印染液浓度控制器设计报告.docx
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印染液浓度控制器设计报告
淮安市大学生电子竞赛
设计报告
印染液浓度控制器
二0一0年六月
摘要
本设计主要以模拟器件为核心设计制作了印染液浓度器。
能够对印染液浓度进行测量和控制,测量的浓度能够通过电压表头指示,可以通过设置浓度的上限和下限,将浓度控制在某一范围内,并且有超出范围指示灯,又考虑到印染质量受温度影响,又设计了温度测量和控制部分,此部分能够对印染液的温度进行监测,能够对温度进行人为可调节并能自动地控制在所调节的温度上。
一、系统方案设计
本设计包含三大部分:
印染液浓度测量与控制、温度测量与控制、电源部分。
系统框图如下图所示:
其中的每一个功能部件又都有多种选择,对每一个功能部件进行分析、比较、选择和确定后,便是总体方案。
浓度信号检测:
没有专用的液体浓度传感器,可以用光纤,光敏电阻等方法检测,考虑到实际情况,我们选用了光敏电阻作为浓度信号的检测,主要利用光敏电阻的阻值随光照强度的变化会发生变化,而液体浓度大大小会影响液体中光照的强度。
信号放大部分:
由于光敏电阻把光信号转换成的电信号比较微弱,因此要对浓度进行监测,就要对检测到的信号进行放大,此部分放大采用的TI公司提供的集成运算放大器OPA2335。
浓度控制部分:
采用的TI公司提供的比较器TLV3501构成控制电路,可以设置浓度的上限和下限,将浓度控制在某一范围内,并且超出范围,相对应的指示灯会点亮。
信号监测部分:
采用5V的直流电压表头指示测量的浓度范围
电源电路部分:
产生±6V、5.3V,±2.5V。
二、单元电路设计
(一)印染液浓度检测与控制电路设计
1.浓度检测电路设计
由集成运算放大器构成恒流源电路,通过调节VR1电位器使运算放大器的同向端电压为固定值,由于运放工作在线形放大状态,
“虚短”特点成立,所以运算放大器反向端电压也固定,由电路图可以看出流过电阻R3的电流IR固定为恒流,再根据“虚断”的特点,运算放大器的输入端电流为0,所以流过光敏电阻的电流IR3=IR,也为恒定电流。
图2
由图可知,光敏电阻随着光照强度的增加电阻阻值在减小,而对于印染液来说随着燃料的增加,浓度在逐渐增大,液体的透光程度在减小,光强度减小,所以光敏电阻的阻值在增大,所以运放的输出电压随着光敏电阻阻值的增大而增大,运放的输出为正向变化,但是由于运放LM358的供电电源是±6V,所以运放的输出最大只有4.5V左右,我们选用5V的直流电压表头指示浓度的数值,为了方便我们观察测量结果,需要对检测的信号进行放大。
2.信号放大电路的设计
便于我们通过5V表头观察测量结果,通过反复实验测试,需要把检测到信号电压放大2.5倍,由于检测到信号电压随着浓度的增大在逐渐增大,所以我们要对信号进行同向放大,电路原理图如下:
图3
可见,所设计的电路是满足要求的。
输出的电压可以供万用表监测用。
3.印染液浓度控制电路设计
印染液浓度控制电路如图4
U2
图4
印染液浓度控制电路主要有比较器和浓度指示电路构成,比较器用TI公司的比较器LM358构成双限比较器,来控制浓度的范围,浓度范围可以人为自动调节,浓度指示电路用LED发光二极管指示,电路如上图4所示,通过调节VR3电位器,可以设置浓度下限值,通过调节VR2电位器可以设置浓度上限,当测量到浓度数值比设置的下限数值低时,比较器LM358-A输出低电平,控制加染料指示灯点亮,提醒需要加染料,并通过电磁继电器来控制电磁阀加染料;当测量到浓度数值比设置的上限数值高时,比较器LM358-B输出低电平,控制加水指示灯点亮,提醒需要加水,并通过电磁继电器来控制电磁阀加水。
当测量到浓度数值在上、下限范围内时,上下限指示灯都不亮。
4、浓度监测电路设计
浓度监测电路如图5所示:
图5
浓度监测选用5V直流电压表头指示浓度的数值,通过电压表头指示的电压数值反应染料和水的体积比例关系,从而体现了浓度的大小,电压表显示数值小说明液体的浓度低,电压表显示的数值大,说明液体的浓度高,除了测量的信号要能送到电压表头显示外,浓度设置的时候也要能够通过电压表头指示所设置的数值,所以我们选择了一个3档位拨动开关,来进行不同档位之间的相互切换,在信号输入和电压表头之间加了一级电压跟随器,实现信号的隔离,防止电压表头对输入信号有影响。
(二)温度检测与控制电路设计
印染的质量受到很多因素影响,比如印染液的温度,布运动的速度,时间等等都会影响到印染的质量,考虑到实际的条件,我们只设计了影响印染质量的温度因素,设计此部分电路能够对印染液温度进行监测,同时还能人为对印染液温度进行设置,并能够自动控制在该温度上。
温度检测与控制方案的确定:
经过分析比较,温度传感器采用廉价的PN结温度传感器。
PN结受温度的影响为:
温度每升高1℃,正向电压降约降低1.8mV~2.5mV,即温度系数为-1.8mV/℃~-2.5mV/℃,呈线性关系;温度每升高10℃,反向饱和电流约增大1倍,呈指数关系。
如果采用呈指数关系的反向饱和电流温度系数来设计电路,将使得监测仪表的高端的观测分辨率降低。
所以,从方便于监测的角度来看,宜采用线性关系的正向电压降温度系数来设计。
考虑到要用电压表头来对温度予以监测。
而-1.8mV/℃~-2.5mV/℃的灵敏度不宜观测的很精确,况且,温度升高时表头电压读数减小,也不符合人们观测的习惯。
我们先拟订一种既能分辨1℃误差又符合人们习惯的数据观测方案:
用万用表的直流5V电压档监测;
当指针指示在最左边0V时,对应0℃;当指针指示在最右边5V时,对应+50℃。
当指针指示在0V~5V任意位置时,对应0℃~+50℃线性均匀分布。
也就是如图2所对应的刻度盘。
从图6中表头刻度看,每误差0.25V对应误差10℃,5V电压表头刻度的观测分辨率为0.05V,则对应每小格2℃。
可见,每摄氏度对应半格(0.025V)。
1.温度检测电路的分析与设计
由于温度传感器置于印染液中,温度传感器的输出将转换为随温度而变化的电信号。
硅PN结正向电压降随温度的变化速率为约-1.8mV/℃~-2.5mV/℃,并且在约0℃~100℃范围内其线性度优于1%。
一个典型的PN结其伏安特性曲线如图8所示。
图8中,在流过温度传感器电流为恒定的条件下,温度变化和温度传感器两端电压呈线形关系
该电路是电压-电流变换器,只要同向输入端所加的电压E和R11下方电位是恒定的,其PN结上的电流也是恒定的。
由图分析,根据虚短的概念,运算放大器的U+和U-电位相等,则流过R11电阻的电流是
IR=U-/R=U+/R
又根据虚断的概念,I-电流为0,则流过R11的电流必须完全由PN结D6提供,所以
ID=IR
并且ID不随温度而变化(PN结正向电压降仍然随温度变化)。
同向输入端上电位E的取值方法是以0℃时输出电压UO所需达到的电压值为依据的,要求0℃对应输出0V,并设0℃时UD=0.7V,显然,输出电压UO的表达式为
UO=UR+UD
则UR=UO-UD
由于虚短UR=E
则E=UO-UD
=0-0.7V=-0.7V
所以,取E为-0.7V,通过调节调零电位器VR3获得。
由于UD在0℃、+50℃时仍分别为0.7V、0.575V,则
在0℃时
UO=-6V+UR+UD(0℃)=-3V+2.3V+0.7V=0V
满足刻度表0℃时对应0V的要求;
而在+50℃时
UO=-3V+UR+UD(+50℃)=-3V+2.3V+0.575V=-0.125V
显然不满足刻度表50℃时对应5V的要求。
由此可知,随着温度从0℃~50℃的升高,导致PN结电压降从0.7V~0.575V下降,而PN结上的电流始终不变为R上的电流1mA,最终运算放大器的输出电压从0V~-0.125V变化。
如果此时在此运算放大器的输出端直接测量,将会导致万用表指针随温度升高而反向偏转。
2.放大器电路的设计
根据上述分析,在0℃对应0V是满足条件的,+50℃对应的输出电压-0.125V的情况存在着两个问题:
一是指针摆动幅度不够,就要将该信号放大;二是指针偏转方向反了,则要将该信号反向放大。
因此我们选择反向比例运算放大器来实现。
放大器增益的选择依据在于;实现将50℃时的前级信号-0.125V放大到5V,
AU=5/(-0.125)=-40(倍)
满足上述要求的电路如图9所示,
3.比较和调节电路的设计
温度控制电路主要有比较器和控制电路构成,比较器用LM358构成双限比较器,来控制温度的范围,温度范围可以人为自动调节,电路如下图所示,通过调节VR6电位器,可以设置温度上限值,通过调节VR7电位器可以设置温度下限,当测量到印染液温度比设置的下限数值低时,比较器LM358-2输出高电平,使晶体三极管Q2处于饱和导通状态,控制继电器衔铁吸合,加温指示灯点亮,控制加热装置加热,当测量到浓度数值比设置的上限数值高时,比较器LM358-1输出高电平,使晶体三极管Q1处于饱和导通状态,使继电器线包通电,触点接通,降温指示灯点亮,同时控制风扇工作,使温度降低。
图7
三、电源电路的设计
图7
电源电路主要包括四个部分,电源变压器,整流电路,滤波电路,稳压电路构成。
电源变压器采用双12V变压器,整流采用二极管构成的桥式整流电路,滤波电路采用电容滤波,稳压电路采用集成稳压块稳压LM7806LM7906输出±6V,
图11
由于比较器TLV3501所需要电压为单电源0~5.5V,而OPA2335所需要工作电源双电源±1.35V~±2.75V,所以我们在稳压块稳压输出+6V后串联一个二极管,使得VCC输出电压为5.3V,满足比较器TLV3501的工作电压,要满足OPA2335能够工作,还要产生±1.35V~±2.75V范围的电压,产生该电压的电路如下图:
VCC输出的电压通过MC1403基准电压产生芯片,输出固定的+2.5V,在把+2.5V通过负电压产生器7660使得输出为-2.5V,产生的±2.5V给OPA2335供电。
四、总体电路的调试
电子装置的调试大体可分为集中调试和分布调试,所谓集中调试是先装配好所有的组件、部件和元器件,最后统一调试;所谓分步调试是先装配好某一个组件或部件,调试一段,再先装配好某一个组件或部件,再调试一段……直到所有部件和组件都装配和调试完成为止。
这两种方法各有优缺点,集中调试一般有利于装配上的整体美观整洁,但调试时会导致调试思路紊乱、信号间相互牵扯较多,导致调试工作量增加。
而分步调试则反之,即思路清晰、信号较单一,调试工作量少。
我们采取分步调试的方法,即焊接一个部件(组件)接着就调试一个部件(组件)。
(一)电源电路的调试
首先按照电源部分中设计的硬件电路把电路焊接好,用万用表检查集成稳压块LM7806、LM7906的第3引脚是否有±6V电压输出,然后再测量D5的阴极是否有+5.3V电压输出,再测量MC1403的2引脚是否有+2.5V电压输出,最后测量76605引脚是否有-2.5V电压输出,只有满足要求后才能将其接入电路中。
(二)浓度检测与控制电路的调试
1.恒流源电路的调试
将光敏电阻置于清水中,通过调节浓度调零电位器,使得OPA2335的输出(1脚)输出为0V。
2.放大电路的调试
把放大电路的同相端和恒流源的输出端相连,构成同向比例运算放大器,然后向清水中加燃料,用万用表5V直流电压档测量第二片OPA2335的输出(1脚),观察表头指示的数值变化情况,并记录添加染料的体积和水的体积,用以计算染料和水的比例关系。
3.控制电路的调试
首先按照控制部分原理图连接电路,并和前一级电路连接好,首先把三档位开关拨到上限位置,调节浓度上限电位器,设置上限的数值;再把三档开关拨到下限位置,调节浓度下限电位器,设置下限的数值,上下限浓度设置好后,把三档开关拨到正常输入的位置,把光敏电阻放到水中,通过添加染料,观察表头指示的数值,如果表头指示的数值比设置的下限浓度低,则下限指示灯LED点亮,提醒加染料;如果表头指示的数值比设置的上限浓度高,则上限指示灯LED点亮,提醒浓度过高应该加水;如果表头指示的数值在设置的范围内,则上,下限指示灯都不亮。
(三)温度测量与控制电路的调试
1.恒流源电路的调试
准备冰块和水组成冰水混合物,用以实现产生标准0℃,用于0℃定标。
将已经焊接好的PN结温度传感器置于冰水混合物中,用万用表测量U1(OPA2335)的输出(7脚)应为0V左右,并仔细调整VR1,使之精确为0V。
2.放大器电路的调试
先将温度放大调节电位器使阻值调整至最大,在恒流源已经调零的基础上,将PN结温度传感器置于室温环境下,与温度计放在一起以感受相同的温度。
用温度计测量室温温度,根据此室温温度和电压表头面板定标标度0.1V/℃计算电压表头指针应该对应在什么位置,通过调整温度放大调节电位器VR5实现。
在调整过程中还要不断观察温度计温度变化情况,如有变化应及时计算出新的指针位置,及时调整VR2。
3.控制电路的调试
首先按照控制部分原理图连接电路,并和前一级电路连接好,首先把三档位开关拨到上限位置,调节温上限电位器VR6,设置上限的数值;再把三档开关拨到下限位置,VR7,设置下限的数值,上下限浓度设置好后,把三档开关拨到正常输入的位置,观察表头指示的数值,如果表头指示的数值比设置的下限温度低,则下限指示灯LED点亮,控制加热装置加热;如果表头指示的数值比设置的上限温度高,则上限指示灯LED点亮,控制风扇工作,使其降温;如果表头指示的数值在设置的范围内,则上,下限指示灯都不亮。
五、设计总结
本次比赛是从暑假中开始的,我们这些参赛者都放弃了暑假的休息时间回到学校参加比赛,每个人都信心实足,在设计课题过程中我们采用分工合作,一人查资料和进行理论知识的复习,一人动手操作,一人负责调试部分,遇到难题一同试验解决,同时记录实验的进度和准备报告,这样分工合作,很好的培养了团队合作精神。
经过这次的比赛,我们发现课堂上所学到的知识不能很好的与实际相结合、不能灵活应用,经过一系列的讨论与摸索,我们才很好的完成电路的设计。
在调试过程中,我们了解了TI公司的一些器件的特性和应用,这是我们在课本上没有学到的,一开始,我们是通过万能板来焊接调试的,调试成功后,我们又采用以前学过的EDA,制作了整个电路的PCB板,对以前所学的知识进行了巩固,印制电路板使得整个电路工作更加稳定。
在调试过程中,我们也遇到了很多问题,通过老师的指导和上网查资料最后得以解决。
通过这次设计比赛,我学会了怎样去根据要求去设计电路和调试电路。
动手能力得到很大的提高。
从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的知识。
在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。
总体说来,这次电子设计竞赛对我们以后的工作学习都有很大的帮助。