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1、中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书11.1.设计目的、意义设计目的、意义现代都市生活使更多人需要得到精神的安慰，饲养宠物已经成为一股经久不息的潮流。然而现在由于禽流感和狂犬病的泛滥，关于动物之类的新型病也传的沸沸扬扬，层出不穷，这样使得人们常常饲养的鸟类和猫狗的生存与人类的安全冲突不断。在这样的新的形势下，饲养几条热带鱼有可能将成为最新的趋势。现在市场上的热带鱼价格也挺高的，感觉比较娇贵，因此人们在饲养的过程中往往十分细致，特别是鱼儿的生存环境是人们最值得关注的一部分，因而鱼缸的选择至关重要。随着现代科技术日新月异的发展，特别是自动控制系统的发展，给人
2、们带来了很多新的想法，自动控制的智能鱼缸便应运而生了，而且市场前景非常令人期待。鱼缸是养鱼的必备用具，有了科技的发展，具有各种附加功能的新型鱼缸也在市场上层出不穷。有的鱼缸可以对缸内的水温进行调节，有的鱼缸可以通过喷氧来改善水质，还有装备定时喂食装置的鱼缸等等，并且逐渐迈向了智能化，自动化，使得这些鱼缸都具有一定的科技含量，为喂养热带鱼提供了方便。热带鱼一般生活在2425的水温中，冬天往往要使用加热器加热，但是一般加热时候很难准确控制水温。为此设计了一个简单的鱼缸水温自动控制器，以达到水温自动控制的目的。主要利用温度传感器来进行感温，将水温的物理信号通过传感器转换为电信号，并接入一个测试电路兼
3、控制电路，在特定条件下，通过加热来控制鱼缸内的水温，使鱼儿有一个稳定的生活环境。并用数字显示被测温度。数字式温度计不仅读数方便， 而且测量精确，得到广泛应用。2.2.设计内容设计内容2.1 总体设计方案简介系统的工作原理框图如图 2.1 所示，主要由 4 部分组成：传感器电路、控制电路、显示电路和加热电路。当水温低于设定温度时，加热器通电加热，水温逐渐升高；当水温达到或超过设定温度时，加热器断电停止加温；当水温略低于设定温度时，重新开始加温，使得水温保持在设定温度附近。同时输出温度值到显示模块以实现水温动态显示。此方案更多的在于电路的设计，合理的设计好各部分电路是设计成功的关键。中北大学中北大
4、学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书2控制电路传感器电路加热电路显示电路图 2.1 总体设计框图 1可以进一步细化为：如图 2.2 所示比较器模块温度传感器模块加热模块继电器模块放大器模块电源模块温度显示器模块图 2.2 总体设计框图 22.2 单元电路设计：电源模块本设计的电源电路采用固定集成稳压源电路输出12V 电压。稳压源电路如 图 2.3 所示。中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书3图 2.3 稳压源电路这是一个用集成稳压器输出的稳压源电路，LM7812 和 LM7912 是集成稳压器，分别控制输出12V 直流电压。电源
5、接 220V 交流电后经变压器后变为 18V 左右的交流电，再经桥式整流后滤波，此时的电压不稳定，经上述集成稳压器后就能得到较稳定的电压。温度传感器模块常温下 LM35 不需要额外的校准处理即可达到1/4的准确率。此设计采用单电源供电，在 25下的静默电流约 50，非常省电，并且无散热问题，精度非常高。A并且输入电压宽，从 4V 到 30V 都可以。所以本设计选用 LM35 温度传感器连转化温度。图 2.4 芯片 LM35 的接线图中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书4温度显示器模块这一模块主要应用芯片 ICL7136 检测温度传感器 LM35 的输出电
6、压变化，反映温度的变化情况。液晶显示屏 SP521PR 用于温度显示。应用液晶显示器的最大优点是省点，一块 9V 的层叠电池可以用 3 个月。原理图如图 2.5 所示图 2.5 芯片 I 应用 CL7136 检测温度的原理图但考虑到仿真时，无法应用芯片 ICL7136，所以利用 LM35 的特点：无需外围元件，也无需调试和较正（标定） ，只要外接一个 1V 的表头（如指针式或数字式的万用表） ，就成为一个测温仪如图 2.6 所示中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书5图 2.6 利用 LM35 制成的数字温度计放大器模块放大器和比较器均要用到运算放大器，本
7、设计采用 LM324 集成运放。LM324 是 4 个运算放大器的集成器件，这个设计中选择其中的两个使用。LM324 的接线图如图 2.7 所示图 2.7 LM324 的接线图 图 2.8 LM324 实物图放大器的原理：此设计用正相比例放大器，使输出时正电压，考虑到控制的温度是室温到 80 oC，所以取放大器的放大倍数为 10 倍（即温度缩小 10 倍）比较合适。正相比例放大器的原理图如图 2.9 所示图 2.9 正相比例放大器的原理图由运放的“虚短” “虚断”的性质有中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书6ioioiivRRvRvv Rvi）1221N
8、P1 (0 v v这里取 R =10K，则 R =90 K，因为电源电压为 12V，保持 10 倍放大，则设定12的电压值与温度的转换关系就为 10 倍，比较容易控制和调节。实际中取 R =90.9 2K。比较器模块 这里采用简单的单门限电压比较器，使用的运算放大器为 LM324 中的一个。电路图如图 2.10 所示中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书7图 2.10 电压比较器电路图图 2.10 中 1 接放大器的输出电压作为比较器的输入电压，3 接输出电压。此时放大器工作在非线性状态，输出电压只有正或负两种饱和值。这种情况下运算放大器的输入端“虚短”不
9、再适用。当时，=12V，当时，=。这种NPv vovNPvv ovV12情况下，运算放大器的“虚短”仍然可用，则有114PNi vvvvv所以可以通过调节滑动变阻器来控制的值。11v图中增加 R =5 K的电阻，是为了控制的最大值不超过 2.5V，即设定的温度911v值不超过 80 oC。25.5oC 当滑动变阻器的接入电阻为 0 时，12VRRRv933 11热带鱼一般生活在 2425调节滑动变阻器，取=1.2K，R =5 K 即可达3R9到要求。继电器模块继电器是可以低压控制高压的器件，其内部构造及工作原理如图 11 所示图 2.11 继电器内部构造及工作原理如图当低压电源端开关接通后电磁
10、铁由于电流产生磁性，吸住磁铁使高压电源的开关接通，实现了低压控制高压。中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书8本设计中要解决的问题是怎样在电路中实现低压电源端的开关自动打开和闭合。考虑到比较器的输出电压为正或负的 12V，就可想到二极管的单向导电性。因此可以用二极管来代替自动开关的作用。使用发光二极管能够看到电路的通断。继电器模块的电路图如图 2.12 所示：图 2.12 继电器模块的电路图图中 Port 端接比较器模块的输出电压作为此电路的输入电压，当输入电压为+12V时，发光二极管导通，当输入电压为时，发光二极管截止。接入三极管的目的V12是放大电流信
11、号，使继电器能正常工作。由于发光二极管的导通电流与三极管的基极电流不匹配（发光二极管的导通电流大一些） ，故需要在发光二极管的负极接一个电阻，与基极电阻并联，这样流入基极的电流就变小，使三极管能正常工作。一般取 R =10K6，实际的发光二极管正向导通时有 2V 的压降，所以发光二极管正向导通时负极的电位约为 10V，流过的电流约为 6mA。三极管的基极电流为量级，所以与基极并联电A阻 R =2 K即可。1继电器选取的是额定电压为 12V 的常开型型号。即在无电流通过继电器时，继电器高压端开关打开，加热电路不工作，当有一定的电流通过时，继电器产生磁性使高压端开关闭合。普通二极管的作用是保护继电
12、器不因电流反流时烧坏。中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书9加热模块加热电阻是很简单的加热器串联电路，加热电路中串联保险丝防止电流过大产生危险。电路图如图 13 所示图 2.13 加热电路电路图Port 端接 220V 市电即可。继电器电路自动控制开关的闭合。2.3 总电路图如图 2.14 所示图 2.14 总电路图中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书102.4 电路仿真仿真电路如图 2.15 所示（不包括温度传感器和继电器模块）图 2.15 仿真电路图2.5 仿真结果如图 2.16 所示中北大学中北大学 2008
13、2008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书11图 2.16 仿真结果图3.3.结果分析结果分析通过仿真数据参数还存在一些问题设计初稿中的元器件大多是通过参考书和网上的资料定下来的，可是到了multisim仿真软件里，很多元器件都没有仿真模型，只能折中选用仿真模型里有的检查电路。还而且发现LM324的外接电源使用的是正负5V，这样也许是因为Vi经过5倍的放大后超出了5V的范围，于是把LM324的外接电源改为正负12V。仿真运行时Vo依然是5V！由此可见外接电源的值不是所有的问题。接下来试着把原先使用的POWER型电源改为DC直流电源，仿真结果显示放大电路整体放大5倍。终于找到了症结所在。
14、4.4.设计总结设计总结这个设计结构简单，设计中用到了 LM35 和 LM324 集成块，主要运用了模拟电子技术基础中的放大器和比较器的知识，耗材小，省电，安全。基本都能达到预想的目标。这个电路也存在改进的地方。本设计没有结合单片机的自动调节，还有在设定温度时需要用万用表测量电压，如果有数码管的话就可以直接显示所调电压（即温度）的值，那样的话会更方便。中北大学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书125 5 设计心得设计心得通过一个多星期的课程设计，从选题到查资料，从完善原理图到写报告文档，让我明白了课程设计是名副其实的综合性训练，不仅要运用学过的数字电路、模拟电
15、路以及电子技术实验等知识，还要学会查阅各种图书资料和工具书，并将新知识和所学的结合起来为自己所用。进一步熟练了 multisim 仿真软件的使用，最重要的是通过这次课程设计我深深体会到能把所学的知识运用到实践中才是真正掌握。这次的课程设计我的时间分配有些仓促，我们学过的一些相关知识都有运用到电路中，刚开始觉得很难，相关的知识掌握得不到位，但随着设计的深入，发现所学的知识在我设计的电路中得到了很好的运用，在课程设计的同时，巩固和掌握了现学的知识，这才是设计的目的。同时加强了工程绘图的能力，也提高了动手能力。在设计中遇到一些困难和问题，在向老师请教和与同学的讨论中，解决了问题，觉得很有收获。中北大
16、学中北大学 20082008 届本科课程设计说明书届本科课程设计说明书136.6.参考文献参考文献1.傅劲松.电子制作实例集锦.福州：福建科学技术出版社，2006.2.张庆双. 实用电子电路 200 例. 机械工业出版社，20033.刘修文. 实用电子电路设计制作 300 例. 中国电力出版社，20054.赵家贵.传感器电路设计手册.北京：中国计量出版社 20025.何希才.实用传感器接口电路实例.北京：中国电力出版社 20076.陈有卿.实用 555 时基电路 300 例.北京：中国电力出版社 20057.沈锦飞.电源变换应用技术.北京：机械工业出版社.20078.常健生.检测与转换技术.北京:机械工业出版社.19979. 刘畅生.传感器简明手册及应用电路.西安:西安电子科技大学出版社.200610.于彤.传感器原理及应用.北京:机械工业出版社.200811.王煜东.传感器应用技术.西安:西安电子科技大学出版社.200612.杨帮文.新编传感器实用宝典.北京:机械工
