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课程设计说明书题目化学反应釜温度电子控制器设计学生姓名学院信息工程班级指导教师二○一三年九月一日内蒙古工业大学课程设计任务书
(1)课程名称电子技术课程设计学院信息工程学院班级_学生姓名___学号_指导教师
一、设计题目化学反应釜温度电子控制器设计与实验
二、设计目的⑴掌握基本模拟电子电路和数字逻辑电路的分析及设计方法,培养学习专业知识能力⑵掌握基本电子电路故障的基本识别方法与基本诊断方法,培养分析问题、解决问题能力⑶掌握学__结报告和设计说明书的基本书写方法,培养技术交流能力
三、设计内容和要求1.设计内容设计并制作一个针对化学反应釜温度和反应次数的控制器温度为毫伏级缓慢变化__传感器为电压型,可将测量的0-200℃温度转换为对应电__5-15mV,并伴有5mV左右的共模干扰工艺要求当温度升高到150℃时反应釜停止加热,自然冷却至60℃时,启动加热器反复加热7次后反应釜开始排料至下一工艺过程要求控制器有高、低温__功能(VCC=5V,POM=1W);__和反应次数的计数显示功能可拓展功能为反应时间计时显示、启停温度可设定、__和反应次数的存储,提供控制器5V/2A直流电源电路设计2.设计要求
(1)查找资料,主要从器件选型角度分析比较2种以上设计方案,理解工作原理,比较各自优缺点,完成系统框架设计,明确设计思路从设计方案选择、选取器件材料、设计制作、测试分析等方面归纳阐述并总结成文,列出选用器件清单;列出____目录清单
(2)对照系统框架,确定电路设计方案,绘制原理图或设计流程图,简述所选电路的工作原理;根据设计要求,进行电路分析及比较,根据计算的参数特征,选择电路元器件,写出必要的输入-输出函数表达式
(3)选择相关集成电路器件,绘制完整实验电路原理图或接线图,说明主要元件在电路中的作用,说明整体电路工作原理或工作流程
(4)搭建Multisim或__XPlusII仿真电路,完成所设计电路的仿真测试
(5)__、调试实测电路,完成电路性能指标测试,记录并分析实验测试结果
(6)得出结论(是否针对设计任务完成电路设计,通过什么方式验证设计的正确性,设计电路的性能如何,还可以在哪些方面做进一步改进等)
(7)写出设计说明和实验报告,分析说明实验过程中出现故障的原因及排除方法
(8)创意设计或自主扩展设计想一想自己的设计作品具有哪些方面的市场竞争力,是否可以通过进一步拓展和深化,开展项目__,参加创新性设计,____销售出去等
四、工作内容、进度安排第1天~第2天查阅文献资料,分析电路组成方框图,确定并提交总体设计方案第3天分析模拟__单元电路的工作原理和特性,并有必要的计算,利用软件工具对其进行仿真第4天~第5天用计算机绘制电气原理图/接线管脚图,__调试电路,通过阶段验收第6天第7天分析数字__单元电路的工作原理和特性,并有必要的分析、计算、描述第8天~第9天完成逻辑电路性能指标测试;完成系统统调测试;*提出扩展设计模块及方案第10天完成设计说明书的总体编写工作,针对设计通过答
五、主要参考资料
[1]阎石,数字电子技术基础(第5版)高等教育出版社2006
[2]华成英,模拟电子技术基础(第4版)高等教育出版社2006
[3]电子技术课程组,电子技术内蒙古工业大学
2013.3
[4]课程设计专栏,内蒙古工业大学精品课程公共__学生根据实际题目检索相关文献(不少于三篇)审核意见系(教研室)主任(签字)指导教师下达时间年月日指导教师签字_______________摘要温度是生产过程和科学实验中普遍存在的物理参数化学反应釜的温度控制精度、系统响应速度及稳定度是衡量温控系统性能指标的关键因素,准确控制釜内温度对在不同温度下进行化学反应具有重要的意义本文对反应釜的温度控制进行了分析,设计主要运用基本的模拟电子技术和数字电子技术的知识,用电压比较器来实现温度控制装置,采用555构成的多谐振荡器来实现高、低温__装置,用内置译码器的四输入数码管译码显示反应次数,A/D转换应用比较器完成同时运用到模拟电子技术中的滤波放大电路的相关知识:在A/D转换前置低通滤波器,来滤除干扰__,应用放大电路来实现__幅度与元器件工作范围的匹配通过这些,实现温度控制电路的设计关键词三运放放大;滤波器;比较器;计数显示;__器AbstractThetemperatureisgenerallyexistsintheproductionpro__ssandscientificexperimentsofphysicalparameterschemicalreactionkettletemperaturecontrolprecisionthesystemresponsespeedandstabilityisakeyfactormeasureoftemperaturecontrolsystemperfor__n__precisetemperaturecontrolinsidethekettletochemicalreactionatdifferenttemperaturesisofgreatimportan__.Inthispaperthereactionkettletemperaturecontrolwas____yzedandthedesignofthe__inuseofbasic____ogelectronictechnologyanddigitalelectronictechnologyknowledgetorealizethetemperaturecontroldevi__withvoltagecomparatormultivibratorcomposedof555isusedtoachievehighandlowtemperaturealarmdevi__usingAbuilt-indecoderdecodingdigitaltubedisplayreactiontimesfourinputA/Dconversionapplicationcomparator.Atthesametimeusingthefilteramplifiercircuitin____ogelectronictechnologyrelatedknowledge:intheA/Dconversionleadlowpassfiltertofilterthejammingsignalamplifyingcircuitisappliedtorealizethesignalamplitudeandthe__tchingofthecomponentsworkscope.Throughtheserealizethetemperaturecontrolcircuitdesign.Keywords:Threeop-ampamplifier;fliter;camparator;Countinganddisplay;alarmapparatus 目录
一、设计任务概述………………………………………………………………………1
二、设计方案论证及方框图……………………………………………………………1
三、电路组成及工作原理………………………………………………………………4
四、电路元器件选择与计算……………………………………………………………5
五、__与调试…………………………………………………………………………
91、__……………………………………………………………………………
102、测试方案………………………………………………………………………
103、调试过程………………………………………………………………………
114、调试中发现的问题及解决措施………………………………………………12
六、指标测试…………………………………………………………………………
121、单元电路功能测试……………………………………………………………
122、整体电路功能测试……………………………………………………………13结论………………………………………………………………………………………14收获与体会………………………………………………………………………………14____…………………………………………………………………………………15设计所需仪器设备及元器件清单………………………………………………………16附录元件说明一设计任务概述在精细化工行业中反应釜是常用的一种反应容器而温度是其主要被控制量是保证产品质量的一个重要因素设计并制作一个针对化学反应釜温度和反应次数的控制器温度为毫伏级缓慢变化__传感器为电压型,可将测量的0-200℃温度转换为对应电__5-15mV,并伴有5mV左右的共模干扰工艺要求
1.当温度升高到150℃时反应釜停止加热,自然冷却至60℃时,启动加热器反复加热7次后反应釜开始排料至下一工艺过程
2.要求控制器有高、低温__功能(VCC=5V,POM=1W);__和反应次数的计数显示功能可拓展功能为反应时间计时显示、启停温度可设定、__和反应次数的存储,提供控制器5V/2A直流电源电路设计二设计方案方框图及论证根据本设计内容及工艺要求,兼顾可行性、可靠性和经济性等各种因素,要实现此设计要求可以通过以下几种方案(阴影部分不在设计范围内)方案一系统框图如图1所示,温度传感器测量温度,转换成电压__后经过滤波消除干扰__,放大电路将所测__幅度与后续电路的工作范围做一匹配,所得有用__经过A/D转换专职转换成数字__此数字__有两条路径
一、进入超限__装置与所设定的温度范围进行比较,若超限则发出声光__;
二、进入数字比较器与输入的控制温度进行比较,产生温度控制机构的工作__,计数反应次数并显示此系统可以对被测体的温度进行实时跟踪测量,并进行有效控制,总体上实现了温度的控制图1表1方案一材料表序号元器件名称规格型号数量1运算放大器LM324D62A/D转换器ADC080413电容10nF~100F若干4电阻
5.1k~100K若干5555定时器NE55526计数器74LS16027蜂鸣器5VDC18发光二极管~2方案二系统框图如图2所示,温度传感器用来测量被测体的实时温度并转换成电压__,该电压__经过滤波放大电路,成为有用__进入电压比较器,与输入控制温度电压__进行比较,比较结果__将驱动反应次数计数装置工作,对被测体的温度进行实时控制,电压比较器的比较结果还将决定是否发出声光__此方案是将测量温度与输入控制温度转换成电压__进行比较,从而实现了温度的控制图2表2方案二材料表序号元器件名称规格型号数量1运算放大器LM324D42电压比价器LM39323电容10nF~100F若干4电阻
5.1k~100K若干5555定时器NE55526计数器74LS16027蜂鸣器5VDC18发光二极管~2方案选择方案一将所有的__都转换成数字__处理,克服了模拟__易受干扰的缺点而且系统的主要处理部件均采用数字式的元器件,从而使__的模式与之匹配,对于__处理的精度就有了保证但是由于其上、下限温度限定电路复杂,而且本设计只设计两点温度比较,所以A/D转换器部分过于繁杂综合考虑故此方案舍弃方案二符合要求中控制温度与__、反应次数计数的要求控制电路中以模拟__为主,实现起来简单且准确综上所述,考虑到两个方案的优缺点,选择方案二作为此次温度控制电路的设计方案整体构思总体设计框图如下图3所示,从温度的采集到与设定温度的比较,再到控制过程都是模拟__,在显示电路中,将模拟__转换成数字__显示,考虑到传感器得到的是弱__并且伴有5mv共模干扰__,所以在设计电路过程中,采用三运放放大电路整个温度控制部分主要由以下几个模块构成温度传感器、放大器、滤波器、电压比较器、控制电路(温控电路)、声光__器、显示电路模拟部分原理方框图图3数字部分原理方框图:图4三电路组成及工作原理
1.化学反应釜温度电子控制器模部分总电路原理图如图5所示图5化学反应釜温度电子控制器模电部分总电路原理图由直流电源模拟传感器传出的电压__,通过三运放差分放大电路后,放大一定的倍数,使电压与温度成线性关系放大电压__通过低通滤波器,调节滤波器的截止频率,滤掉高频干扰__同时得出电压放大倍数经过滤波电路的__通过窗口比较器,实现模拟__转变为数字__
2.化学反应釜温度电子控制器数字部分总电路原理图如图6所示图6四电路及元器件的选择与计算1.放大电路的组成考虑传感器输出电压__的特点,前置级应该满足下述要求
(1)高输入阻抗输出__是不稳定的高内阻源的微弱__,为了减少__源内阻的影响,必须提高放大器输入阻抗一般情况下,__源的内阻为100kΩ,则放大器的输入阻抗应大于1MΩ
(2)高共模抑制比CMRR前置级须采用CMRR高的差动放大形式,能减少共模干扰向差模干扰转化
(3)低噪声、低漂移主要作用是对__源的影响小,拾取__的能力强,以及能够使输出稳定如图7所示的同相并联三运放结构,这种结构可以较好地满足上面三条要求放大器的第一级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗第二级采用差动电路用以提高共模抑制比图7三运放差分放大电路如图7为三运放构成的差分电路,这是一种现代工程中常用的差分放大结构运放A3和A4构成放大部分,A5为差分放大部分从电路结构可知,该电路具有输入阻抗、共模抑制比高,温漂影响小和二级放大__失真小等优点当R3=R4,R5=R6时,两级的总增益为两个差模增益的乘积,即__d=(Rp+2R1)/RpR6/R4由此可知,上述电路具有输入阻抗高,共模抑制比高等优点,故选用此三运放差分电路来放大小输入电压__Ux参数选择R1=R2=
0.45k,Rp=
0.1k,R3=R4=
0.01k,R5=R6=1k则输出电压U0=(Rp+2R1)/RpR6/R4Ux,通过改变Rp可以改变电压放大倍数调节Rp,使温度150℃时,输出电压U0值为
1.25V最终保证输出和温度数值上的一个线性关系,通过电压值可以知道温度值,而达到测量温度的目的
2.滤波电路的选择及工作原理考虑到实际工作环境中各种__的干扰,所以选择了一阶低通电路如图8所示,为反相输入一阶低通滤波器图8LM324的原理及结构LM324是运放集成电路,电路模型如图9所示它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互__每一组运算放大器可用图7所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个__输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端两个__输入端中,Vi-(-)为反相输入端;Vi+(+)为同相输入端LM324的引脚排列见图10图9图
103.高低温__功能图11该__装置如图11所示,主要构成器件为555定时器集成芯片它组成的多谐振荡器再加上发光器件和蜂鸣器,就构成了此声光__器,当前置电路产生的逻辑__为高电平时,则该声光__装置工作,发出声光__该设计的发声频率为f=
1.44/[R14+2R15C4]≈
11.7HZ所以,发声持续时间T=1/f≈
8.55×10-2s
4.反应次数计数功能图12根据温度与电压对应的线性关系,算出150摄氏度对应的电压作为A的输入,经过跟随器将电压分送入比较放大器B放大倍数为1)的反相输入端,60摄氏度对应电压送入同相输入端,B输出端的电压为二输入电压之差.此电压对应两个设定的温度值之差.比较器D的反向输入端接传感器输出端当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时,C输出高电平;当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时,表明实际温度已接近控制温度,C输出低电平,电压比较器D输出高电平计数器开始计数,当计数到七是停止计数当实际温度上升到150℃以上时,温度传感器的输出电压大于
1.25V,电压比较器D输出低电平,停止计数加热电路图13加热电路如图13,当温度传感器输出的电压小于B的输出电压时,C输出高电平,可控硅T1因获得偏流一直导通,交流220V直接加在电热元件两端,进行大功率快速加热;当温度传感器输出的电压大于B的输出电压而小于A的输出电压时,表明实际温度已接近控制温度,C输出低电平,可控硅T1因无偏流处于截止状态,电压比较器D输出高电平,可控硅T2仍处于导通状态,交流220V需要通过二极管D2加在电热元件两端,进行小功率慢速加热;当实际温度上升到150℃以上时,温度传感器的输出电压大于
1.25V,电压比较器D输出低电平,可控硅T2也截止,电热元件断电,停止加热五__与调试1.__
(1)在Multisim
10.0上进行仿真调试
(2)仿真调试出结果后,按照电路原理图在实验室试验箱上进行__
(3)明确各器件管脚功能,认真连线2.测试方案
(1)调试模拟单元A、仿真结果如图14所示图14Au=1000B、按图5连线,检查无误后接通电源C、通过改变输入电压的形式实现实际工艺中温度的变化检测__通过放大电路和滤波电路后的放大倍数,从而确定温度与电压之间的线性关系算出放大倍数的理论值与实测值进行比较,算出误差
(2)调试计数器驱动单元A按图12连线,检查无误后接通电源B通过手动脉冲检测计数器是否能够计数1~7并在计数到7后停止C接入加热控制单元电路,通过高低电平的变化实现反应中温度变化,计数反应次数
(3)调试__驱动单元A按图11连线,检查无误后接通电源B通过手动脉冲检测声光__部分是否能够正常工作C接入加热控制单元电路,通过高低电平的变化实现反应中温度变化,实现高低温__功能
(4)调试加热控制单元A由于实验室元器件的不足,在加热控制单元通过二级管的亮暗表示加热与停止通过74LS151实现对温度的选择,只有温度在60~150摄氏度之间灯才会亮,代表加热B用高低电平表示接受到的电压__3.调试过程
(1)调试模拟单元将LM324__在实验板上,选择适当的电阻,连接线路(考虑实测过程中滤波电路的调试复杂,所以在实测电路中不接入滤波电路),检查无问题后接通电源实物连线如图所示用万用表分别测输入电压__的大小,与通过三运放放大电路后电压的大小,算出放大倍数改变电压__,重复得出放大倍数
(2)调试计数器驱动单元将74LS160插入IC板,对应各管脚功能连线,接入数码显示管手动脉冲输入,实现计数功能;通过与门和与非门实现计数停止功能将
12、
13、14管脚接入与非门,输出与输入脉冲通过与门接入计数器的CLK端接通电源,完成真值表4.调试中发现的问题及解决措施
(1)扬声器不发声;电源VCC连接不好,连接正常后问题解决
(2)将加热控制单元与反应次数计数部分连接后,通过高低电平变化实现温度变化,但是计数显示不稳定,出现紊乱因为高低电平手动过程中不稳定,改为固定脉冲后问题解决六.指标测试1.单元电路功能测试
(1)加热控制及__电路逻辑真值表ABCDY1Y2ABCDY1Y200001110001000011001001010100011101101001100100101110101101110100111111101注ABCD分别代表55摄氏度、60摄氏度、150摄氏度、155摄氏度,T用0表示,T用1表示
(2)计数器计数真值表Clk顺序二进制十进制clk顺序二进制十进制10011510172010261106301137111741004800172.整体电路功能测试图15为设计后总的电路图图中分别有温度的控制和__部分和反应次数显示部分设计内容的实现,是通过传感器将温度转为电压__,经过放大器放大后输出,输出__接两个LM324单限比较器,一个LM324单限比较器的输出端通过与控制电路的分别发光二极管相连,经过或门与__电路的输入端连接,便可实现对温度控制和__由此设计任务完成图15结论一.在此次课程设计中完成了下述工作1.进行了设计任务的需求分析,完成了总体结构图的设计,进行了技术性比较并确定了最终方案2.确定方案,画出设计原理方框图3.各功能单元电路仿真,调试实测
4.总体电路连接,仿真后调试,在实际实验中测量记录数据二.课程设计中下述工作没能完成1.__功能计数显示三.本设计可以在下述方面进行功能扩展,但是因为时间关系未能完成设计1.5v/2A直流电源的电路设计收获与体会此次课程设计,我设计的是温度控制电路,这个课题涉及到模电与数电的相关知识这个设计任务经过查阅大量资料,分析题目以及老师的帮助与指导,最终确立一套可行的方案,并通过Mulisim仿真,总结课程设计说明书,完成本次设计,从中我受益匪浅具体如下:
1.通过本次课程设计,我最大的障碍在控制电路的设计上,通过查阅大量图书,并在老师的启发下才有了初步进展,本次课设让我经历了一次发现问题,解决问题的具体过程,这是我今后学习研究的良好开始,为以后的设计做好铺垫,打好基础
2.我深刻得理解了理论与实践的差异,实践远比理论要难得多,只有经过大量的试验才能得要预期的结果
3.单单利用课堂上学到的知识来完成课程设计是远远不够的,因为设计是一个系统化的,多元化的,所以我们必须查找大量资料来完成设计当然,在查阅资料过程中,我们必须得用心学习,提取精华,掌握原理,并结合设计要求来确定可行方案进而完成设计总之,本次课程设计,我体会到,遇到困难不可怕,总能找到突破口,最终解决问题;不管什么时候自己的知识总是有局限性的,我要一直抱有不断求知的态度去学习,戒骄戒躁,必将有所收获!____
[1]阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京高等教育出版社.2006
[2]中国集成电路大全编委会.中国集成电路大全—TTL集成电路[M].北京国防工业出版社.1985 567-600
[3]房建东荀延龙王艳荣等.电子技术[M].呼和浩特内蒙古大学出版社.2004
[4]任维政、苏福根、__志编著,电子电路实践,北京.科学出版社,2008年出版
[5]何道清、张禾编著.传感器与传感器技术,.第二版.北京科学出版社,2008出版
[6]林涛主编、楚岩、田莉娟、林薇编著,数字电子技术基础,北京.清华大学出版社,2006年出版
[7]林涛主编、黄知超、李娇军、王德嘉著,模拟电子技术基础,重庆大学出版社,2003年出版设计所需仪器设备及元器件清单序号名称型号及使用参数数量备注可调直流稳压电源DI__-DG1台数字万用表DT-830B3块实验板2块计数器74LS1601片TTL二输入与非门74LS082个555定时器NE5551片电阻10kΩ/
0.125W若干电阻100kΩ/
0.125W若干电阻150kΩ/
0.125W若干电阻1kΩ/
0.125W若干电阻150Ω/
0.125W若干电解电容10μF/25-60V若干电解电容47μF/25-60V若干电容0.01μF/25-60V若干扬声器8Ω/
0.5W1个发光管(高亮LED)5mm红/绿若干运放LM3243个附录元件说明
(一)LM324是常用的双极型放大器四运放,其管脚如图a所示,它在一个14脚芯片里封装了四个放大器,没有引出调零端它的特点是单电源工作,输入和输出都可以接近到地点位其具体性能指标如下输入失调电压典型为3mV,最大7mV输入失调电压温漂最大7uV/℃输入偏置电流典型45nA,最大150nA输入阻抗典型2MΩ,最小
0.3MΩ共模输入电压0—Vcc—
1.5V共模抑制比80dB转换速率
0.3V/us稳定时间
0.5us电源电压范围3—32V,可双电源供电电源电流四个运放典型值
1.4__,最大图a值3__LM324实际由三个系列产品组成,即LM
324、LM224和LM124在民用电子产品中获得大量的应用
(二)555定时器555定时器功能表RdT状态0XX0导通10导通1不变不变11截止本设计中555定时器主要用来设计__电路主要有由555构成的单稳态触发器和多谐振荡器555构成的单稳态触发器图b为由555定时器构成的单稳态触发器,其工作原理如下接通电源瞬间,uc=0V输出u0=1放电三极管T截止Ucc通过R给C充电当uc上升到2Ucc/3时,比较器C1输出变为低电平,此时基本RS触发器置0,输出u0=0同时,放电三极管T导通,电容C放电,电路处于稳定,稳态时u1=1当输出负脉冲时,触发器发生翻转,是u0=1,电路进入暂稳态由于u0=1三极管T截止,电源Ucc可通过R给C充电,当电容C充电至uc=2UCC/3时,电路又发生翻转,输出u0=0,T导通,电容C放电,电路自动恢复至稳态可见,暂稳态时间由RC电路参数决定若护绿T的饱和压降,则电容C上电压从0上升到2Ucc/3的时间,即输出脉冲宽度tw为;Tw=RCln3=
1.1RC这种单稳态电路工作波形如图c所示图b图c当输出__由高电平变为低电平时,555内部的放电三极管T导通,电容C通过T放电,由于T饱和导通时电阻很小,因此电容电压迅速减小为0V,电路恢复到稳定状态,为下次触发做好准备在图
7.29电路中,它要求触发器脉冲宽度小于tw并且输入u1的周期大于tw.如果输入脉冲宽度大于tw可在输入端接一个RC微分电路,使输入负脉冲经RC微分变窄后再接到单稳态触发器上通常R取值在几百欧姆到几兆欧姆,电容取值在几百皮法到几百微法因此,电路产生的脉冲宽度从几微秒到数分钟,精度可达
0.1%学校代码10128学号201110204017三运放放大电路低通滤波器输入控制温度超限声光__装置温度传感器计数并显示反应次装置数温度控制装置电压比较器温度传感器三运放放大电路滤波器比较器声光__555单限比较器温度设定。