熱帶魚缸溫度控制器設(shè)計

1、1. 前言 12. 總體方案設(shè)計 22.1方案比較 22.2方案論證 32.3方案選擇 33. 單元電路設(shè)計 43.1溫度傳感器電路 43.2 555時基集成電路 53.3基于NE555設(shè)計閃光電路 63.4觸發(fā)器和加熱電路 73.5 AD/DC電源變換電路 84. 系統(tǒng)功能及調(diào)試 94.1系統(tǒng)工作原理 94.1.1 電路元件選擇 94.1.2 電路工作原理 104.2調(diào)試及參數(shù)計算 104.2.1 相關(guān)參數(shù)計算 104.2.2 系統(tǒng)調(diào)試 115. 結(jié)論 126. 總結(jié)與體會 137. 致謝 148. 參考文獻(xiàn) 159. 附錄：熱帶魚缸溫度控制器原理圖 16/、八1.刖言現(xiàn)代都市生活使更多人需

2、要得到精神的安慰，飼養(yǎng)寵物已經(jīng)成為一股經(jīng)久不息的潮 流。然而現(xiàn)在由于禽流感和狂犬病的泛濫，關(guān)于動物之類的新型病也傳的沸沸揚揚，層 出不窮，這樣使得人們常常飼養(yǎng)的鳥類和貓狗的生存與人類的安全沖突不斷。在這樣的 新的形勢下，飼養(yǎng)幾條熱帶魚有可能將成為最新的趨勢?，F(xiàn)在市場上的熱帶魚價格也挺高的，感覺比較嬌貴，因此人們在飼養(yǎng)的過程中往往 十分細(xì)致，特別是魚兒的生存環(huán)境是人們最值得關(guān)注的一部分，因而魚缸的選擇至關(guān)重 要。隨著現(xiàn)代科技術(shù)日新月異的發(fā)展，特別是自動控制系統(tǒng)的發(fā)展，給人們帶來了很多 新的想法，自動控制的智能魚缸便應(yīng)運而生了，而且市場前景非常令人期待。魚缸是養(yǎng) 魚的必備用具，有了科技的發(fā)展，具有

3、各種附加功能的新型魚缸也在市場上層出不窮。 有的魚缸可以對缸內(nèi)的水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，有的魚缸可以通過噴氧來改善水質(zhì)，還有裝備定 時喂食裝置的魚缸等等，并且逐漸邁向了智能化，自動化，使得這些魚缸都具有一定的 科技含量，為喂養(yǎng)熱帶魚提供了方便。雖然已經(jīng)有很多成型的具有自動控制功能的魚缸上市，但也有些產(chǎn)品過于追求完 善，增加科技含量，使得造價過高，不便于普及，又有一些系統(tǒng)設(shè)計不夠考慮周到，導(dǎo) 致熱帶魚“不幸”身亡，因此，要設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，實用性和安全性都較 好的魚缸控制系統(tǒng)比較有難度。在此針對熱帶魚的飼養(yǎng)對魚缸水溫的控制極為重要，設(shè) 計了一個簡單的控制系統(tǒng)，主要利用溫度傳感器來進(jìn)行感溫，將水溫

4、的物理信號通過傳 感器轉(zhuǎn)換為電信號，并接入一個測試電路兼控制電路，在特定條件下，通過加熱來控制 魚缸內(nèi)的水溫，使魚兒有一個穩(wěn)定的生活環(huán)境。由于設(shè)計的選材基于廉價，實用的原則, 非常適用于實際的熱帶魚缸的設(shè)計。在此設(shè)計中，選用了一個控制溫度可調(diào)傳感器，使 得該系統(tǒng)的使用非常靈活，不僅可用于魚缸水溫的調(diào)節(jié)，其他一些類似的水溫調(diào)節(jié)也十 分實用，可謂使用廣泛，應(yīng)該說是一個性價比較高的自動溫度控制器。第偵2總體方案設(shè)計2.1方案比較設(shè)計一個熱帶魚缸溫度控制器有很多種方案，現(xiàn)列出兩種方案如下:系統(tǒng)組成如圖2.1所示，由4個部分組成：傳感器模塊、自動控制模塊、加熱模塊和 顯示模塊。在自動控制模塊中用軟件編寫

5、控制的方式，設(shè)定溫度控制域值，如果水溫低 于20度，則自動啟動加熱模塊以保持水溫，而當(dāng)水溫高于 24度則停止加熱，同時輸出溫 度值到顯示模塊以實現(xiàn)水溫動態(tài)顯示。圖2.1方案一系統(tǒng)組成框圖利用555時基集成電路來實現(xiàn)，該系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2.2所示，主要由4部分組成：傳感器電路部分、AD/DC電源變換、555時基集成電路和加熱電路。通過傳感 器設(shè)定水溫的控制范圍為20至24度，當(dāng)溫度在此之間時電路都會周而復(fù)始的工作，從 而達(dá)到可靠控制魚缸中水溫的目的。圖2.2方案二工作原理框圖這里只對這兩個方案進(jìn)行比較，還有許多種方案設(shè)計沒有一一例舉，對于這兩個方 案，結(jié)構(gòu)和模塊來看都不是很復(fù)雜，兩者都有可

6、行性，方案一更多的是用軟件來控制溫 度達(dá)到自動控制，所以軟件部分要求較高，方案二更多的在于電路的設(shè)計，合理的設(shè)計 好各部分電路是設(shè)計成功的關(guān)鍵。2.2方案論證就第一種方案來看，結(jié)構(gòu)很簡單，可行性也還是非常高，并同時有加熱模塊和顯示 模塊，同時實現(xiàn)了可視化和自動化，功能強大，設(shè)計起來有一定的難度。其中的難點可 能是由于需要使用單片來實現(xiàn)軟件編程控制，而且傳感器在與單片機通信時還必須實現(xiàn) 模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這對于設(shè)計人員的編程能力和單片機知識要求較高，調(diào)試起 來我認(rèn)為會有些困難。第二個方案大部分電路都涉及到模擬電路知識， 模塊也不是很多，結(jié)構(gòu)也相對簡單, 各部分功能作用明顯，難點可能在于傳感

7、器的選擇和各電路之間的合理連接，但只要弄 清楚各單元的電路作用，選好相關(guān)硬件，就可以設(shè)計出一個簡單輕便，經(jīng)濟實惠，易于 使用的魚缸水溫調(diào)節(jié)器。只要參數(shù)能夠處理好，控制精度也應(yīng)該十分的好，對于單純的 控制魚缸水溫，設(shè)計這樣一個系統(tǒng)可以很好的滿足要求。2.3方案選擇經(jīng)過方案的比較和論證，以及自己對各部分知識的掌握情況和應(yīng)用能力，覺得方案 二實行起來較為簡單，調(diào)試起來更為容易，于是在設(shè)計中選擇了方案二進(jìn)行，下面就對 各部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計說明。3. 單元電路設(shè)計3.1溫度傳感器電路選擇合適的溫度傳感器是設(shè)計過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，考慮到盡量簡單易行，搜集各種溫度傳感器資料后，最終選擇了電接點可調(diào)試水銀溫度

8、計作為傳感器件，其結(jié)構(gòu)簡圖如 圖3.1所示。電接點可調(diào)試水銀溫度計是利用水銀在透明的玻璃感溫泡和毛細(xì)管內(nèi)的熱膨脹作 用來測量溫度的，其測量范圍也十分大，最大可測到 -30 C +300C之間的溫度。在溫 度計內(nèi)設(shè)有兩個接點1和2，一個在水銀柱一端，另一個則設(shè)在標(biāo)尺的任意一個設(shè)定位 置，因此可以根據(jù)自己需要來調(diào)節(jié)需要測定的溫度區(qū)間。當(dāng)溫度升高使水銀柱上升到設(shè) 定的接點位置時，兩個接點導(dǎo)通，從而接通外接電路，通過控制器對電器設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié) 與控制。此溫度計的這個功能恰好能應(yīng)用到設(shè)計當(dāng)中。電接點水銀溫度控制器是由玻璃 水銀溫度計加裝電觸針?biāo)纬呻娊狱c開關(guān)而構(gòu)成的，其工作原理是利用溫度計中的 水銀柱隨溫

9、度變化而膨脹或收縮時接觸或斷開電觸針，從而接通或斷開外接電路，達(dá)到控制的目的。這種溫度計最突出的特點是具有可調(diào)節(jié)功能，特別是用于該設(shè)計，所要測定的溫度 不是一個固定的值，而是一個穩(wěn)定的變化范圍，這種可調(diào)的溫度計正好解決了這個問題， 可以將溫度計測定的范圍設(shè)置為自己想要控制的某個區(qū)間內(nèi)，十分方便。3.2 555時基集成電路555時基集成電路是數(shù)字集成電路，是由21個晶體三極管、4個晶體二極管和16個電阻組成的定時器，有分壓器、比較器、觸發(fā)器和放電器等功能的電路。它具有成本 低、易使用、適應(yīng)面廣、驅(qū)動電流大和一定的負(fù)載能力的特點。在電子制作中只需經(jīng)過 簡單調(diào)試，就可以做成多種實用的各種小電路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)

10、優(yōu)于三極管電路。是該設(shè)計的一個 首選電路。555時基電路國內(nèi)外的型號很多，如國外產(chǎn)品有：NE555LM555A555和CA555 等；國內(nèi)型號有5GI555、SL555和FX555等。圖3.2為NE555的引腳圖，圖3.2則顯示 了 NE555時基集成電路的內(nèi)部電路圖。圖3.2 NE555時基集成電路引腳圖圖3.3 NE555時基集成電路內(nèi)部框圖盡管555時基電路型號很多，但它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳序號都相同，因此，可以直 接互相代換。在這里我選擇了最常用的 NE555作為設(shè)計電路之用。555時基集成電路各管腳的作用：腳是公共地端為負(fù)極；腳為低觸發(fā)端TR低于1/3電源電壓以下時即導(dǎo)通；腳是輸出端

11、V,電流可達(dá)2000mA腳是強制復(fù)位端 MR不用可與電源正極相連或懸空；腳是用來調(diào)節(jié)比較器的基準(zhǔn)電壓，簡稱控制端VC,不用時可懸空，或通過0.01 yF電容器接地；腳為高觸發(fā)端TH也稱閾值端，高于2/3 電源電壓發(fā)上時即截止；腳是放電端DIS;腳是電源正極VC555時基集成電路的主要參數(shù)為(以 NE555為例)：(1) 電源電壓4.516V。(2) 輸出驅(qū)動電流為200毫安。(3) 作定時器使用時，定時精度為1%。作振蕩使用時，輸出的脈沖的最高頻率可達(dá) 500千赫。(4) 使用時，驅(qū)動電流若大于上述電流時，在腳輸出端加裝擴展電流的電路，如加一 三極管放大。3.3基于NE55設(shè)計閃光電路在魚缸溫

12、度控制器的設(shè)計過程中，為了能夠直觀了解加熱情況和缸內(nèi)溫度情況，利用555時基電路的功能，設(shè)計兩個紅綠指示燈是十分必要的，因此特意設(shè)計閃光電路來解決這個問題。圖3.4便是閃光電路的功能電路接線圖。T圖3.4基于NE55啲閃光電路接線圖如圖，555時基集成電路由輸入端F3、RP和G組成一個振蕩電路，腳輸出的電平不斷高低翻轉(zhuǎn)，當(dāng)腳輸出低電位時，VD導(dǎo)通發(fā)光，VD滅；當(dāng)腳輸出低電位時，VD滅，VD導(dǎo)通發(fā)光。這樣紅綠發(fā)光二極管交替發(fā)光閃爍。電路工作時，可先將可調(diào)電阻動片的接觸點擰到中間位置，然后再將電阻值增大或者減少，這時發(fā)光二極管交替發(fā)光的 時間也隨之增大或者減少，但并不十分明顯。如果用不同容值的電容

13、去替換G,交替發(fā)光時間的長短就十分明顯了。其振蕩頻率(即每秒發(fā)光二極管的閃爍次數(shù))只要改變 RP 的阻值和C的電容量，就能實現(xiàn)。但本設(shè)計中還有其他功能電路，其發(fā)光時間并不是靠 改變RP勺阻值和C的電容量來實現(xiàn)的。3.4觸發(fā)器和加熱電路在該設(shè)計中，加熱電路是控制功能執(zhí)行最重要的一環(huán)，并且加熱與否要與魚缸內(nèi)的 水溫緊密相關(guān)，于是需要設(shè)計一個可靠的驅(qū)動電路來控制加熱電路，這里用觸發(fā)器來觸 發(fā)一個加熱開關(guān)是個很好的方案，經(jīng)過挑選，我選用了觸發(fā)器CC409睞控制，其引腳圖如圖3.5所示。1CEXT 匚1 VDD -1 REXT/CEXT 匚2152CEXT1CLR 匚386尋14 2 REXT/CEXT

14、1A匚413J 2CLRIB匚512J2A1Q匚611 2B1QC7i10 2Qvssc. - - 89 2Q*圖3.5 CC4098引腳圖CC4098由兩個可重觸發(fā)的單態(tài)觸發(fā)器組成,Q和Q輸出有緩沖，輸出 特性對稱，該 器件在工作是應(yīng)在 Cext和Rext/Cext端間外接電容C, Rext/cext和VDD端間外接電 阻R,每個觸發(fā)器具有上升沿觸發(fā)輸入（TR+）和下降沿觸發(fā)輸入（TR-）,不用的TR+應(yīng)接 Vss,不用的TR-應(yīng)接VDD對于非可重觸發(fā)方式，當(dāng)采用 TR+觸發(fā)時,TR-應(yīng)接至Q;當(dāng)采 用TR觸發(fā)時TR+應(yīng)接至QC直接復(fù)位RD為低電平時，終止輸出脈沖,RD不用時應(yīng)接VDD當(dāng) 整

15、個觸發(fā)器不用時,RD應(yīng)接VSS）.外電阻R和外電容C用來確定輸出脈沖寬度傳輸延遲 時間（分別由TR和RD至 Q和Q）與R及C無關(guān).由此，加熱電路由觸發(fā)器和加溫器兩部分構(gòu)成，加溫器與一個開關(guān)串聯(lián)在一起，觸 發(fā)器CC4098從收到的信號來控制開關(guān)的關(guān)斷，從而決定是否加熱，達(dá)到自動控制的目 的。因而加熱器與開關(guān)連接方式如圖所示。3.5 AD/DC電源變換電路圖3.6電源變換電路如圖，電路工作原理為右側(cè)輸入 220V/50HZ的家用電，經(jīng)過C3作用而降壓，VD作 為整流二極管使用起到整流的作用， 再經(jīng)過DW的穩(wěn)壓，C4濾波，則在C4兩端得到直流 電壓Vo,其值大約為12V,剛好用作直流電路供電。這樣就

16、完成了使用家用電來為直流 電路供電的轉(zhuǎn)換。另外，采用家用電供電還方便了加熱器的供電，因為魚缸專用的加溫 器或加熱器都采用市電作為電源。4. 系統(tǒng)功能及調(diào)試4.1系統(tǒng)工作原理經(jīng)過前面各個單元電路的設(shè)計，所設(shè)計的熱帶魚缸溫度控制器的總體也就規(guī)劃出來 了。經(jīng)過分析和選擇，聯(lián)接好各個單元電路，就組成了一個完整的工作系統(tǒng)。其工作的電路原理圖如圖4.1所示4.1.1電路元件選擇對照電路原理圖，對電路各部分元件經(jīng)性選擇如下：1. 傳感器P1選用接點可調(diào)試水銀溫度計。2. IC選用NE555時基集成電路。3. LED1選用2EF105全塑紅色二極管，LED2選用2EF105全塑綠色二極管，VD1選用 IN40

17、01QW選用 2CW60/12穩(wěn)壓管，VD2選用 IN4007。4. RP選用WH5-0.25W-3.3MD直線型碳膜電位器；電阻全部為 0.125-0.25W碳膜電阻。5. 電容選用普通瓷片電容，電解為 CD1係列。6. J1 選用 CC40987. RH選用魚缸專用管棒式加溫器。其中有些元件的具體接入的值需要經(jīng)過參數(shù)計算后才能確定。4.1.2電路工作原理通電后，220V交流電經(jīng)C3降壓、VD2整流、C4濾波、DW穩(wěn)壓，在C4兩端取得12V 直流電壓為調(diào)節(jié)器供電。接點可調(diào)節(jié)式水銀溫度計P1和加熱器RH置于魚缸水中，設(shè)定水溫控制范圍為20-24 C,當(dāng)水溫低于24C時，P1的觸針1和水銀面2處

18、在斷開狀態(tài)。 這時，由IC ( NE555組成的單穩(wěn)態(tài)2腳為高電平“ 1”，IC處在“穩(wěn)態(tài)”，3腳Uo=0V J1不動作，其常觸點J1-1接通，RH由家用電供電對水加熱。這時紅色的 LED1被點亮， 表示調(diào)節(jié)器處在加熱狀態(tài)，水溫隨之升高。當(dāng)水溫升至24C時，P1中1和2接點接通電路，IC的2腳電位立刻為“ 0”，于是IC進(jìn)入“暫態(tài)”，Uo輸出電壓，J1得電而 動作，常閉觸點J1-1被斷開，RH停止對水加熱。之后水溫逐漸下降，此時，P1的1、2 接點斷開，但C1上電壓在未充到2/3E之前，IC維持“暫態(tài)”不變。經(jīng)過時間 T1后， 水溫降至預(yù)控溫度的下限值 20E。如果通過調(diào)節(jié)RP使IC單穩(wěn)態(tài)的“

19、暫態(tài)”時間Td與 T1相等，那么，當(dāng)水溫降至20E時，IC “暫態(tài)”剛好結(jié)束，電路立刻為“穩(wěn)態(tài)”，于 是J1釋放，J1-1又被接通，RH又開始加熱。如此來保持魚缸中水溫在 20-24 C之間。4.2調(diào)試及參數(shù)計算4.2.1相關(guān)參數(shù)計算由于555時基集成電路要求的電源電壓在 4.516V之間，因此將電源變換電路輸 出電壓的值設(shè)為了 12V,在選擇降壓電容的時候，因為通過降壓電容C3向負(fù)載提供的電 流Io，實際上是流過C3的充放電電流lc。C3容量越大，容抗Xc越小，貝U流經(jīng)C3的充、 放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io小于C3的充放電電流時，多余的電流就會流過穩(wěn)壓管， 若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax

20、小于Ic-Io時易造成穩(wěn)壓管燒毀。而且為保證 C3可靠 工作，其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓，泄放電阻R4的選擇必須保證在要求的時間內(nèi)泄放掉C3上的電荷。C3在電路中的容抗Xc為：Xc=1/ (2 n f C ) =1/(2*3.14*50*0.47*10-6)=6.78K流過電容器C3的充電電流(Ic )為：Ic = U / Xc = 220 / 6.78 = 32.5mA通常降壓電容C3的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)為：C=14.5 I，其中C的容量 單位是卩F， Io的單位是A。另外，比較重要的一個參數(shù)是 NE555的暫態(tài)時間，根據(jù)電路連接特性，其參數(shù)確定 的公式為：Td = 1.

21、1（ R1 + Rp）C1電路中接入 R1為510KQ, Rp的范圍為0-3.3M Q, C1為1000卩的電容值，由此代 入關(guān)系式計算得Td8.563.5min?？梢娖淇烧{(diào)的范圍還是非常大的。 則只要時間T1在 這個范圍之內(nèi)，都可以準(zhǔn)確的自動控制魚缸內(nèi)的水溫。4.2.2系統(tǒng)調(diào)試從前面的設(shè)計過程可以看出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，所以調(diào)試起來也比較容易，只要 電路的接法和參數(shù)選擇上沒有問題，很快便會調(diào)試成功。電路連好過后，通電一會兒后，可以看到紅色的發(fā)光二極管被點亮，加熱棒開始工 作，溫度計中水銀面上升，直到上升到接點1,以后紅色的發(fā)光二極管熄滅，綠色的發(fā)光二極管被點亮，說明加熱完成。之后記錄溫度計中

22、水銀面下降到 20C時的時間，方便 調(diào)節(jié)滑動變阻器，使NE555的暫態(tài)時間Td與這個時間相等，以便精確控制水溫變化。 電源部分采用220V交流電輸入，所以調(diào)試過程應(yīng)該注意安全。5. 結(jié)論經(jīng)過兩個星期的努力，最終順利完成了熱帶魚缸溫度控制器的設(shè)計，經(jīng)過調(diào)試和參 數(shù)計算，基本能達(dá)到要求，總的來說，這次設(shè)計比較成功。但由于自己的水平有限，可 能設(shè)計得還不夠完善，還有一些模塊值得改進(jìn)和增強，比如說電源電路的設(shè)計略顯簡單， 而且存在一個問題，就是長期使用電容值減小后，輸出的直流電壓也會變化，將導(dǎo)致電 路不能正常工作。如果條件允許的話，我認(rèn)為電源可改用變壓器T降壓供電，雖然安裝上不太方便，并且這比用電容降壓價格要高一些，可選用5W 12V/220V的經(jīng)濟變