较器D输出高电平，可控硅T2仍处于导通状态，交流220V需要通过二极管D2加在电热元件两端，进行小功率慢速加热；当实际温度上升到150以上时，温度传感器的输出电压大于1.25V，电压比较器D输出低电平，可控硅T2也截止，电热元件断电，停止加热。五 安装与调试1安装（1）在Multisim10.0上进行仿真调试。（2）仿真调试出结果后，按照电路原理图在实验室试验箱上进行安装。（3）明确各器件管脚功能，认真连线。2测试方案（1）调试模拟单元A、 仿真结果如图14所示 图14Au=1000B、按图5连线，检查无误后接通电源C 、通过改变输入电压的形式实现实际工艺中温度的变化。检测信号通过放大电路和滤波电路后的放大倍数，从而确定温度与电压之间的线性关系。算出放大倍数的理论值与实测值进行比较，算出误差。（2）调试计数器驱动单元A 按图12连线，检查无误后接通电源B 通过手动脉冲检测计数器是否能够计数17并在计数到7后停止。C 接入加热控制单元电路，通过高低电平的变化实现反应中温度变化，计数反应次数。（3）调试报警驱动单元A按图11连线，检查无误后接通电源B通过手动脉冲检测声光报警部分是否能够正常工作C接入加热控制单元电路，通过高低电平的变化实现反应中温度变化，实现高低温报警功能。（4）调试加热控制单元A 由于实验室元器件的不足，在加热控制单元通过二级管的亮暗表示加热与停止。通过74LS151实现对温度的选择，只有温度在60150摄氏度之间灯才会亮，代表加热。B 用高低电平表示接受到的电压信号。3调试过程（1）调试模拟单元 将LM324安装在实验板上，选择适当的电阻，连接线路（考虑实测过程中滤波电路的调试复杂，所以在实测电路中不接入滤波电路），检查无问题后接通电源。实物连线如图所示 用万用表分别测输入电压信号的大小，与通过三运放放大电路后电压的大小，算出放大倍数。改变电压信号，重复得出放大倍数（2）调试计数器驱动单元将74LS160插入IC板，对应各管脚功能连线，接入数码显示管。手动脉冲输入，实现计数功能；通过与门和与非门实现计数停止功能。将12、13、14管脚接入与非门，输出与输入脉冲通过与门接入计数器的CLK端。接通电源，完成真值表。4调试中发现的问题及解决措施（1）扬声器不发声； 电源VCC连接不好，连接正常后问题解决。（2）将加热控制单元与反应次数计数部分连接后，通过高低电平变化实现温度变化，但是计数显示不稳定，出现紊乱。 因为高低电平手动过程中不稳定，改为固定脉冲后问题解决。六指标测试1单元电路功能测试（1）加热控制及报警电路逻辑真值表ABCDY1Y2ABCDY1Y200001110001000011001001010100011101101001100100101110101101110100111111101注：A B C D分别代表55摄氏度、60摄氏度、150摄氏度、155摄氏度，T用1表示。（2）计数器计数真值表Clk顺序二进制十进制clk顺序二进制十进制10011510172010261106301137111741004800172整体电路功能测试图15为设计后总的电路图,图中分别有温度的控制和报警部分和反应次数显示部分。设计内容的实现，是通过传感器将温度转为电压信号，经过放大器放大后输出，输出信号接两个LM324单限比较器，一个LM324单限比较器的输出端通过与控制电路的分别发光二极管相连，经过或门与报警电路的输入端连接，便可实现对温度控制和报警,由此设计任务完成。图15结 论一在此次课程设计中完成了下述工作：1进行了设计任务的需求分析，完成了总体结构图的设计，进行了技术性比较并确定了最终方案。2确定方案，画出设计原理方框图3各功能单元电路仿真，调试实测4.总体电路连接，仿真后调试，在实际实验中测量记录数据二课程设计中下述工作没能完成：1报警功能计数显示三本设计可以在下述方面进行功能扩展，但是因为时间关系未能完成设计：15v/2A直流电源的电路设计收获与体会此次课程设计，我设计的是温度控制电路，这个课题涉及到模电与数电的相关知识。这个设计任务经过查阅大量资料，分析题目以及老师的帮助与指导，最终确立一套可行的方案，并通过Mulisim仿真，总结课程设计说明书，完成本次设计，从中我受益匪浅。具体如下: 1.通过本次课程设计，我最大的障碍在控制电路的设计上，通过查阅大量图书，并在老师的启发下才有了初步进展，本次课设让我经历了一次发现问题，解决问题的具体过程，这是我今后学习研究的良好开始，为以后的设计做好铺垫，打好基础。 2.我深刻得理解了理论与实践的差异，实践远比理论要难得多，只有经过大量的试验才能得要预期的结果。 3.单单利用课堂上学到的知识来完成课程设计是远远不够的，因为设计是一个系统化的，多元化的，所以我们必须查找大量资料来完成设计。当然，在查阅资料过程中，我们必须得用心学习，提取精华，掌握原理，并结合设计要求来确定可行方案进而完成设计。 总之，本次课程设计，我体会到，遇到困难不可怕，总能找到突破口，最终解决问题；不管什么时候自己的知识总是有局限性的，我要一直抱有不断求知的态度去学习，戒骄戒躁，必将有所收获！参考文献1 阎石数字电子技术基础（第五版）M北京：高等教育出版社20062 中国集成电路大全编委会中国集成电路大全TTL集成电路M北京：国防工业出版社1985：567-6003 房建东 荀延龙 王艳荣等电子技术M呼和浩特：内蒙古大学出版社20044任维政、苏福根、王丹志编著，电子电路实践，北京.科学出版社，2008年出版 5何道清、张禾编著传感器与传感器技术，.第二版.北京：科学出版社，2008出版6 林涛主编、楚岩、田莉娟、林薇编著，数字电子技术基础，北京.清华大学出版社，2006年出版 7 林涛主编、黄知超、李娇军、王德嘉著，模拟电子技术基础，重庆大学出版社，2003年出版20设计所需仪器设备及元器件清单序 号名 称型号及使用参数数 量备 注可调直流稳压电源DICE-DG1台数字万用表DT-830B3块实验板2块计数器74LS1601片TTL二输入与非门74LS082个555定时器NE5551片电阻10k/0.125W若干电阻100k/0.125W若干电阻150k/0.125W若干电阻1k/0.125W若干电阻150/0.125W若干电解电容10F/25-60V若干电解电容47F/25-60V若干电容001F/25-60V若干扬声器8/0.5W1个发光管（高亮LED）5mm