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温度控制电路设计说明
温度控制电路设计
一、设计任务
设计一温度控制电路并进行仿真。
二、设计要求
基本功能:
利用AD590作为测温传感器,TL为低温报警门限温度值,TH为高温报警门限温度值。
当T小于TL时,低温警报LED亮并启动加热器;当T大于TH时,高温警报LED亮并启动风扇;当T介于TL、TH之间时,LED全灭,加热器与风扇都不工作(假设TL=20℃,TH=30℃)。
扩展功能:
用LED数码管显示测量温度值(十进制或十六进制均可)。
三、设计方案
AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源,其输出电流与绝对温度成比例。
在4V至30V电源电压范围内,该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器,调节系数为1µA/K。
AD590适用于150℃以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。
低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点,使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。
应用AD590时,无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。
主要特性:
流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(K)度数;AD590的测温范围为-55℃~+150℃;AD590的电源电压范围为4~30V,可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件即使反接也不会被损坏;输出电阻为710mΩ;精度高,AD590在-55℃~+-150℃范围内,非线性误差仅为±0.3℃。
基本使用方法如右图。
AD590的输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准,每增加1℃,它会增加1μA输出电流,因此在室温25℃时,其输出电流Iout=(273+25)=298μA。
Vo的值为Io乘上10K,以室温25℃而言,输出值为10K×298μA=2.98V。
测量Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。
温度控制电路设计框图如下:
温度控制电路框图
由于Multisim中没有AD590温度传感器,根据它的工作特性,可以采用恒流源来替代该传感器,通过改变电流值模拟环境温度变化。
通过温度校正电路得到实际摄氏温度电压值(可适当放大到几伏特,不超过5V),再送温度判决电路判决,需根据报警温度确定门限比较电压值,电路均可用运算放大器及电压比较器来实现。
可采用三极管和继电器(RELAY)来控制驱动风扇与加热器,在仿真中用DCMOTOR代替风扇、HEATER代替加热器,并加上发光二极管来指示其是否工作。
温度显示部分可采用ADC模数转换芯片来实现,将实际温度电压值通过ADC芯片转换成数字逻辑信号再通过数码管显示。
四、电路仿真与分析
1、测温电路
在仿真中,测温电路由恒流源代替温度传感器,通过R1变为电压量,并且经过一个电压比较器构成射极跟随器稳定电压,使得测量Uo时不分出任何电流,避免造成测量值不准确。
Uo=I*R1
2、温度校正电路
在温度校正电路中,采一个电压比较器构成一个减法器,也就是把热力学温度温度转变成摄氏温度。
具体的计算为uo=R3/R6(u1-u2),其中=i*10KΩ,=2.73V,由电阻分压得到的,因为R3/R6=10,也就是温度每上升一度,输出电压增加0.1V。
3、控制电路
这是用集成运放构成两个电压比较器,一个比较上限30摄氏度,一个比较下限20摄氏度,换算为电压就是3V和2V。
3V和2V通过电阻分压得到,分别接在两个比较器的反相端和正向端。
当<2V时,灯LEDGREEN亮,,低温报警,启动加热器。
当2V<<3V时,灯都不亮。
当>3V时,灯LED1RED亮,高温报警,启动风扇。
后面的部分即为工作电路,由继电器驱动。
当温度低于20,绿色LED亮,heater工作加热。
当温度高于30摄氏度,红色LED亮,motor工作散热。
4、显示电路
显示电路采用ADC0809经过模数转换,然后通过单片机控制数码管显示相应的温度值。
在仿真时,改变电流源的值得大小,得到相应温度显示。
五、原理图与PCB
1、根据得出正确结果的仿真图连接了DXP的原理图,并且进行了检查
(1)进入DXP,新建原理图文档schematicdocument
(2)在原理图元件库找元件,常用的有protelDosschematiclibraries.ddb
(3)连接电线,器件之间的电路必须要连通。
(4)修改元器件属性。
注意:
双击左键打开属性对话框,修改相关属性和参数。
左键+空格键可以修改元件方向。
(6)保存文件,至此原理图以设计完毕
2、然后根据实际的元件大小进行测量和画封装
在画封装的过程中,除了真实脚距,考虑到三极管三个引脚之间距离太小不利于焊接,所以自己重新画了一个封装把引脚之间的距离适当变大,因为实物的引脚是可以用力来改变的。
这个做法也得到了老师的认可。
在画封装的过程中,也发现了芯片是集成在一起的四个运放,所以又改变了原理图中的运放的引脚,使用几个芯片即可实现,节约成本!
3、PCB图
画这块PCB,用了我三天的时间!
芯片周围的电阻很多,但是只要按照对应的位置来摆放,接线是不难的。
我先画好了芯片及其周围电阻的摆放连接。
但是,由于VCC和GROUND必须各处都是接在一起的,要使左边的和右边的接在一起要绕开许多元件,所以继电器和与它相连的LED和二极管、三极管的位置我换了好多次才找到最完美的位置和接线方式!
而且,三极管的焊盘是椭圆的,而且距离比较近,焊线不能太粗不然违反规则,所以我就在连接三极管中间一脚时细化了焊线。
其余的焊线都适当的粗,防止短路,焊盘也尽量大,为打孔和焊接提供方便!
六、制版、焊接与调试
1、转印、腐蚀、打孔
在制作电路板的过程中,碰到了许多困难。
1)首先是,由于打印机的问题,打印效果不好,中间总有一部分被抹了,应该是从打印机出来时压到了那里。
所以我们思考后决定先转印,然后再用笔补!
花费了很多时间和精力!
但是可行。
我们还发现,用笔补之后,再用什么都没有的转印纸包好再热转印几次,可以把补上的笔墨烘干压紧,效果和打印机里的墨一样。
2)第一次板子转印用笔补充后腐蚀时,由于热转印次数不够,墨不够压紧,在腐蚀过程中导线都脱落了,真的很可惜,一块板子就这么费了。
所以在第二次制版多热转印了两次,最后顺利制作出了板子。
大约转印了10多次。
腐蚀时间很长,要耐心等待。
3)接下来打孔,我们去的时候只有一毫米的打孔机有针头了,但焊盘直径只有2mm,幸好把焊盘画大了一点,很小心的打孔才没有让焊盘被打掉。
2、焊接
腐蚀完,已经晚上12点了,我和其他组的负责做板子的人决定通宵把板子焊出来,所以在实验室里完成了板子。
焊接过程很顺利,是由于之前金工实习时练习过焊接还有做电源的经验,因此这次焊接也得心顺手。
只有有些引脚,因为打孔有点歪,铜很细的地方不上锡,多补了几次才好。
3、调试
在调试过程中,很困难很困难!
1)由于我们班没有面包板,没有在制作电路板之前搭建元件做过调试,所以只能直接制版看效果。
2)我们班没有AD590,我们只能用直接加电压的方式来调试板子
3)还是因为经验不足,我没有在板子上留出调试点,又因为板子做的很小,电压夹线很难夹在元件引脚上,所以很困难。
我思考之后,决定在板子底层需要加电压的焊盘位置焊上导线,然后加电压。
4)在加+-12v时,发现,夹子靠近导线时有电火花产生,吓了一跳,第一次看到这种情况,好害怕会烧了,但是其实没有什么大碍。
5)在加好+-12v,GROUND和待测电压后,发现灯并没有如预期中亮起来,这时,我思考可能实验是失败了。
所以,我这时就反应过来要检查芯片,发现芯片是有热度的,证明它在工作,我又怕它是烧了,所以先断开电压,等到恢复室温我再加上电压,发现芯片还是会热,证明没有被烧,芯片是好的在工作的。
那么没有灯亮,是其他原因造成的。
6)为了找出失败的原因吗,我决定用万用表测量各点电压,看是从哪一部分开始较大偏离了理论值。
后来发现,从最后一个运放输出的电压都是没有问题的,前面的电路都是正常通的,但是通过继电器之后的电路出现了异常,电压变得很小很小,原因可能是:
1)继电器有问题,没有在电流通过下通过电磁将开关导通到另一边2)电阻值太大,使通过LED的电流太小不足以让它发光。
七、元件清单
BillofMaterialfor温控.PcbDoc
On2015/5/14at23:
24:
19
Comment
Pattern
Quantity
Components
2N3903
三极管
2
Q1,Q2
Diode1N4148
IN4048
2
D1,D2
Header3
HDR1X3
1
P1
LED1
LED
2
GREEN1,RED1
Relay
JZC-23F
2
K1,K2
Res1
AXIAL-0.3
17
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12,R13,R14,R15,R16,R17
TL084ACN
TL084CN
1
U1
八、实验总结
在本次实验中,仿真方面,我并没有按照老师给出的流程毫无思考直接进行搭建,而是经过了自己的思考,比如:
老师在讲解的时候,说先经过一个反相减法器再经过一个反相器来实现对温度的调整,当时我就想,为什么要反两次,不能一次完成呢?
所以在仿真中我就直接用了一个正向减法器来实现了同样的功能。
这使我明白,方法有很多,但是也有更优的选择。
在试验中,要有自己的思考,如果只是一味的为了完成任务而实验就失去了实验的意义,实验就是要让你发现些什么新的东西,得到一些新的思考和理解。
本次实验,使我积累了许多制板的经验和教训。
我都详细写在了上面的第五六部分,我会在以后也牢牢谨记,不犯同样的错误。
同时,我也明白了理论和实践之间是有很大差别的,而我们所追求的是在实践中的实现,所以不要太在理论和实践的差异上较真,而是要找出方法解决实践时出现的问题。
还有,如果真的将实验视作是一个工程问题,我们也要开始考虑实际问题,比如成本问题,我就比别的同学更节省成本。
因为他们看到有四个运放就用了四片芯片,但我发现每片芯片都是四个运放集成的,我用一片就完成了他们四片的工作,节约了三片芯片的成本。
这次实验收获很多,做的多收获就多,每次实验我都会认真对待,总能学到很多新的知识,增长各方面的经验。
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