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1、黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 页音频锁相环精密温度控制计电路1 绪 论在工业生产中温度、压力，流量是四种最常见的过程变量。其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不准确就可能引起生产安全，产品质量等一系列问题。任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此实现对温度的控制是生产自动化的重要任务。随着社会工业化程度的提高，温度这个和我们每个人生活息息相关的词汇在工业、农业中发挥着越来越大的作用，各种工矿企业，科研机构，都要用到温度控制。例如：烟花爆竹工厂的仓库必须对温度的上限有严格的控制，炼钢厂的锅
2、炉温度等等，都需要对温度的变化进行严密的监测和控制。常见的温度控制系统，是先利用温度敏感元件，如热敏电阻，将温度的变化转换为热敏电阻本身阻抗的变化，继而引起其两端电压的变化，实现控制功能，虽其实现容易，但可靠性低，抗干扰能力差。本篇力求解决这一问题，设计思路是将温度变化转换为频率变化加以控制，其具体原理是先借助温度传感器-热敏电阻和NE555集成芯片组成多谐振荡器，即可把温度的变化转变为振荡器输出信号频率的变化，随着温度的渐渐升高，信号频率也随之慢慢改变，当达到设定温度时，频率也将确定。多谐振荡器后接由LM567音频译码芯片组成的锁相环路，在温度设定范围内，信号频率与锁相环路自身的振荡频率不一
3、致，该电路输出为高电平，后续控制电路不动作，指示电路只显示绿灯，表明目前温度正常；但当温度达到控制点，信号频率就会与锁相环路的振荡频率相一致，该电路将输出低电平，从而启动后接控制器，接通报警电路，同时指示电路将点亮红灯给予人们提醒。该电路设计简单，实现容易，可靠性好，实用价值高。在下面的章节里我们将具体分体其工作原理。2 温度控制系统简介在电子电路控制系统中，要实现温度的控制，首先要把温度的变化量转换为电量变化，才能加以分析处理和加以控制。本篇也不例外，取用的温度敏感元件是具有灵敏度高，体积小，热惯性小的热敏电阻，它能把温度的变化反映为其本身阻值的变化，从而就能引起电量的变化。由于我们要处理的
4、电量为信号频率，那么我们就需要一个波形产生电路-多谐振荡器，它的振荡频率由其外接电阻和电容控制，其两个中任何一个元件参量的变化都将引起振荡器输出信号频率的改变，因此我们可以用热敏电阻代替振荡器的外接电阻，从而就能将温度的变化转为频率的变化。要实现对温度的控制，必然要有控制条件，本篇的控制条件则是对温度下限的控制，即当温度下降到某一设定值时，电路加以动作，此时的温度是确定值，那么热敏电阻阻值也是确定的，则振荡器输出频率也就确定了，显然我们现在要做的将是在信号达到这一频率时，电路采取措施。由此，我们就需要一个频率比较电路-译码电路，先将该译码电路的自身频率即参考频率加以设定，当控制信号频率与参考频
5、率不同时，译码电路输出高电平；当控制信号频率与参考频率相同时，译码电路输出低电平。利用输出的高低电平，将会很容易实现控制和指示，我们的设计思路也将由此展开。下面是温度控制系统总体框图，如图2.1所示:图2.1 温度控制系统总体框图各部分简介如下：直流电源部分：为系统各部分提供稳定，可靠的直流电源。它由变压，整流，滤波，稳压四个部分组成。温度/频率转换电路：由温度敏感元件及波形产生电路组成。利用正温度系数热敏电阻的特性-阻值随着温度的升高而增大，将温度的变化转变阻值的变化，阻值的变化引起频率的变化，从而把温度的改变转化为信号频率的改变。译码电路：当输入信号频率与参考频率不同时，译码电路输出高电平
6、，当信号频率与参考频率相同时，译码电路输出变为低电平。控制及指示电路：在允许温度范围内，电路以绿灯显示，当超出温度控制点时，电路以红灯显示，同时接通报警电路，给予提示。报警电路：产生音频信号，驱动扬声器，提醒人们温度已超出设置点。3 电源部分直流电源的组成框图如图3.1所示。其中包括四个组成部分。本文电源部分具体电路如图3.2所示。图3.1 直流电源的组成框图 图3.2 直流电源部分电路图3.1 电源变压器城市电网提供的一般为220V(或380V)/50HZ的正弦交流电，而本电路系统所需的是8V的直流电，因此要利用变压器将220V的市电先降至合适的交流电压，然后再将变换以后的变压器次级电压去整
7、流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。3.2 桥式整流桥式整流电路的作用是利用具有单向导电性的整流元件二极管，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向的脉动电压。但是，这种单向电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。桥式整流电路原理图如图3.3所示。图3.3 桥式整流原理图由图可知，在u2正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；u2负半周时，D2、D4导通，D1、D3截止。每两只二极管串联导通正弦电压的半个周期，而负载电阻在一个周期内均有电流通过，故两只二极管中流过的电流平均值为负载电流的一半，且流过负载电阻RL的电流方向是一致的，因而使输出电压的直流成分得到提
8、高，脉动成分得到降低。桥式整流电路的波形如图3.4所示:图3.4 桥式整流电路的波形图桥式整流电路的主要参数如表3.1所示：表3.1 桥式整流电路的主要参数（忽略变压器内阻和整流管压降）主要参数电路形式UO(AV)/ U2SID(AV)/ IO(AV)URM/ U2桥式整流0.9067501.41其中UO(AV)为输出直流电压平均值，S为脉动系数(整流输出电压的基波峰值与平均值之比)，ID(AV)为二极管正向平均电流，URM为二极管最大反向峰值电压。3.3 滤波电路滤波电路由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，显然，这里
9、需要利用截止频率低于整流输出电压基波频率的低通滤波电路。这时我们虽然得到了较平滑的直流电，但电压值还易受电网电压波动和负载变化的影响，这样的直流电源是不稳定的。如图2.2电容C1的作用是滤去电路中的低频成分，C2、C3的作用是用来防止自激振荡，减小高频噪声，改善负载的瞬态响应。3.4 稳压器稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。本篇选用固定正输出8V的三端集成稳压器W7808，它具有体积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低廉，只有三个引出端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需外接元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压保
10、护电路，使用更加方便、安全。它的封装为塑料直插式，如图3.5所示。 图3.5 三端集成稳压器的外形、引脚功能及电路符号W7808是一个三端集成稳压器，它的内部结构如下图3.6所示。图3.6 三端集成稳压压器的内部结构图由图可见，电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分，另外加上保护电路和启动电路。现对各部分的作用扼要介绍一下：调整管在电网电压或负载电流波动时，调整自身的集-射压降使输出电压基本保持不变；放大电路将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管的基极，放大倍数越大，稳定性越好；基准电压的稳定性将直接影响稳压电路输出电压的稳定性；采样电路由两个分压电阻
11、组成，它将输出电压变化量的一部分送到放大电路的输入端；启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流，而当稳压电路正常工作时启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能；保护电路将三种保护电路集成在芯片内部，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。W7808的主要性能参数如表3.2所示。表3.2 W7808的主要参数表 参数名称输入电压输出电压电 压调整率电流调整率（5mAIO1.5A）最小压差输出噪声输出电阻峰值电流符号UIUOSUSIUI-UOUNR0IOM单位VV%/VmVVVmA参数值1480.0145210182.24温度/频率转换部分4
12、.1 555集成芯片简介555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，在工业控制、定时、仿声、电子乐器用防盗报警等方面应用很广。它主要由三个5K电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器，一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其结构框图如图4.1所示。图4.1 555集成定时器电路结构图1、分压器三个阻值均为5k的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为比较器C1和C2提供参考电压，C1之同相输入端“+”：=2VCC/3、C2之反相输入端“-”：=VCC/3。如果在电压控制端CO(5脚)另加控制电压，则可改变C1、
13、C2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01F的电容接地，以旁路高频干扰。2、比较器C1、C2是两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别标有“”号和“-”号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+U-时其输出为高电平，U+U-时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。3、基本RS触发器由两个与非门组成，它的状态由两个比较器的输出控制，根据基本RS触发器的工作原理就可以决定触发器输出端的状态。是专门设置的可从外部进行置“0”的复位端，当=0时，使Q=0、=1。4、晶体管开关和输出缓冲器晶体管TD构成开关，其状态受Q端控制，当Q为“1
14、”时TD截止、为“0”时TD导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。它的功能如表4.1所示。表4.1 555集成定时器功能表引脚2（）6（TH）4（）3（）7（D）电平1低电平接通电平1保持原电平原状态电平*0低电平接通4.2 热敏电阻热敏电阻：热敏电阻的基本电气特性是它们随其温度变化而改变自身电阻。它们不整定，也不产生信号，热敏电阻温度会随周围温度或电流通过热敏电阻而导致的自热而改变。阻值随温度升高而变大的为正温度系数热敏电阻，简称PTC；阻值随温度升高而变小的称为负温度系数热敏电阻，简称NTC。 热敏电阻主要参数的定义为： 1、标称阻值：指在环境温度为25时电阻的阻值，单位为。2、耗散常数：温度每升高或降低1所耗散的功率，单位是W/。 3、温度系数：温度变化1度时电阻的相对变化量，单位是-1。4、时间常数：热敏电阻在无功耗状态下，环境温度从一个温度向另一个温度突然转变时电阻体温度变化了这两个特定温度之差的63.2%所用时间，单位为S。 本电路采用正温度系数的热敏电阻，它的型号为MZ11A-10K-5%，它的主要参数如表4.2所示:表4.2 热敏电阻的主要参数表参数名称标称电阻温度系数耗散常数时间常数测定功率额定功率环境温度允许偏差单位10-2/mw/smwW参数值10k2
