水温控制系统

水温控制系统摘要该设计要完成的是水温控制系统的设计，实现满足题目要求的水温实时控制系统的测量。主要运用了模拟电子技术基础中的比例放大器、电压比较器、二极管等知识。外界温度通过温度传感器LM35转换为模拟信号，经过放大器放大十倍后用比较器与基准电压比较，从而控制加热电路的通断，实现对水温的控制。该设计实现了温度的测量和水温的控制，使得当水温高于设定的温度时停止加热，低于给定温度时开始加热，做到了实时控制，具有良好的应用性。关键词：比例放大器；温度传感器；电压比较器；继电器目录TOC\o"1-5"\h\z1 前言 12统设计原理 1\o"CurrentDocument"2.1水温控制的基本思路 1\o"CurrentDocument"2.2水温控制原理 2\o"CurrentDocument"3 设计方案与认证 2\o"CurrentDocument"3.1总体设计方案 2\o"CurrentDocument"3.2各部分电路方案认证 2\o"CurrentDocument"3.2.1温度传感器 2\o"CurrentDocument"比例放大器 4\o"CurrentDocument"电压比较器 6\o"CurrentDocument"3.2.4继电器 7\o"CurrentDocument"3.2.5加热部分 9\o"CurrentDocument"4电路的仿真与调试 10\o"CurrentDocument"4.1电路的仿真 10\o"CurrentDocument"4.2电路的调试 10\o"CurrentDocument"5电路的特点及改进 10\o"CurrentDocument"6课程设计总结及心得体会 11参考文献 1 2\o"CurrentDocument"附录I元件清单 1 3附录II整体电路图 1 4第一章前言在日常生活中通过水温控制来给人们带来舒适的，方便的生活同，例如刚在外工作回家的男人一定会很疲倦了，如果能够洗个热水澡，那真是非常好的事情了，这样能够让一天的疲惫随着温热的流水带走了，家庭言主妇为家人煮一个热喷喷的汤水，煮好以后就这样放着也会变凉的，如何保持温的恒定呢？这就需要水温控制系统了。水温控制在工业及日常生活中应用广泛，分类较多，不同水温控制系统的控制方法也不尽相同，本设计是基于模拟电子技术基础上的电路，通过温度传感器将温度信号转化为电信号来控制温度。第二章统设计原理图2-1水温控制系统原理框图2.1水温控制的基本思路要实现水温的自动控制，首先，要准确的检测到水的温度；其次，要把检测到的温度信号转换为模拟信号；再次，将采集到的模拟信号经过放大器放大十倍后用比较器与基准电压比较，从而控制加热电路的通断。

2.2水温控制原理本设计要将水温转化成电信号才能控制。所以采用温度传感器LM35来转化温度,经适当放大后与设定的电压比较，设定的电压就代表特定的温度值。当实际温度高于设定温度时,控制电路停止加热；当实际温度低于设定温度时,使电路接通加热。这样就能自动控制温度在某个值或小范围波动。第三章设计方案与认证3.1总体设计方案根据绪论中的原理方框图,该设计问题可分为温度传感器模块,放大器模块,比较器模块,继电器模块,加热模块。3.2各部分电路方案认证3.2.1温度传感器本设计选用LM35温度传感器连转化温度。LM35的输出电压与摄氏温度呈线性关系,转换公式为：在0°C时输出为0V,每升高1°C输出电压增加10mV,LM35的外观如图3.1所示，逻辑图如图3.2所示：V=V=10mV/outoC图3.1

+Vs(4VTO20V)+Vs(4VTO20V)LM35—OUIFUTLM35—0nW+IO.OmV/^C图3.2LM35温度传感器的特性参数及优点：直接用摄氏温度校准；因晶体片微调而低费用；适用于遥控设备；只有1/4T非线性值；保证0.5°C精度(在+25°C时)；；小于60pA漏泄电流；较低自热，在静止空气中0.08°C；低阻抗输出，1mA负载时0.1Q工作在4〜30V；-55〜+150°C额定范围；线性+10.0mV/°C比例因数极限参数：电源电压一+35V〜-0.2V输出电压一+6V〜-1.0V输出电流一10mALM35输出电压与摄氏温度线性成比例，因而LM35有优于用开尔文标准的线性温度传感器，LM35无需外部校准或微调来提供1/4°C的常用的室温精度，在-55〜+150°C温度范围内为3/4C，LM35的额定工作温度范围为-55〜+150C。由于LM35采用内部补偿，所以输出可以从0°C开始。比例放大器图3.3图3.4LM158包含了两个独立的高增益，频率补偿运算放大器，这样的设计使LM158得以在宽范围电压、单电源供电的状况下工作。当两个电源电压之间的差额控制在3V到30V之间；VCC子最低1.5V，比输入共模电压更积极，LM158在分离电源下工作也具有可行性。LM158的低电源电流消耗与供电电压的大小无关。LM158的外观图如图3.3所示。LM158包括传感器放大器，直流放大块，和所有的传统运算放大器，丰富的内部资源使LM158更容易实现在单电源电压系统运转。例如，这些器件可以直接在数字系统标准的5V电源电压下操作，而无需在电子接口处额外使用5V的电源电压。LM158的逻辑图如3.4。LM158引脚兼容LM258A、LM2904。LM158的工作温度范围在-25°C至85°C之间；LM258A工作温度在-55C至125C之间；LM2904工作温度在-40C至125°C之间。LM158的具体参数如下：宽电源电压范围：一单电源供电……3V至30V—双电源低电源电流：0.7毫安低输入偏置和失调参数：—输入失调电压……3mV—输入失调电流……2nA—输入偏置电流……20nA差分输入电压范围等于最大额定电压：32V开环差分电压：100伏/mV内部频率补偿图3.5此设计用正相比例放大器，使输出时为正电压，考虑到控制的温度是室温到80<€，所以取放大器的放大倍数为10倍比较合适。正相比例放大器的原理图如图3.5所示：由运放的—虚短”—虚断”的性质有：v=vPNi=0ivv一v

/.L=o iRR12（1Rv=（1+厶）

o R1这里取Ri=10KO，贝【JR2=90KO，因为电源电压为10V,保持10倍放大，则设定的电压值与温度的转换关系就为10倍，比较容易控制和调节。电压比较器这里采用简单的单门限电压比较器，使用的运算放大器为LM158中的一个。电路图如图3.6：图3.6图3.6中5接放大器的输出电压作为比较器的输入电压，接+10V,7接输出电压，。此时放大器工作在非线性状态，输出电压只有正或负两种饱和值。这种情况下运算放大器的输入端虚短不再适用。当vp>时，卩。=10V，当vp<Vn时，％=—10V。这种情况下,运算放大器的虚短仍然可用,则有：U+=R4/(R3+R4)10V由于本设计要求基准温度为可任意设定的，如表3.1：温度/°c20304050607080R4/(R3+R4)1/43/72/31/13/27/34/1表3.1所以选R3=100?，R4为滑动变阻器，范围为0~400。由运放的非线性特性：U+>U-时，U0二UOHU+<U-时，U0二UOLU+=U-时，UOL<UO<UOH可有：U+>U-时，U0二U+；U+<U-时，U0二-U+。继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器按作用原理分为电磁继电器、固态继电器、时间继电器、温度继电器、风速继电器、加速度继电器等，考虑到本设计原理及可操作性，选用额定电压为10V的常开型电磁继电器。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”。在本设计中，无电流通过继电器时，继电器开关不吸合，不进行水温加热；当有一定的电流通过时，继电器产生磁性是高压端开关闭合，加热电路构成回路，开始加热水。其内部构造及工作原理如图3.7：图3.7当低压电源端开关接通后电磁铁由于电流产生磁性，吸住磁铁使高压电源的开关接通，实现了低压控制高压。下面要解决的问题就是怎样在电路中实现低压电源端的开关自动打开和闭合。考虑到比较器的输出电压为正或负的10V,就可想到二极管的单向导电性。因此可以用二极管来代替自动开关的作用。使用发光二极管能够看到电路的通断。继电器模块的电路图如图3.8：图3.8图中Port端接比较器模块的输出电压作为此电路的输入电压，当输入电压为+10V时，发光二极管导通，当输入电压为一10V时，发光二极管截止。接入三极管的目的是放大电流信号，使继电器能正常工作。由于发光二极管的导通电流与三极管的基极电流不匹配（发光二极管的导通电流大一些），故需要在发光二极管的负极接一个电阻，与基极电阻并联，这样流入基极的电流就变小，使三极管能正常工作。加热部分按其化学元素的含量和组织结构的不同，可分为二大类：一类是铁铬铝合金系列，另一类为镍铬合金系列，它们作为电热材料分别具有各自的较多的优点，而得到广泛的使用。铁铬铝合金系列主要优缺点：优点：铁铬铝电热合金其使用温度高，最高使用温度可达1400度，使用寿命长、表面负荷高、抗氧化性能好、电阻率高，价格便宜等。缺点：主要是高温强度低，随着使用温度升高其塑性增大，元件易变形，不易弯曲和修复。镍铬电热合金系列主要优缺点：优点：高温强度较铁铬铝高，高温使用下不易变形，其结构不易改变，塑性较好，易修复，其辐射率高，无磁性,耐腐蚀性强，使用寿命长等。缺点：由于采用较稀缺的镍金属材料制成，故该系列产品价格高出铁铬铝最多达几倍，使用温度较铁铬铝低。考虑到以上因素，故加热电路选用额定功率为2.5kw的铁铬铝合金电热丝，一端接有220V，10A的市电。为了保护电路，给电热丝一端串入保险丝。电路图如图3.9：图3.9第四章电路的仿真与调试4.1电路的仿真本设计用proteus进行仿真，在绘制电路图的过程中，要注意温度传感器、发光二极管以及运算放大器管脚的接法。在仿真过程中，当把温度传感器的温度调的过高、滑动变阻器的阻值调的过大时，会出现错误，不能进行仿真，这点要特别注意。一般情况下，温度传感器LM35的温度调成60°C左右，滑动变阻器的可动触头置于中间。4.2电路的调试仿真图画好后，分别在温度传感器LM35输出端、放大器的输出端接上直流电压表,设为VI、V2。调节滑动变阻器，使设定的温度为40Co当室温为35C时，可观察到V1=0.4V,V2=2.02v,这时发光二极管亮，表明此时继电器开关闭合，加热电路工作；升高温度传感器的温度，很快就可以观察到发光二极管熄灭，表明继电器开关断开，停止对水的加热。第五章电路的特点及改进这个设计结构简单，设计中用到了LM35和LM158集成块，主要运用了模拟电子技术基础中的放大器和比较器的知识，耗材小，省电，安全。基本都能达到预想的目标。由于测量是在仿真情况下进行的，故不会存在外界因素的干扰而使测量结果有所偏差。本设计中所存在的误差主要来自两个方面：一是仿真软件本身存在的不精确问题；二是设计者自己对滑动变阻器阻值选取的不够恰当。设计总结本设计符合任务要求，实现了对水温的实时控制——当水温低于设定温度时加热电路会自动进行加热；当水温高于设定温度时，便会停止加热。本设计主要运用了模拟电子技术的相关知识，比如同向比例放大器、反向电压比较器、发光二极管，同时也应用了传感器的知识，在实现温度信号与电压信号的转换时，用到了温度传感器LM35,很好的做到了这两类信号的线性转换。这个电路也存在改进的地方。本设计没有结合单片机的自动调节，还有在设定温度时需要用万用表测量电压，如果有数码管的话就可以直接显示所调电压（即温度）的值，那样的话会更方便。第六章课程设计总结及心得体会在本次设计过程中，把我们刚学完模电的相关知识就运用到电路中，刚开始觉得很难，相关的知识掌握得不到位，但随着设计的深入，发现所学的知识在我设计的电路中得到了很好的运用，尽管遇到了许多突发事件和各种困难，设计制作曾一度中断，在这个过程中我感触很深，它不仅是一个对我学习知识情况和自我应用动手能力的检查，