1、水溫測量與控制電路的設(shè)計與仿真1 設(shè)計任務(wù)與要求 溫度測量，測量范圍0100 ；控制溫度1 ；控制通道輸出為雙向晶閘管或繼電器，一組轉(zhuǎn)換觸點為市電（220V，10A）。學(xué)習(xí)并運用proteus仿真軟件，繪制電路圖，進行基本的仿真實驗對所設(shè)計的電路進行分析與調(diào)試。2 方案設(shè)計與論證溫度控制器是實現(xiàn)可測溫度和控制溫度的電路，通過對溫度控制電路的設(shè)計、調(diào)試了解溫度傳感器的性能，學(xué)會在實際電路中的應(yīng)用。進一步熟悉集成運算放大器的線性和非線性應(yīng)用。Proteus介紹：Proteus 軟件是由英國 Labcenter Electronics 公司開發(fā)的EDA工具軟件，已有近20年的歷史，在全球得到了廣泛應(yīng)

2、用。Proteus 軟件的功能強大，它集電路設(shè)計、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進行設(shè)計與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M行設(shè)計和仿真，并且功能齊全，界面多彩，是近年來備受電子設(shè)計愛好者青睞的一款新型電子線路設(shè)計與仿真軟件。Proteus軟件和我們手頭的其他電路設(shè)計仿真軟件最大的不同即它的功能不是單一的。它的強大的元件庫可以和任何電路設(shè)計軟件相媲美；它的電路仿真功能可以和Multisim相媲美，且獨特的單片機仿真功能是Multisim及其他任何仿真軟件都不具備的；它的PCB電路制版功能可以和Protel相媲美。它的功能不但強大，而且每種功能都毫不遜于Protel，是

3、廣大電子設(shè)計愛好者難得的一個工具軟件。Proteus具有和其他EDA工具一樣的原理圖編輯、印刷電路板(PCB)設(shè)計及電路仿真功能，最大的特色是其電路仿真的交互化和可視化。通過Proteus軟件的VSM(虛擬仿真模式)，用戶可以對模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路、單片機及外圍元器件等電子線路進行系統(tǒng)仿真 Proteus軟件由ISIS和ARES兩部分構(gòu)成，其中ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)原理設(shè)計和仿真平臺軟件，ARES是一款高級的PCB布線編輯軟件。Proteus ISIS的特點有：實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真的結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)仿真、RS2

4、32動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真等功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。具有強大的原理圖繪制功能。支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。2.1 溫度控制系統(tǒng)的基本原理：溫度

5、測量與控制原理框圖如圖下所示。 本電路有溫度傳感器，K-OC變換、控制溫度設(shè)置、數(shù)字電壓表（顯示）和放大器等部件組成。溫度傳感器的作用是把溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號或電壓信號，K-OC變換將熱力學(xué)溫度K轉(zhuǎn)換成攝氏溫度OC。信號經(jīng)放大器放大和刻度定標后由數(shù)字電壓表直接顯示溫度值，并同時送入比較器與預(yù)先設(shè)定的固定溫度值進行比較，由比較器輸出電平的高低變化來控制執(zhí)行機構(gòu)（如繼電器）工作，實現(xiàn)溫度的自動控制。2.2 AD590溫度傳感器簡介：AD590是單片集成感溫電流源，具有良好的互換性和線性性質(zhì)，能夠消除電源波動，輸出阻抗高達10M。器件采用B-1型金屬封裝。其主要特征如下；流過器件的電流變化1A,等

6、于器件的熱力學(xué)溫度變化1K即轉(zhuǎn)換當(dāng)量為1A/K。測量溫度范圍為-55+150AD590的電源電壓范圍為430V。電源電壓可46V范圍變化，可承受44V正向電壓和20V的反相電壓，器件反接也不會被損壞。精度高，AD590 共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。AD590為電流型PN結(jié)集成溫度傳感器，其輸出電流正比于熱力學(xué)溫度。0溫度時輸出電流為273.2A，溫度每變化1，輸出電流變化1A。由于生產(chǎn)是經(jīng)過精密校正，AD590的接口電路十分簡單，不需要外圍溫度補償和線性處理電路，便于安裝和調(diào)試。溫度測量暈控制原理框圖3 單元電路設(shè)計與電路原理3.1

7、 溫度-電壓變換電路如圖1U01 = (1A/K)*R = R * 10 -6/KK-表示K氏溫度，如果R= 10K 則 ： U01 = 10mV/K3.2 K-變換電路因為AD590的溫控電流值是對應(yīng)熱力學(xué)的溫度K,而溫控中需要采用攝氏溫度由運算放大器組成的加法器可實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，參考電路如圖2所示。 圖1 溫度-電壓變換電路圖 圖2. K- 變換參考電路元件參數(shù)的確定和-UR 的選取的指導(dǎo)思想是：0（即273K）時，UO2=0V。3.3 放大器為使輸出電壓與控制溫度的相互關(guān)系清晰表現(xiàn)出來，設(shè)計一個反相比例運算放大器，使其輸出U03 =100mv/，如圖3。用數(shù)字電壓表可實現(xiàn)溫度顯示。 圖3

8、反相放大器 3.4 溫度比較電路溫度比較電路由電壓比較器組成，如圖4所示。VREF為控制溫度的設(shè)定電壓（對應(yīng)控制溫度的），Rf2用于改善比較器的遲滯特性，決定控制溫度的精度。（這次設(shè)計中，我的VREF=5V，用電池代替。）圖4 比較器電路 圖5 繼電器驅(qū)動電路繼電器驅(qū)動電路如圖5所示。當(dāng)被測溫度超過設(shè)定溫度時，繼電器動作，使繼電器斷開，停止加熱；反之被測溫度低于設(shè)置溫度時，繼電器閉合，進行加熱。NPN型晶體管VT作為開關(guān)管用來驅(qū)動繼電器線圈是否得電，從而控制加熱裝置達到控制溫的目的。二極管VD的作用是繼電器線圈斷電瞬間，提供能量釋放回路，防止擊穿驅(qū)動晶體管VT。3.5 測試要點用溫度計測量傳感

9、器處的溫度T(),若溫度T=27(300K),取R=10K,則UO1=3V,調(diào)整UR的值使UO2=-270mV,若反相比例放大器的放大倍數(shù)為-10倍，則UO3應(yīng)為2.7V。測量比較器的比較電壓VREF 的值,使其等于所要控制的溫度乘0.1V。如設(shè)定溫度為50，則VREF的值為5V。比較器的輸出可接LED指示燈，在溫度傳感器加熱（可用電吹風(fēng)實現(xiàn)）到溫度小于設(shè)定值前LED一直處于點亮狀態(tài)，反之，則熄滅。如果控溫精度不良或過于靈敏造成繼電器在被控觸點抖動時，可改變電阻Rf2.亦可用另一方案：圖6 溫度測量電路圖中 AD590（用電流源代替）的輸出電流I=(273+T)A（T為），因此測量的電壓U=(

10、273+T)A*10k=2.73+T/100V,利用電壓跟隨器緩沖隔離，U=U1。由于一般電源供應(yīng)較多器件之后，電源是帶噪聲的，因此可使用穩(wěn)壓管利用可變電阻分壓調(diào)整，使U3=2.73V（此處直接用2.73V電池代替）。差動放大器，其輸出為 U2=10(U2-U1) )=T/10V。如果T=28,則輸出電壓為2.8V。 4 總原理圖及元器件清單4.1 元件清單：元件標號型號說明電池B1BATTERY提供電壓電流源ICSOURCE放大器U1、U2、U3OP1P、OP1P、COMPI電池BAT123CELL電阻RRES接地線GND交流源AC 220VALTERNATOR繼電器RL1RLY-SPNO燈

11、泡L1LAMP二極管D1DIODE三極管Q1NPN電感加熱REALIND用于表示加熱裝置電壓表4.2 總原理圖：5 電路功能測試結(jié)果當(dāng)被測溫度小于控制溫度（這里取50）時，燈亮，電感（指代加熱裝置）工作，對水進行加熱。當(dāng)被測溫度大于控制溫度時，燈滅，不加熱，使水自然降溫，當(dāng)水溫降至控制溫度下時又使電路工作，使溫度保持在控制溫度。（為使在仿真時看到燈的亮滅情況，把交流電壓源的頻率調(diào)為1Hz，因為頻率太快在仿真上看不出。）當(dāng)T=0時，即電流源為0.273mA時，表1顯示+2.73V，表2顯示0V，表3為+5V，U3=+5V使繼電器工作閉合，燈亮，電器加熱使溫度升高。當(dāng)T=40時，即電流源為0.31

12、3mA時，表1為+3.13V，表2為+4V，表3為+5V，燈亮，電器加熱使溫度升高。當(dāng)T=60時，即電流源為0.333mA時，表1為+3.33V，表2為+6V，表3為0V，繼電器不工作，燈滅，電器不加熱。當(dāng)T=70時，即電流源為0.343mA，表1為+3.43V，表2為+6V，表3 為0V，燈不亮，加熱器不加熱。6 結(jié)論與心得表1所顯示的數(shù)為2.73+T/100（V）；表2所顯示的數(shù)為100mV/*T；表3所顯示的數(shù)是根據(jù)U2即表2所顯的數(shù)與+5V作比較，當(dāng)小于+5V時顯示+5V，當(dāng)大于+5V時顯示0V，它所顯示的數(shù)只有+5V或0V，不隨VREF的值（+5V）改變。本次課程設(shè)計過程中，根據(jù)溫度測量與控制原理，將溫度-電壓變換電路，K-變換電路，反響放大器，比較器電路，繼電器驅(qū)動