溫度自動(dòng)控制指示電路電子課程設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目： 溫度自動(dòng)控制指示電路 姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 成 績(jī)：_2011年 12月23日目錄1、引言（1）1.1 選題的意義及目前國(guó)內(nèi)外的狀況（1）1.2 電路設(shè)計(jì)的用途及實(shí)際應(yīng)用情況（1）1.3電路設(shè)計(jì)旨在解決的關(guān)鍵問題（2）2、總體方案設(shè)計(jì)（3）2.1 設(shè)計(jì)思路及框架（3）2.2 設(shè)計(jì)方法（3）3、電路的工作原理（4）3.1 電路原理圖（4）3.2 電路元器件及工作原理（4）3.3 電路工作原理（5）3.4 電路參數(shù)計(jì)算（5）4、仿真設(shè)計(jì)結(jié)果（6）5、結(jié)論（7）6、課程設(shè)計(jì)的體會(huì)（8）7、參考文獻(xiàn)（9）1、引言1.1選題的意義及目前國(guó)內(nèi)外的狀況 現(xiàn)代電子技術(shù)日新月異，

2、各種新型的自動(dòng)控制系統(tǒng)也越來越多地運(yùn)用到人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，它不但可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且可以使控制的設(shè)備或執(zhí)行的操作更加精確。在生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展過程中，自動(dòng)控制起著十分重要的作用。目前，自動(dòng)控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和國(guó)防建設(shè)。生產(chǎn)過程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低成本、改善勞動(dòng)條件、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段，是21世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步的特征，是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一?？梢哉f，自動(dòng)化水平是衡量一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)水平先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要標(biāo)志。溫度是工業(yè)對(duì)象中的主要被控參數(shù)之一。在工業(yè)企業(yè)中，如何提高諸如電爐這樣的溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能一直是

3、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員努力解決的問題。由于這類對(duì)象的熱慣性大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，存在很多不確定的因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳，甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。溫度是表征物體的冷熱程度最基本的物理量。因此，溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。對(duì)于不同場(chǎng)合、不同工藝、測(cè)溫方法以及對(duì)溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時(shí)效不同，則對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同，因此。對(duì)溫度的測(cè)控方法多種多樣。目前國(guó)內(nèi)溫度自動(dòng)控制的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，他們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫度自動(dòng)控制在全量程范圍內(nèi)

4、溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。1.2電路設(shè)計(jì)的用途及實(shí)際應(yīng)用情況 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，能夠獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。在一些運(yùn)用場(chǎng)合必須保證溫度在一定的范圍內(nèi)，如何來保證這一要求是人們研究的一個(gè)課題。最初是認(rèn)為地通過觀察溫度計(jì)來確定溫度是否在要求范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)陀谝笾禃r(shí)，接通加熱設(shè)備的電源，進(jìn)行加熱；當(dāng)超過要求時(shí)，切斷電源，停止加熱。這種操作，不僅浪費(fèi)人力資源，還存在很大的誤差。因此，如何解決這一問題就成了一個(gè)迫切的問題。開發(fā)出能夠隨時(shí)進(jìn)行溫度檢測(cè)的恒溫自動(dòng)控

5、制系統(tǒng)成了人們追求的目標(biāo)，也符合智能時(shí)代發(fā)展的要求。溫度自動(dòng)控制技術(shù)就是探索和研究實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程的方法和技術(shù)。它是涉及機(jī)械、微電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域的一門綜合性技術(shù)。同時(shí)，溫度自動(dòng)控制技術(shù)也促進(jìn)了工業(yè)的進(jìn)步，如今溫度自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造、電力、建筑、交通運(yùn)輸、信息技術(shù)等領(lǐng)域，成為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的主要手段。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中，溫度自動(dòng)控制占有著極為重要的地位，特別是在冶金、化工、建材、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。對(duì)于不同生產(chǎn)情況和工藝要求下的溫度自動(dòng)控制，所采用的加熱方式、燃料、控制方案也有所不同。例如冶金、機(jī)械、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的各

6、種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等；燃料有煤氣、天然氣、油、電等。溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的工藝過程復(fù)雜多變，具有不確定性，因此對(duì)系統(tǒng)要求更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理論。溫度控制是工業(yè)控制中發(fā)展最早、最重要的分支之一，其應(yīng)用已涉及社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如家電、汽車、材料、電力電子等。而控制溫度的對(duì)象也多種多樣，大到煉鋼爐，小到加熱器。在工業(yè)控制領(lǐng)域，溫度通常也是控制的主要被控物理量之一，尤其一些對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求苛刻的場(chǎng)合，溫度更是一個(gè)主要的控制參數(shù)。為保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行，提高產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及節(jié)約能源，常要求被控對(duì)象的工作環(huán)境溫度按某種指定規(guī)律變化。溫度測(cè)量與控制電路廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的

7、各個(gè)方面，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度自動(dòng)控制已經(jīng)成為一個(gè)相當(dāng)成熟的技術(shù)。隨著人們生活現(xiàn)代化水平不斷提高，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，溫度已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中常見的工藝參數(shù)之一，任何物理變化和化學(xué)反應(yīng)都與溫度密切相關(guān)。1.3電路設(shè)計(jì)旨在解決的關(guān)鍵問題溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，節(jié)省人力，節(jié)省電力，使用方便。溫度自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，是工業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)進(jìn)步的主要手段和技術(shù)發(fā)展方向。電子信息技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高度智能化，在減少以至不需要人為干預(yù)下使機(jī)器能獨(dú)立處理各種工作，智能化溫度控制也是如此。用自動(dòng)裝置代替人工控制，控制生產(chǎn)中的溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，從而將人們從繁重復(fù)雜的勞動(dòng)中解放出來。

8、完成人工無法完成的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)各種科技創(chuàng)新。在很多生產(chǎn)過程中，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中，溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。2、總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路及框架在本課程設(shè)計(jì)中，將溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及其主要的功能特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，并給出它的特點(diǎn)。 傳感器控制器執(zhí)行受控對(duì)象象傳感器給定值干擾控制量操作量被控量圖11 自動(dòng)控制系統(tǒng)基本組成框圖（1） 受控對(duì)象，簡(jiǎn)稱對(duì)象，被控設(shè)備或系統(tǒng)即“受控對(duì)象”；如電機(jī)、加熱爐、化學(xué)反應(yīng)器。（2） 監(jiān)測(cè)裝置，簡(jiǎn)稱傳感器，相當(dāng)于人的耳和目，“觀察”設(shè)備原件，測(cè)量干擾和被控

9、量實(shí)際值（對(duì)象的輸出量）。（3）控制器，相當(dāng)于人腦，承擔(dān)分析比較、計(jì)算決策任務(wù)，根據(jù)預(yù)期目標(biāo)給定值（被控量的希望值）、被控量實(shí)際值及干擾等信息，經(jīng)計(jì)算，輸出控制決策控制量。（4）執(zhí)行器，相當(dāng)于人手、工具，接收控制信號(hào)（控制量），輸出操作量，使被控量等于或接近給定值。2.2 設(shè)計(jì)方法 具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻r5作為測(cè)溫元件，并以電阻r1、r2、電位器r4構(gòu)成電橋電路,通過電壓比較確定晶體三極管的導(dǎo)通狀態(tài)。若vt2、vt3導(dǎo)通，則繼電器r9吸合，加熱器r14通電加熱，彩色指示燈u2發(fā)光指示；若vt1導(dǎo)通，則繼電器r9釋放，加熱器r14斷電停止加熱，此時(shí)彩色指示燈u1和u4發(fā)光指示。3、電路的工作

10、原理3.1 電路原理圖圖12 溫度自動(dòng)控制指示電路原理圖3.2 電路元器件及工作原理（1）運(yùn)算放大器圖13 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。由于早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，故得名“運(yùn)算放大器”。運(yùn)放是一個(gè)從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實(shí)現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片當(dāng)中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大部分的運(yùn)放是以單芯片的形式存在。運(yùn)放的種類繁多，廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)當(dāng)中。運(yùn)放如圖有兩個(gè)輸入端a（反相輸入端），b(同相輸入端)和一個(gè)輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓u

11、-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參考結(jié)點(diǎn)。)之間，且其實(shí)際方向從a 端高于公共端時(shí)，輸出電壓u實(shí)際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓u+加在b端和公共端之間，u與u+兩者的實(shí)際方向相對(duì)公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a端和b 端分別用-和+號(hào)標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路，它將一個(gè)模擬量電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。（2）繼電器繼電器是一種電控制器件。它具有控制系

12、統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。3.3 電路工作原理如圖12電路原理圖所示為運(yùn)算放大器組成的溫度自動(dòng)控制指示電路圖，運(yùn)算放大器ar1接成電壓比較器，具有負(fù)的溫度系數(shù)的熱敏電阻r5作為測(cè)溫元件，并以電阻r1、r2、電位器r4構(gòu)成電橋電路，r4為溫度值設(shè)定電位器，改變r(jià)4可改變加熱器（如電爐）的設(shè)定溫度，用作溫度微調(diào)。當(dāng)爐溫低于設(shè)定溫度時(shí)，電壓比較器ar1輸出低電壓，vt1管截止，vt2管飽和導(dǎo)通，繼電器r9吸合，電爐通電加熱。當(dāng)爐溫高

13、于設(shè)定溫度時(shí)，電壓比較器ar1輸出為高電平，vt1管飽和導(dǎo)通，vt2、vt3管截止，繼電器r9釋放，電路停止加熱。爐溫的控制過程可以通過改變r(jià)5的阻值在計(jì)算機(jī)上模擬運(yùn)行。r14表示加熱器，v4表示交流加熱電源。電爐通電加熱狀態(tài)由指示燈u2指示，電爐停止加熱狀態(tài)由指示燈u1和u4指示。3.4 電路參數(shù)計(jì)算u1、u2和u4為彩色指示燈，當(dāng)電位高于2.5v時(shí)通電發(fā)光；電阻r1、電阻r2、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻r5和電位器r4共同組成電橋電路，取適宜電阻值，即r1為0.5k歐，r2為0.5k歐，r5為1k歐/49%，r4為1k歐/50%；對(duì)電壓比較器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定為+20v；如電壓比較器輸出高電平，則20

14、=ube1+rim，其中im=1e-16a,ube1=0.75v,r為r3和r13并聯(lián)阻值，所以取r3為0.1k歐，r13為0.2k歐/50%；如電壓比較器輸出低電平，則vt1截止，vt2、vt3導(dǎo)通，取直流電源12v，即12=ube2+ube3+r2im，其中ube2、ube3分別等于0.75v，im=1e-16a,r2為r11和r12的并聯(lián)電阻，則取r12為10k歐/10%，r11為0.5k歐/68%；c1為1nf；加熱電源v4選交流120v/60hz/0deg；加熱電阻r14為1k歐；繼電器最大電流為0.05a，則12=imr10+uce3,則取r10為1k歐/8%。序號(hào)名稱數(shù)量1直流電

15、源22交流電源13彩色指示燈34二極管35運(yùn)算放大器16電位器57負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻18電阻49繼電器110晶體三極管311電容1表1-1 電路元器件一覽表 4、仿真設(shè)計(jì)結(jié)果圖14溫度自動(dòng)控制停止加熱指示電路圖圖15溫度自動(dòng)控制加熱指示電路圖5、結(jié)論我所設(shè)計(jì)的溫度自動(dòng)控制指示電路滿足設(shè)計(jì)要求，即當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，繼電器吸合，加熱器通電加熱，彩色指示燈u2指示；當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，繼電器釋放，加熱器斷電停止加熱，彩色指示燈u1和u4指示。電路的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省人力資源，使控制更加方便快捷。電路的缺點(diǎn)：熱慣性大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，存在很多不確定的因素，導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。改進(jìn)：可以增加報(bào)警裝置。如一

16、些嚴(yán)格控制范圍溫度的生產(chǎn)環(huán)境，若因熱慣性使溫度超出溫度范圍，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但這需要電路能更精確的控制溫度。6、課程設(shè)計(jì)的體會(huì)電子課程設(shè)計(jì)實(shí)踐周，是以學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦，并親手設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試為特色的。它將基本技能訓(xùn)練，基本工藝知識(shí)和創(chuàng)新啟蒙有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)我們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。作為信息時(shí)代的大學(xué)生，僅會(huì)書本理論是不夠的，基本的動(dòng)手能力是一切工作和創(chuàng)造的基礎(chǔ)和必要條件，而且要有一個(gè)清晰的思路，在課程設(shè)計(jì)過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題。在這次課程設(shè)計(jì)中我覺得最重要的就是要有自學(xué)能力，因?yàn)檫@次設(shè)計(jì)中有部分知識(shí)我們之前還沒有接觸過，

17、所以自己必須學(xué)會(huì)查找相關(guān)的資料。另外就是在遇到實(shí)際問題的時(shí)候，要認(rèn)真思考，運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，一步一步的去探索，是完全可以解決遇到的一般問題的。本次課程設(shè)計(jì)給我們創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)：一是查閱資料將自己所學(xué)的數(shù)字電子技術(shù)，模擬電子技術(shù)，以及傳感器的相關(guān)知識(shí)綜合運(yùn)用；二是系統(tǒng)了解溫度監(jiān)測(cè)的詳細(xì)過程，為日后的學(xué)習(xí)和工作增長(zhǎng)知識(shí)，積累經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)經(jīng)過查資料、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，加強(qiáng)在電子技術(shù)方面解決實(shí)際問題的能力，基本掌握常用模擬電子線路的相關(guān)知識(shí)，提高模擬電子線路的制作、調(diào)試和測(cè)試能力。經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)，讓我深深的感受到理論聯(lián)系實(shí)踐的重要性，平時(shí)在學(xué)習(xí)中不能夠透徹理解的知識(shí)，通過動(dòng)手，會(huì)有更好的認(rèn)知。本次課程設(shè)計(jì)雖然不長(zhǎng)，但是它給我們帶來了很多收獲。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實(shí)踐能力的提高都會(huì)受益于我以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中。設(shè)計(jì)過程，好比是我們?nèi)祟惓砷L(zhǎng)的歷程，難免會(huì)遇到各種各樣的問題。在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握的不夠