恒温水箱的设计

1、 武汉职业技术学院毕业设计(论文)(2014届) 论文题目 水箱温控系统设计 所在学院 电子信息工程学院 所读专业 电子信息工程技术 专业班级 电信11305 学生姓名 学号 指导教师 完成日期 2013 年 12 月 9 日开题报告前几个星期我们去武汉超宇测控技术有限公司实习，武汉超宇测控是一家专门生产有关智能传感器和变送器的公司，如压力变送器、液位变送器、温度变送器、压力传感器等等好多产品，虽然说我们是学电子专业的，怎么将模拟量转化数字量大家都明白，但看到那么多真实的产品还是特别激动，我们就想自己做一个产品那多好啊。在那实习的几周中我们发觉其实这些产品也没有我们想的那么神秘，这些产品也都源

2、于我们课本上的知识，不过外加了性价比、外观要求、安全性等等，在那么多传感器产品中我们调查发现温度传感器做的产品销量最高，我们便产生了做一个与温度传感器相关的产品，当我们向老师提出想做一个产品得到了老师大力支持，并为我们拟定题目为水箱温控系统设计，我们开始查找资料发现温度控制在现阶段已有很多地方用到如：热水器、锅炉等。人们生活中所必须的设备都需要温度控制来解决，温度控制系统设计起来简单，用起来方便，其中我们可以直接采用硬件来实现水箱温度控制。目 录 1引言.42产品性能要求.43设计思路.54元件选择.54.1传感器部分.54.2控制电路部分.64.3电路加热部分.65电路图及原理描述.75.1

3、传感器部分.75.2控制电路部分.75.3电路加热部分.86电路分析6.1传感器部分.86.2控制电路部分.96.3电路加热部分.107调试过程及结果.108总结.119致谢.11 1引言温度是工业生产与日常生活中一个重要的物理量，在农业现代科学研究和高新技术开发中也是一个非常普遍和常用的物理测量参数。例如钢铁生产过程中，按照工艺条件的规定保持一定的温度才能保证产品质量和设备的安全。近年来，温度控制的发展尤为迅速。国内外市场上已出现了多种多样的温度控制仪表，应用于各个方面。例如，呢挂钩进行程序空文的智能多段温度控制仪表，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式温度调节器等。温度控制应用广泛

4、，无论是重工业中各种机器的制造，还是轻工业中的生产，或者日常生活中的衣食住行，都与温度关系重大，温度控制也就或直接或间接的应用于工业生产或者日常生活中。本文采用继电器、运放和传感器组成一个由硬件构成的恒温水箱。  2产品性能要求2.1温控水箱水温恒定为80左右，精度误差在2以内2.2以分立元件实现基本控制2.3设计要求结构简单、性价比高2.4选用pt-100为温度传感器来进行后续开发 3设计思路控制电路部分电路加热部分传感器部分低于78度不加热加热 高于82度水箱温度本次设计采用固态继电器来控制温度的恒定在80左右，首先使用连有继电器的热得快加热水箱内的水，通过温度传感器来检测水箱内

5、水温的变化，再将温度传感器采集的信号交由控制电路部分处理，处理后再发出信号来控制继电器工作状态进而控制热得快是否加热来起到控温的作用。 4元件选择4.1传感器部分温度传感器的选择有很多种，常用的有热电偶、热敏电阻和热电阻。热电偶一般测量介质的温度都在200度以上，因为在低温时热电偶的热电势很小，加上热电偶易受电磁干扰，因此在低温下不适合应用。热敏电阻灵敏度高但阻值与温度非线性严重因此不适用。热电阻一般应用于温度不超过300度的被测介质，精度高、抗干扰能力强，阻值与温度呈线性变化便于处理，显然三种中热电阻最合适。在热电阻中常用的是pt-100和cu50，本产品采用pt-100作为温度传感器来感应

6、水温的变化。如果用Cu50的话，因为铜的电阻率较低，Cu50的体积较大，热响应较慢，当水温达到80以后cu采集的信号无法及时传给控制部分，这会导致电路继续加热可能会超过产品要求的2误差范围。由于选用pt-100是电阻型温度传感器（电阻随温度的升高而逐渐增大），需要将电阻的变化转化为电压的变化才能更好的处理，所以采用电流源为pt-100供电使电阻的变化转化为电压的变化。4.2控制电路部分根据设计产品要求，控制电路部分只需要处理传感器部分产生信号的有无而不需要区分信号的强弱，因此可以选用普通的单片机和运算放大器来处理信号，普通的单片机虽然功能比运算放大器强大但体积、成本比运算放大器大得多，所以选择

7、运算放大器来处理传感器部分产生的信号。4.3电路加热部分 继电器一般选择有电磁继电器和固态继电器，但固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。因此选用固态继电器。5电路图及原理描述5.1传感器部分因pt-100是电阻型传感器（电阻随温度的升高而增大），然而控制电路部分只能处理电压信号所以需要将pt-100传感器电阻变化转化为电压的变化，显然往pt-100传感器通入电流且要通入恒定的电流，因此选用恒流源来

8、给pt-100传感器来提供稳定的电流。5.2控制电路部分采用两级运放将电压放大到3伏以上，第一级使用差分比例运算电路（温度达到62时pt-100开始超过123.90欧，80时电阻为130.90欧）作用是将123.90欧产生的电压减掉，只将7欧产生的电压放大，第二级是同向比例运算电路作用是将第一级放大后的信号继续放大，好让加热部分能识别。5.3电路加热部分本产品采用常闭继电器来控制加热电路的通断，用热得快来加热水箱的水。当温度低于80时控制部分会输出3伏以下的电压无法使常闭继电器断开，热得快继续加热。当温度到80时，控制部分会输出3伏以上的电压来使常闭继电器断开热得快停止加热。 6电路分析6.1

9、传感器部分恒流源采用两个参数相同的 9013三极管，使用5伏直流供电，加5k电阻限流，则构成了最简单的恒流源。左图：T2管c-e串联在T3管的发射极，其作用与典型工作点稳定电路中的Re相同。因为c-e间等效电阻非常大，所以可以使Ic3高度稳定。由于三管的特性完全相同，因而1=2=3=，Ic2=Ic1=Ic（因T1与T2基极电流相同且都在放大状态）由图中可知T3管射极的电流方程为 Ie3=Ic+2Ib=Ic+2Ic /所以Ic=Ie3 /（+2）=（1+）Ic3/（2+）= （+1）Ic3 /（+2）R1的电流方程为IR1=Ib3+Ic=Ic3/+（+1）Ic3 /（+2）整理得Ic3=（1-2

10、/（+2+2）IR1当=10时，Ic3=0.984IR1，可见当大于10时就可近似Ic3=IR1。由图可知IR1=Ic3=（Vcc-2Ube）/R1=（5-1.4）/5k=0.7mA输到控制部分电压为Upt=IR1Rpt=0.7130.9=94 mV6.2控制电路部分 第一级为差分放大电路，电位器调整的电压为U1=89mV，设第一级输出端的电压为U0，由虚短可知同相输入端和输出端电压相等假设Upt=0时，那么U1/R5=U0/R6假设U1=0时，那么Upt/R2=U0/R6显然U0=（Upt-U1）R6/R5=（94-89）33=165mV同理可得第二级电路的输出电压为U2U2=U0（1+R9

11、/R8）=165（1+10k/470）=3630mV6.3电路加热部分 本产品采用固态继电器（SSA-25DA）控制 热得快加热。控制电路输出的电压为3630mV，能使T3管导通，那么固态继电器接零线，电路断开停止加热。7调试过程及结果7.1加热时水温一直升到100度继电器都没断开，检查时发现80度时运放输出的电压在3v以上，但无法带动继电器，后来才发现运放处理后的信号电流太小无法带动继电器，所以在后面又加了三极管开关电路来带动继电器。72加热到62时传感器部分的电压值与设定值（理论值）的存在差值，所以不断调节第一级反向端电位器的阻值使其电压和同相端电压保持一致。7.3当温度升到80时热得快停

12、止加热，但热得快的余温使水温还是超过了82，因此开始试验调小第一级反向端电位器的阻值来使停止加热后温度不超过82。7.4温度传感器经常坏掉，开始以为是质量问题换了一个后仍是这样，就开始查阅资料发现pt-100传感器通入的电流一般为1ma，而我通入的是5ma。最后修改完后经测定，当温度达到79时继电器断开，水温会继续上升达到81再下降，回落到79时继电器会接通又加热，温度始终会在78-82，符合要求。8总结8.1没有考虑运放只能放大电压却不能放大功率8.2当热得快停止加热后，热得快的温度仍比水的温度高会使水的温度产生缓慢的上升8.3只注意了传感器的使用环境却没注重传感器各项参数 9致谢 大学生活

13、随着论文写完实际上就快要结束了，而对于我的人生来说却只是一个小小的逗号，我将会面对又一次征程的开始。为此，在大学生活即将结束之际，我要真诚地感谢在过去的两年里给予我无私帮助和关心的老师和同学们。 本课题在选题中得到老师的悉心指导。特别感谢为我提供帮助的武汉超宇测控技术有限公司的韦工，韦工教我们如何学会工业设计、如何做好工业产品，使我们了解了理论知识和实际产品之间的差距，在这一个星期里程老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。程老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神使我受益匪浅，我也真诚地感谢大学所有老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。感谢我的室友们，从五湖