恒水温控制系统设计.docx
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恒水温控制系统设计
课程设计说明书
课程设计名称：
模拟电路课程设计
课程设计题目：
恒水温控制系统设计
学院名称：
信息工程学院
专业：
电子信息工程班级：
super班
学号：
姓名：
—
同组人：
评分：
教师：
2012年3月13日
模拟电路课程设计任务书
20_11_-2012学年第_2_学期第J_周一_2_周
题目
恒水温控制系统设计
内容及要求
I、课程设计题目：
恒水温控制系统设计
II、课程设计技术要求及主要元器件：
〖基本要求〗:
1）控制温度可设定范围60°~80°；
2）采用PWM控制加热；
〖主要参考兀器〗：
TL084CN芯片,7812稳压芯片，7912稳压芯片，电磁继电器，S-PQ4-28变压器，2N2222A二级管；
进度安排
1.布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备：
第一周2天；
2.领元器件、焊接、制作：
第一周3天
3•调试：
第二周2天
4.验收：
第二周0.5天
5.写报告：
本学期3〜7周
学生姓名：
指导时间：
第1〜2周
指导地点：
F楼207室
任务下达
2012年2月13日
任务完成
2012年2月22日
考核方式
1.评阅□2.答辩□3.实际操作口4.其它口
指导教师
系（部）主任
摘要
在现代的工业设备和各类加工系统中，恒水温控制系统应用极为广泛。
在本组日
常生活或学习当中，恒水温控制系统也不可或缺，而且它的性能以及成本将直接决定它的实用性与普及面。
鉴于恒水温控制系统与人们的生活息息相关，本文研究的对象正是水温控制系统。
该电路主要采用了TL084CN运放，电桥电路以及三级运放实现温度的转换，本设计中也涉以二阶低通滤波电路来获得理想温度信号，通过温度信号与三角波信号相比较获得PWM波驱动加热未达要求的水，PWM波可实现对不同温度状况的水进行驱动加热，直到水温保持在60度到80度。
关键字：
恒水温、电桥电路、滤波、三角波、PWM波
前言1
第一章恒水温控制系统的设计要求2
1.1基本要求2
1.2设计任务2
1.3设计目标2
第二章电路设计原理及方案2
2.1恒水温控制系统的特点3
2.2设计原理3
2.3设计方案5
2.3.1芯片选择5
2.3.2恒水温控制系统电路6
第三章恒水温控制系统之温度采样电路的详细设计7
3.1温度采集电路的理论分析7
3.2温度采集电路参数的理论计算与选择8
3.3温度采集电路功能简述8
3.4仿真效果分析9
3.5焊接电路与调试过程中遇到的问题与解决10
3.6本单元的设计的实践体会11
3.7本单元使用的元件清单11
第四章电路的焊接与调试12
4.1电路的安装12
4.2电路的调试12
4.3电路的改进14
设计结论14
设计心得15
参考文献16
附录一18
附录二19
附录三23
刖言
温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪
费。
特别是在当前全球水极度缺乏的情况下，本组更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。
在现代冶金、石油、化工,生物恒温试验及电力生产过程中，温度是极为重要而又普遍的热工参数之一。
在环境恶劣或温度较高等场合下，为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度、节约能源，必须生产水温度控制系统，本实验中采用的是简便PWM波电路驱动加热。
无论是哪种控制，本组都希望水温控制系统能够有比较高的精确度（起码是在满
足本组要求的范围内），帮助本组实现本组想要的控制，解决身边的问题。
本文介绍基于简易PWM波产生电路来自动控制水温的系统。
该系统是用PT100温
敏组件对被控制对象进行实时检测，通过测量其电阻可概知水的实际温度，温度测量误差不大，可实现60C—80C范围的水温自动控制，保持设定的温度基本保持不变化，水温可在设定范围内设定。
本设计系统具有简易制作，成本低廉，易学易懂，
可用于生活与实验的水温控制，端的是一个简单实用的好工具。
此系统以模拟电子技术与电路的基本理论为基础，并通过查阅手册和参考文献资料，综合运用模拟电子技术与电路课程中所学的理论知识，在一个四人团队的共同协作下完成设计的。
在本系统设计过程中获得了杨焱、陈琼老师的指导，即使如此因团队能力有限，设计中或有缺陷，还望广大读者指正。
第一章恒水温控制系统的设计要求
1.1基本要求：
1）系统控制温度可设定范围600~800；
2）系统采用PWM控制加热；
1.2设计任务:
（1）利用所学知识设计符合要求的电路图；
（2）根据原理图分析电路的功能；
（3）熟悉电路中所用到的TL084CN芯片、7812稳压芯片、7912稳压芯片的管
脚及其功能，学会使用电磁继电器；
（4）进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求；
（5）写出完整、详细的课程设计报告；
1.3设计目标：
（1）因实验室不提供PT100和电热丝，故需用其他元件代替以实现等化功能
（2）焊板美观，分模块焊接，尽量减少导线的使用，能单模块调试
（3）设计效果良好，误差不能过大
第二章电路设计原理及方案
2.1恒水温控制系统的特点
该恒水温控制系统最大的特点就是利用了PWM技术加热，众所周知，一些恒水温水系统在维持恒温时存在巨大的资源浪费现象，例如：
当环境温度低于预定的恒温
时，系统要对环境进行加热，当环境温度非常接近或刚好达到预设的恒温时，一般的
恒水温系统会有短时间的继续加热迹象，类似这样加热，既会造成水温误差，又会造成资源的浪费。
而本系统用了PwMfe术进行加热，在环境温度接近预设的恒温的过程中，系统给环境加热时间也随之减少，当环境温度刚好达到预设的恒温时，系统对环境的加热也随之停止，这样避免了上述一般系统的资源浪费的问题，极大地节约了生产的成本。
2.2设计原理
三角波设计单元
温度转换单元
信号处理单元
图2.1整体工作原理图
按照设计图，可以分为四个部分，温度转换单元是用一个电位器模拟PT100,然
后用一个电桥电路，将电位器阻值的变化转化为电压信号；三角波设计单元，顾名思义就是个三角波发生电路，在其工作时发生一定幅值，频率的三角波；信号处理单元是用电压比较器比较三角波的瞬时幅值和温度转换单元的电压信号大小，当三角波的
瞬时幅值大时，比较器输出高电平，否则，输出低电平；温度控制单元是通过分析电压比较器输出的电压信号高、低电平，从而选择导通的支路（高电平时支路导通加热，低电平时支路断开不加热），进而对环境进行加热。
当调整电位器的阻值，使之逐渐接近恒定水温对应的阻值，在此过程中，PWM波
驱动的电磁继电器发生“滴答”声响的频率减小（PWM波在一个周期内高电平的持续时间变短），与之相应的发光二极管的闪动频率也减小（因电磁继电器控制发光二极管所在支路的导通状况），且在一个周期内，发光的时间愈来愈短；最后当电位器的阻值达到恒定水温对应的阻值时，PWM6全为低电平，“滴答”声消失，发光二极管灭，此结果等效环境温度达到预定温度时，系统停止加热，水温不再上升，而当水温下降，系统又将驱动加热，如此反复，水温则保持在一个预定值。
2.3设计方案：
2.3.1芯片选择：
本系统用了TL084Ch集成运放，TL084CN芯片、7812芯片、7912芯片。
（1）TL084CN集成运放：
该恒水温控制系统电路需要三个TL084CN集成运放，TL084CN中有四个运放，其具体参数如下：
TL084CN勺技术参数
通道数：
4
关断功能：
No
工作电压Max.（V）:
36
工作电压Min.（V）:
7
每通道IQ（典型值）（mA）:
2.800
带宽GBW（典型值）（MHz）:
3
转换速率（典型值）（V/us）:
13
输入失调电压（25E）（Max.）（mV）:
15
失调漂移（典型值）（uV/C）：
18
输入偏置电流（MaxJ（pA）:
400
共模抑制比（Min.）（dB）:
70
噪声电压（典型值）:
18
单电源供电：
No
满幅：
No
封装/温度（E）:
PDIP-14/0~70由上参数可知其性能能够满足实验要求，且库房存有大
量该器件，所以就选取了TL084CN。
TL084CN管脚图：
Output4
InvertingInput4
Kon-invertingInput4
Vcc'
Non-inwertingInput3
Invertingtnput3
Output3
图2.2TL084CN管脚图
管脚信息如上图，1、2、3脚是通道1的输出端、反相输入端、同相输入端，5、
6、7脚是通道2的同相输入端、反相输入端、输出端，&9、10脚是通道3的输出
端、反相输入端、同相输入端，12、13、14脚是通道4的同相输入端、反相输入端、输出端，4脚是正电源，11脚是负电源（或单电源使用时的电源地）。
⑵7812、7912稳压芯片:
图2.37812稳压芯片
将正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右三却分别是123脚
它们的1、2脚是电压输入端，1接电源正，2接地。
它们的2、3脚为电压输出端，3接电源输出，2接地。
78xx系列稳压器的最大输出电流为1.5A，最大输入电压为40V。
W7912则类似：
它的1、2脚是电压输入端，2接电源正，1接地。
它的1、3脚为电压输出端，3接电源输出，1接地。
2.3.2恒水温控制系统电路
图2.4三角波发生电路
三角波发生电路用于产生正负5.6V的交流信号，其信号与等效温度信号经比较电
路相比较而产生PWM波
VCC
vcc
丁12V
R3LR17
1IOkQ>1OOQ
4_
1<51
5
U4C
TL084CN
65%
VEE
U6CR14
I1kQ
R12
WW
IkQ
084CN
_R151
—pVV\r-|
L1kfl
R11
5.1kQ
12V
VW
IkQ
1n
LjJ7C1
——S—
「tC（）84CN
R10
VvV-
4
51kQ
图2.5温度转换电路图
此电路为本人负责，功能是将温度信号转化成电压信号，然后与三角波相比较而产
生PWM波；后面会详讲此电路
图2.6PWM波产生与驱动模拟加热电路
上电路用于产生PWM波（占空比可变的方波），PWM方波驱动电磁继电器（图中
J1）的开与合，高电平时J1闭合，发光二极管亮，低电平时J1打开，发光二极管不亮（发光二极管的亮与不亮对应水的被加热与不被加热）。
图2.7直流电源电路图
12V直流电
直流电源电路用于产生正负12V的直流电压，用与本设计中所有需要的地方。
图2.8总体图
总体设计图如上，总的功能在之前已进行了详细解说
第三章恒水温控制系统之温度采样电路的详细设计
3.1温度采集电路的理论分析
用电桥电路产生两电压作为三级运放电路（不直接使用一级运放电路的原因是为了避免电桥端与运放同相端同接地而产生的线性影响）的两个输入信号，其中一个信号为固定值，另一个为利用电位器调节方式设定的可调电压（代替温度）之后将两电压之差放大输出。
图3.1温度转换电路图
3.2温度采集电路参数的理论计算与选择
参照上方电路图计算：
图中的三级运放电路中的三个运放可选用常用集成运放TL084CN（满足较好的
“虚短”和“虚断”的性能），其供电电源为正负12V；
经参考模电教材（page39）可设定R20=2K,R12=R13=1K,然后可由“虚短”“虚段”原则算得U0与U1~U2的关系式为
U0=2R10/R14（U2-U1）;
为满足实验要求取R10/R14=5.1，此时U0=10.2（U2-U1），贝U可设定R10=5.1K,R14=1K,为满足第三级同相端和反相端的对称性则取R11=5.1K,R15=1K。
在U2产生电路中，以PT100的温度从0摄氏度上升至100摄氏度过程中其电阻的变化模拟水温从0摄氏度到100摄氏度的过程，取R17=100欧姆（因0摄氏度时，产生电路中PT100的电阻为100欧姆）；
在U1为使电桥电路，为使的整个电桥电路负载不大，需使U1端支路的串联电
阻较大，故取适当值R3=R4=10K,所以当取VCC=12V时，U1=6V。
3.3温度采集电路功能简述
因为学校不能提供PT100,则选用总阻值为200欧姆的电位器代替PT100。
首先将滑动变阻器移到50%处，此时电路中R18的阻值为100欧姆对应PT100在0摄氏度时的电阻，U2=6V,则根据U0=10（U2-U1），可知U0=0V;然后将滑动变阻器往阻值
大的地方调，在这个过程中U2已大于6V,U0也从0V开始逐渐增大，考虑到三角波发生单元产生的三角波振幅值为5.6V,为使U0至不超过5.6V（U0为比较器反相端电压且与三角波比较，当U0超过5.6V时，比较器完全输出低电平，这样则可实现不对水温加热），即U2不大于6.56V，这样可算得R18不大于127欧姆，此时刚好对应PT100在70摄氏度时的电压，也即当水温超过70摄氏度时，停止加热，一旦水温下降，U2小于6.56V,电路又会驱动加热，使得水温保持大约70摄氏度。
3.4仿真效果分析
图3.2仿真图之一
图3.3仿真图之二
上两图中黄线为U0图，红线为比较器单元的输出的方波图，第一个图为R18=100欧姆，即
U0=0V时的效果图，第二个图为R18=110欧姆时的效果图。
对比两图可知方波的占空比发生了
改变，当U0大于0V时，方波的一周期内高电平所占的时间小于低电平的时间，这便实现了水温在上升过程中，电路驱动（高电平驱动）加热的时间将逐渐减少，直至水温到达70摄氏度停
止加热，比较电路完全输出低电平。
总之，仿真效果比较符合设计要求。
3.5焊接电路与调试过程中遇到的问题与解决
1.焊接：
因为TL084CN集成四个运放，在运放与各元件相连接的问题上比较难于分配，也即若考虑排版的美观性的话，将对后续的焊接增加极为繁杂的程序，且容易混淆连接顺序，从而影响整个进程的速度；而考虑焊接的方便的话，排版则显得不那么美观。
为解决这个问题，只能通过导线的使用和将元件有规律而紧凑的排布，同时也要解决
印刷电路板短路情况的问题，本人则使用刀片刮断了导通的电路。
其他焊接问题基本可以轻松处理，所以本人算是以较快的速度完成了本单元的焊接任务。
2.调试：
本人的这块电路的调试只需观察电压的放大效果，将实际测量值与理论计算值相比较，看是否有误差即可。
但当本人将调试电路连接好后，可测到U2与U1的值（与理论值基本无误差），可U0的值为零，本人经检查好电路的逻辑接线无误后还是未
取得理想值，本人想肯定电路线的接触不佳，继续检查，将几个焊点略加了修饰，且发现有一线忘记连接，焊好它后觉得已难于查出问题，继续调试，终于将实际效果给调试成功。
附加实际电路图如下
图3.4温度采集单元实物图
3.6本单元的设计的实践体会
在选择温度采样电路过程中，更改了三次。
第一次设计电路没有比较电压，且放大电路选择过简单，不能实现较好的性能；第二选择了电桥电路作为温度采样电路，但经老师指点，放大电路与电桥之间有线性联系，影响虽不大，但可选择更好的放大电路；第三次修改电路即为现用电路，可较好实现电路性能。
就选择电路来说，本人深深地感觉到实践设计与课堂作业的不同，实践设计需要有工程思想，不能只考虑效果的实现，需要做到最佳实现，需综合各方面的因素，需要充分调动自己所学的理论知识。
而焊接则让本人对电路的布局有更深刻的认识，同时也锻炼本人的操作能力。
最后的调试也具有非常大的意义，它可以让你通过观察现象而推断电路的问题所在与思考解决方法，这也是对所学理论知识的检验与强化。
总之，本人体会到理论结合实践才能真正得到能力的提升，只有通过实践才能检验自身的学习效果。
3.7本单元使用的元件清单
表
兀件序列号
类型
类型
数量
1
-H-UL心片
TL084CN
3
2
电位器
200欧姆
1
3
电阻
100欧姆
1
4
电阻
10K
2
5
电阻
5.1K
2
6
电阻
1K
6
第四章电路的焊接与调试
4.1电路的安装：
电路安装要注意几个原则：
1.需进行整体布局的构思，使元器件分布合理、整体上更加美观；
2.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等等；
3.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；
4.最好分模块安装。
此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，电烙铁不能停留太久
4.2电路的调试
首先仔细检查安装好的电路，确定元件与导线连接无误，调整变位器的阻值,
使其小于恒温时对应阻值，然后接通电源开始调试，此时听电磁继电器是否发出
“滴答”声响，看发光二极管是否闪动，若不闪动，再次检查电路；若闪动，再逐渐增大电位器的阻值，使之逐渐接近恒温时对应的阻值，听电磁继电器发出响声的频率是否减小，看发光二极管闪动的频率也是否减少；特别是当变位器的阻值达到或超过恒温时对应的阻值，听电磁继电器是否发出声响，看发光二极管是否闪动。
若在调试的过程中没有出现预期的结果，应检查电路，根据产生的问题，力卩上对原理图的分析，尽可能找到出错的地方，再思考解决方法。
本组在调试的过程遇到的问题，比如：
（1）从三角波发生器中得到的三角波的幅值总是达不到理论的幅值，后来将R19换成了电位器，对电位器进行微调，最后达到了理论的幅值。
（2）在第一次调试的时候，PWM波虽有产生，但继电器不管怎样调都没有响应，开始断定是电压不够，而因电源只有12V的,所以打算不使用继电器，后为保稳妥，问了老师，老师说三极管基极未接二极管，使得当基极为负12V时，发
射极与基极之间因高反向电压而击穿，三极管已坏，如此回去更换了三极管，其基极也加了二极管，想象中的结果未出现，后来查出事继电器的引脚接错了，经改正后，继电器虽有滴答响，但发光二极管还是没亮，经思考，减小了发光二极管支路的限流电阻的阻值，再检查好电路接触的问题，最终实验成功
（3）在系统各部分连接好之后，接通电源，电磁继电器不工作，发光二极管也不亮，检测电路，发现三角波电路，温度转换电路均正常工作，后来在大家困惑之际，一组员碰了电路板一下，系统正常工作了，后来通过大家排查，找到了接触不良的节点，并修补好了。
4.3电路的改进:
由于三角波的幅值老是达不到理论值，后来将三角波发生器中的R19换成了电位器，可通过变位器的微调，使三角波的幅值可达到理论值。
使用电压控制继电器的效果几乎没有，而将电压控制继电器改为电流继电器后，效果明显更好。
设计结论
最终的实验效果很符合设计预想，当电位器阻值渐变大的过程中，发光二极管的闪动频率渐小（实则每次亮的时间减小），当到达127欧姆左右时，发光二极管灭，再将电位器往回调，发光二极管又亮了，且持续时间变长。
所以本设计基本成功，误差不会太大。
部分实验结果记录如下:
VEE
图4.1温度转换电路图
设计心得
当聆听着继电器发出如马蹄般的哒哒的声音，本人就知本组的实验效果终于做出来了，作为组长本人感到非常的欣慰，一直担心着不能带着团队走向成功，可经过本组共同的努力终获得了圆满成功，说到此本人要说一下，此次实践让本人感受最深也受益最深的是明白了要成事，需要结伴而行，单干或许走的快，但走不远，团队精神的力量是巨大的。
通过此次课程设计，使本人更加扎实的掌握了有关低频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过多番的思考与检查终可找出了原因所在，这也暴露出了前期本人在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使本人们掌握的知识不再是纸上谈兵。
在课程设计过程中，本人们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终得解绝。
在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，不畏困难，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事。
通过这次课程设计，本人掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，提高了焊接技术，学会了广寻资料，从而学人之长，思己之短。
本人认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在实践中，本人们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
回顾起此课程设计，至今本人仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使本人懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为自身服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让本人们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。
果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让本人明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
参考文献
[1]吴友宇•模拟电子技术基础•武汉：
清华大学出版社，2009.
[2]康华光•模拟电子技术基础•武汉：
高等教育出版社，2005.7.
[3]舒庆莹，凌玲•模拟电子技术基础实验•武汉：
武汉理工大学出版社，2008.2.
[4]徐国华.电子技能实训教程.北京：
北京航空航天大学出版社，2006
⑸谢自美.电子线路设计.第三版.武汉：
华中科技大学出版社，2006
[6]童诗白.模拟电子技术基础（第五版）[M].北京：
高等教育出版社，2005
附录一元器件清单
表二:
元件序号
器件类型
器件型号
数量
1
H-RLJL心片
TL084CN
3
2
LM7812CT
1
3
LM7912CT
1
4
三极管
2N2222A
1
5
二极管
1N4007GP
5
6
稳压管
1N4734
2
7
电磁继电器
JZC-23F
1
8
变压器
TS-PQ4-28
1
9
电阻
100Q
1
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