水温控制系统设计项目计划书.docx
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水温控制系统设计项目计划书
水温控制系统设计计划书
1绪论
水是生命的源泉，人类生活永远也离不开说。
而水的比较大的比热容以及它的流动性使它成为我们日常生活中和工业生产中那个得力的助手。
许多系统中需要通过控制水的温度从而达到控制或者测量其它部分温度的目的。
对水的温度的测量和控制已经成为系统中很重要的部分，并且也已经在我们的日常生活和工业生产中占据了很重要的地位。
而现今很多的水温控制系统大多数都有很多的缺点，最主要的就是价格昂贵，反应速度慢或者是精度不高等。
这些缺点使得水温控制部分成为整个系统中的一个污点。
本设计通过本人自身的所学知识，以及所考虑到的问题，尽量设计比较完美的水温控制系统，希望通过设计这样一个简单而价格便宜的水温控制系统达到抛砖引玉的目的。
当然，现今应该是存在比我的系统更加完美的设计，如果可能，仅希望提供另外一种设计思路，也许会有某些火花的碰撞。
2设计的技术指标及要求
2.1设计的任务及要求
2.1.1设计的任务
根据技术要求和已知条件，完成对水温控制系统的设计，装配与调试。
2.1.2设计要求
设计制作可以测量和控制温度的温度控制器
测量和控制温度围：
5～80℃，
控制精度：
±1℃，
控制对象：
双向晶闸管或继电器，
晶闸管或继电器触点连接：
一组转换接点（市电220V/50Hz/2A）。
选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
（选做：
用PSPICE或EWB软件完成仿真）
安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
2.2设计思想
本次设计使用温度传感器收集当前水体的温度，然后经过各部分电路处理，与所要控制的电路进行比较。
电路根据比较的结果决定是否对水体进行加热，如果需要加热会自动开启加热部分。
当温度超过所控制的温度后，控制部分要断开加热电路。
在不加热的情况下，水体会自动降温，当温度下降到控制温度以下的时候电路就会依照以前的步骤重新来一遍，然后对水体进行加热，然后循环往复执行这样一个周期性的动作，从而达到把水温控制在一定围的目的。
3选定方案的论证及整体电路的工作原理
3.1选定方案的论证
3.1.1选定温度传感器的论证
根据设计要求，可以测量并控制5～80℃的温度，精度要达到±1℃。
也就是说基本要求为传感器可以测量5～80℃的温度，并且具有很好的稳定性。
再结合性能以及价格方面的原因，选择了集成温度传感器LM35。
这样温度传感器在-55～150摄氏度以是非常稳定的。
当它的工作电压在4到20v之间是可以在每摄氏度变化的时候输出变化20mv。
它的线性度也可以在高温的时候保持得非常好。
因此LM35完全符合设计要求。
3.1.2选定继电器的论证
继电器是低压控制高压的部分，它的开启电压以及稳定性相当重要。
因为选用的电源电压是12V的，所以继电器的开启电压应当适当低于12V当接近它，因此选用开启电压为9V的比较适合。
另外，由于加热部分的电流比较大，所以继电器的承受电流要大，一般1000W的加热装置电流为4.5A，选择4.5A×2=9A以上的比较适合。
3.1.3选定运算放大器的论证
本设计对放大器的要求只是有较好的虚短和虚断特性，作为比较器时输出可以接近电源电压。
因此通用型的运算放大器便可满足要求。
因此选用通用型的ua741.
3.2整体电路的工作原理
电路设计的总体思想是测温——比较——控温如图3.1所示
加热
温度比较
传感器接收信号
信号处理
显示
控制
图3.1
4单元电路的设计计算、元器件选择及电路图
4.1测温单元
图4.1
Vcc
温度传感器需要放入水中，所以应该在电路中引出一个出口来接温度传感器。
LM35有三个引脚，其中0接正电源，2接地，这样在1脚就会输出随温度而现行变化的电压。
信号采集单元电路如图4.1所示。
4.2信号处理单元
LM35输出端的电压因温度改变1摄氏度而改变20mv，很难检测。
所以必须经过一定的处理方可成为测量以及控制部分所使用的信号。
处理方法也就是将它无损的放大一定的倍数。
因
控制或测量温度在80摄氏度的时候，LM35输出电压为800mv。
温度在5摄氏度的时候输出为50mv。
经下面计算
Vmax×Av<=12V
Vmin×Av>=0V
得
12V/Vmax>=Av>=0
即
15>=Av>=0
考虑计算的方便，以及最后输出测量的方便，去放大倍数为10为宜。
电路图如图4.2.1.
图4.2.1
4.3温度显示单元
温度显示单元承担两个主要的任务，主要是显示当前以及控制的温度，如果没有它就不知道自己到哪里了。
温度显示实质上就是电压显示，主要是设计一个可以表征温度的电压表。
因低温区的电压比较小，因此为了提高测量和控制的精度，需要设置两个量程。
电阻选择计算：
已知：
万用表阻Ro=250欧姆
满量程为Vo=0.25V
所以若使其测量10V电压，串联电阻R1需要满足：
（R1+Ro）/Ro=Vg/Vo
带入数据可算出R1=10K
若使其测量5V电压，串联电阻R2需要满足：
（R2+Ro）=5K
因此可以通过设置一个开关来达到改变量程的目的。
另外控制和测量温度都需要使用一个表头来显示。
如图4.3.1
当单刀双掷开关S2打到左边的时候，可以通过调节电位器R7来调整控制电压，具体的会在控制单元中说明。
当开关S2打到右边的时候，表头用来显示当前传感器传过来的经过处理的信号，也就是表征温度的电压量。
图4.3.1
4.4控制单元
控制单元的作用是通过接收来自传感器处理后的信号，判别是否需要对当前的水体进行加热。
因为初级放大电路是反向放大电路，所以，电压会变成负电压。
因此控制电路处的比较基准电压应该从负电源中索取。
电位器选择计算：
为了使电位器在阻值最小的时候电路中电流在1mA以下，选择固定电阻R9为2k
虽然控制温度需要达到80摄氏度，
但是为了适应实际，同时以防被毁，控制电压设置最大为100摄氏度。
Vo=100mV×100=10V
因此电位器选择10k为宜。
具体电路图如图4.4.1
图4.4.1
控制电路是一个比较器，如图4.4.2所示。
输出为正负12V，而继电器没有正负，所以必须使比较器输出负电压的时候继电器截止，因此把继电器和一个二极管串联，这样当电压为负的时候继电器就会很快地断开了。
继电器部是一个磁线圈，在断电的时候会有很大的电流，为了保护电路需要在继电器两端并联一个二极管，以使继电器断电后它的保留电流可以在二极管和电阻中快速消完。
图4.4.2
5测试结果并与理论指标进行对比分析
5.1测试结果与理论指标的对比
温度测量部分结果与理论指标（表5.1.1）
温度/摄氏度
5
20
50
80
理论值/V
-0.5
-2
-5
-8
实测值/V
-0.52
-2.03
-5.01
-8.04
温度误差%
4
1.5
0.2
0.5
相对1摄氏度误差
0.02
0.03
0.01
0.04
表5.1.1
温度控制部分结果与理论治标（表5.1.2）
预设控制温度/摄氏度
5
20
50
80
实际控制温度/摄氏度
5
0.5
20
0.3
50
0.4
80
0.2
5.2测试结果与理论指标分析
在实际电路中，电阻并不是理想电阻、导线中和其它的元器件都不是理想的电子器件。
在实际连接电路是，虽是用万用表测着元器件和串并联电阻使其尽量接近计算值，但使用的测量仪器有一定的测量误差，同时，在测量最后的输出结果时，测量结果也有一定的误差，所以，最后的测试值与理论指标之间有一定的差异。
误差分析入表5.2.1所示
理论值（V）
-0.5
-2
-5
-8
测试值（V）
-0.52
-2.03
-5.01
-8.04
误差值（V）
0.02
0.03
0.01
0.04
4%
1.5%
0.2%
0.5%
表5.2.1
由表5.1.1可得最大误差不超过0.5摄氏度，在误差围之，所以测试值符合理论值，所以设计达到要求。
6整体电路图、元件及器件明细
6.1整体电路图
电路如图6.1所示
6.2实物图展示
6.3元件及器件明细
元件及器件明细如表6.3.1所示
元件
器件明细
温度传感器LM35
1个
二极管1N4007LED灯
4个3个
uA741
3个
继电器
1个
双刀双掷开关及普通开关
3个
表头
1个
电阻
若干
表6.3.1
7成果的评价、本设计的特点和存在的问题并改进意义
7.1成果的评价
在电路的设计和制作中，使我无形中加深了对模拟电子技术基础的理解和运用能力，对课本及以前学过的知识有了一个更好的总结。
在电路的实物连接中出现了一些问题，需要不断的解决，所以这一周下来，我对问题的排查能力有了很大的提高；再次，通过此次课程设计，我对设计所用到的集成块有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。
在这次的水温控制系统设计中，所测试的结果达到设计要求的结果。
因此，这次设计是成功的一次。
7.2本设计的特点
本设计中采用的是价格便宜且又有较好的线性度的温度传感器LM35，并采用运算放大器几乎无损放大，非常准群反映了所测量的温度。
另外由于比较器比较好的开关特性
7.3存在的问题和改进的意义
当输出的电压较高时，纹波比较大，影响了电源的质量。
使得一些用电器不能达到理想的工作状态，比如功放，使用时可能杂音较大。
因此，当一些用电器需要低纹波的电源时，此电源就不太适用。
当要使用时，就需要改进电源。
参考文献
[1]康华光．模拟电子技术基础．：
高等教育，2005.7．
[2]舒庆莹，凌玲．模拟电子技术基础实验．：
理工大学，2008.2．
[3]徐国华.电子技能实训教程.北京:
北京航空航天大学，2006
[4]谢自美.电子线路设计.第三版.:
华中科技大学，2006
[5]万嘉若，林康运.电子线路基础.上海:
高等教育，2006
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