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。