电子工程设计报告-实现温度测量控制系统

'北京工业大学电子工程设计报告学院专业姓名学号指导教师 日期年月日摘要本次课程的目的是实现温度测量控制系统，而主要由我们制作的有三个模块：稳压电源模块，变送器模块以及功率放大器模块。通过自己设计电路图，仿真，了解各个电路的电路原理，然后根据仿真出的电路进行焊接，最终在整体的系统中测量各个模块的功能，得到相应的实验数据。本次课程锻炼了我们的系统综合应用能力、电路设计能力以及焊接能力等。使得我们在全方面都有了很大的提升。关键字：线性稳压电源变送电路功率放大电路 AbstractThis courseisdesignedto realizethe temperaturemeasurementandcontrolsystem, and mainly madebyushasthreemodules: powersupply module, transmittermoduleandpower amplifiermodule. Throughtheirowncircuitdesign, simulation, circuit principleofeach circuit,andthen accordingtothewelding circuit simulation, thefinal measurement modulein thewhole systemfunction,obtained thecorrespondingexperimentaldata. Thecourse exercise comprehensiveapplicationability, systemcircuitdesign ourability andwelding ability. Sothatwe allhaveagreatdealof ascension. Keywords: linearregulatedpower、transmissioncircuit、poweramplifiercircuit目录第一章温度测量控制总体概述5一、课题背景5二、总体概述：5第二章稳压电源的设计与实现6一、实验目的6二、元器件选择三、原理图9四、AltiumDesigner中的PCB图9五、焊接电路板10六、误差分析11七、材料清单11 八、调试分析及出现的问题12第三章放大电路的设计与实现12一、实验目的12二、实验原理12三、原理图及仿真13四、元器件选择14五、数据分析14六、AltiumDesigner绘制PCB图15七、实际焊接电路板15第四章功率放大电路的总体概述16一、实验目的16二、实验原理16三、原理图与仿真16四、元器件选择17五、数据分析17六、Protel绘制PCB图18七、实际焊接电路板19八、材料清单20九、调试分析及出现的问题20第五章体会感想20 第一章温度测量控制总体概述一、课题背景随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演了一个越来越重要的角色。因此，对温度采集控制系统的设计与研究就具有十分重要的意义。现代化生产对温度采集的精度、实时性和采集效率等都有很高的要求，而且有许多测温现场环境恶劣，对操作人员现场采集十分不利，这就需要使用一种能够自动采集、处理和传送数据的测温仪器。同时，为了方便安装和维护，这类仪器需要具备长期自动稳定工作的能力。因此，开发低功耗的温度采集系统，对这些应用领域的温度数据进行测量是非常必要的。在科研实验、大棚蔬菜种植、各种动物养殖及卫生医疗等场合经常要用到温度采集系统；以及火灾自动报警控制系统、电话室温采集系统等都有相关的应用。 一、总体概述：前向通道：由温度传感器，信号调理电路，A/D转换器组成。温度传感器将温度信号转化成电信号，电信号可能是电阻信号，电流信号等模拟信号，也可能是数字信号。如果是模拟信号则需转化成数字信号，进入微控制器进行数据采集。后向通道：由D/A转换器，驱动器，执行机构组成。微控制器将温度测量值和给定值产生的偏差通过D/A转换电路换成正负电压值，再通过驱动电路进行功率放大，再通过执行机构进行加温和制冷，形成温度闭环控制系统，实现温度的控制。显示电路：使用数码管或液晶作为显示电路，通过微控制器借口对其进行驱动，实现温度的测量和显示。键盘电路：使用独立式键盘或行列式键盘，通过借口驱动，实现数字键或者功能键，通过键盘可实现温度值的设定，功能键完全确定，取消等功能。电源电路：为温度测量控制系统提供直流电源，5V电源，12V电源，-12V电源第二章稳压电源的设计与实现一、实验目的 交流供电9V和15V，实现线性稳压电源直流输出+5V电压和±12V电压。二、实验原理与分析（一）电路原理要实现线性稳压电源，就要分为两大部分，整流和滤波。整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。整流分为两大方式：半波整流和全波整流。桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、Rfz、D3通电回路，在Rfz上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2、Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。 输入端用一个全波整流桥把输入的交流电转换为有一定纹波的直流电。在该电路中要求减小纹波，而措施是接上大电容进行一定的滤波减少纹波。实验中我们用LM7805CT芯片提供正5V电压输出，LM7812CT芯片提供正12V电压输出，LM7912CT芯片提供负12V电压输出。（二）、元器件选择三端稳压器的输出端需要一个滤波电路对于三段稳压器的输出进行滤波，进一步减少纹波。数据方面则是三端稳压器能够产生需要的正负 12V电压，以及正5V电压即可。而三段稳压器的输入端的电容要用大电容，输出端接一个小电容，进行滤波即可。电压值/V15~15+9+5+12-12实际值/V29.59.85.312.4-11.5三、原理图图2.2线性电源原理图四、PCB图 图2.3线性电源PCB五、焊接电路板 图2.4线性电源电路板六、误差分析可能存在着焊接的管脚的接触问题，使得电路的性能与设计存在出入。因为板子是旧板子，所以可能出现焊盘掉了，焊点没焊上，或者两个焊点之间段路。同时电路中使用的导线存在线性电容、阻抗，同时两根导线之间存在寄生电容，导线本身还存在着一些其他的误差因素使得电路的性能与设计存在出入。另外使用的元器件本身也存在误差。最好每一个元器件使用前均进行测量。在焊接时，需要注意各个元器件焊接是否正确，每个管脚之间的连接是否和仿真好的电路图一样。元器件是否焊反等问题。另外针对本次实验所使用的板，特别需要注意有一些地方存在暗线，一定要看清楚再进行焊接。七、材料清单名称数量/个220uF/50V电容3470uF/50V电容3整流桥2保险管3保险管座3 LM7805CT1LM7812CT1LM7912CT1长插针（13X2）2八、调试分析及出现的问题由于本次是焊好电源模块插在大的单片机系统上，因此一定要分清正负左右，避免由于插反了导致烧板子甚至烧掉其他的板子。另外左右各位13X2的插针，插针的排布一定要看对，在训练指导书后边有对应的管教排布。调试时有一次就是因为排布没看对导致没有输出，经过自己检查后发现了这个问题，因此一定要注意。第一章放大电路的设计与实现一、实验目的 将传感器输出的信号转变成采集电路所需要的信号，温度变送器的输出电压为0~5V（对应的温度为0°C~100°C）一、实验原理本模块的前端为温度传感器AD590，AD590输出的为电流信号，0°时对应的为0.273mA，100°时对应的为0.373mA。而本模块后端的采集电路所需要的为电压信号，0°时对应的电压为0V，100°时对应的电压为5V。因此本模块所需要做的分别为电流信号转变为电压信号、信号的放大与调零。首先进入模块的电流信号通过一个电阻使其变成电压信号。之后连续通过2个反向比例放大器，分别使信号放大10倍和5倍，并且在第二个反向比例放大器的正极进行调零。反向比例放大器的负极接入信号，正极接基准电压。第一级放大器接入前的电阻为1K，因此对应的电压值变为了0.273V~0.373V。第一级反向比例放大器放大10倍，因此输出信号为-2.73V~-3.73V。第二级放大器放大倍数为5倍，正极接电位器，左右端分别接入正负12V，通过调节电位器使得基准电压为-2.73V，这样相对的输入就变成了0V~-1V，通过反向比例放大器放大5倍后，变成0~5V。 一、原理图及仿真图3.1电流273mA时的电压图3.2电流373mA时的电压二、元器件选择首先考虑到只使用两个反向比例放大器，并且通过放大器的只是直流信号，因此权衡考虑选择了LM358放大器进行放大。R1为1K是为了将电流信号转换为电压信号，为mV级。R2的选择是为了与R1 形成10倍以上的关系，因为二者是并联关系，通过10倍关系减小干扰。电阻R3的目是保护运放。R4，R5的选择是为了将12V电压分压倒-2.73V，R6、R7的作用是让第二级的反向比例放大器放大5倍，最终输出为0~5V。一、数据分析温度/度020406080方针电压/V01234电压/V0.020.961.972.944.05由于硬件电路上的误差，肯定会使最后的数据不准，仿真图与实物之间也存在差异。测量时，温度在35-75度时电压值还是比较准确，在温度较低和较高时都会出现更大的误差。二、AltiumDesigner绘制PCB图 图3.4变送器电路PCB 一、实际焊接电路图3.5变送器电路电路板 八、材料清单名称数量/个0.25W1K电阻20.25W5K电阻10.25W10K电阻25K滑变1LM3581长插针13X22第四章、功率放大电路的总体概述一、实验目的驱动电压为-9V~+9V,驱动电流最大为3A,随着输出负电压的增加,制冷量增加,随着输出正电压的增加,制热量增加,从而以控制输出电压,达到控制温度的目的，本实验就是将mA级的电流放大到1A。二、实验原理此实验利用乙类放大OCL电路进行功率的放大。乙类放大电路管耗小，有利于提高效率，但是存在严重的失真，使得输入信号的半个波形被消掉。因此当信号为负时，上边管子截止，下边导通，为正时，上边导通，下边截止，从而实现了完整波形的输出，因此称之为互补电路。由于此次实验是将整的信号变化到负信号，可以实现此功能。 一、原理图与仿真图4.1功率放大电路仿真图1当输入为+时，从mA变为1.654A图4.2功率放大电路仿真图2当输入为-时，从mA变为-1.335A二、元器件选择 此次实验选用了乙类放大OCL电路，为实现互补前一级小功率放大为2N3904，2N3906这对三极管，后一级大功率放大为E3055T，E2955T这对三极管。一、数据分析经实际测量得到电流变化范围是-1.32A——+1.56A。从而驱动加热制冷。二、Protel绘制PCB图 图4.3功率放大电路PCB图一、实际焊接电路板 图4.4功率放大电路电路板一、材料清单名称数量/个0.25W100K电阻21K滑变1 2N390412N39061E3055T1E2955T1一、调试分析及出现的问题调试过程中最关键的就是限流电阻R2的调节，通过调节它来调节最后放大的电流大小。由于调试过程中将R2的大小设的太高，导致电流全部流向输出，电流大小超过1.8A，将电路中的三极管烧坏，致使我们又重新更换三极管，减小R2大小，重新测量。第5章、体会感想Xxx1：本次电子工程设计实验课让我学到了很多有用的知识，但是这门课更注重的是实践，无论是在电脑上的仿真、对于电路的PCB绘制以及在实验台上焊接电路板，都对我是一个不小的考验。在制作三块电路板的过程中，我虽然有过多次失败，但是最终都通过细心排查解决了问题。在制作过程中我需要考虑模块与模块间连接的问题，并不能保证上一端输入的信号为理想值，从而做出相应的调整。并且通过这次电子工程设计课我也了解到，就算 电脑的电路仿真软件仿真出完美波形，实际上在制作完成后也可能使用不了。因为这其中有各种各样出现误差的情况，包括电路板的干扰，导线的干扰，静电的干扰，焊锡点堆起来的焊锡包的干扰，每个元器件自带的误差，由于摆放原因从而引起的其他的误差。室内的温度湿度等，均会对测量结果有一定的影响。而且焊接电路板和编程不一样，如果电路板出错甚至不知道从何查起，需要彻底了解电路的原理，根据不同的出错情况作出不同的排错方案。只有这样坚持下去，最终才能成功做出电路板。通过这次电子工程设计课，我认为最重要的不是学到知识，而是是学到了一种严谨的学习方法以及学习态度。从系统设计，仿真制作到最后检查问题，哪一个环节都磨练着我的耐心，只有克服了这一环环的问题，最后才能成功。Xxx2：电子工程设计训练课就想我们大二时上过的电子技术实验一样，对动手能力要求较高，不仅仅是要告诉我们一种知识，更要我们在了解了理论的基础上自己动手将其验证。张老师在教会我们使用一些必要的软件，如AltiumDesigner，以及一些相应的原理图之后，告诉了我们一些注意事项及需要用到的知识范围，剩下的就都是我们要靠我们去设计和调试了，比如查阅书籍、下载芯片的数据手册等。 在这门课上，我们再一次成为了真正的主体，相信以此我们将理论应用到现实上的能力会大大增强。我们先是根据实验的要求，结合自己所学的内容，设计出所需要的电路；电路图经过老师认证后，就要去器材室找自己电路所涉及的器件，器件的型号及参数很重要，而这些都是决定试验成功的关键；经过这一系列的准备工作后，就要开始真正进行焊板了，这是真正考验耐心和动手能力了，看到有的组因为不小心将手烫伤就始终万加小心，结果也确实完好无损。最后进行的就是调试，在稳压电源和变送器模块的调试过程中，我们的调试很成功。可是在做附加题目驱动器模块的时候出了问题，而且相当棘手。我们先是对照着电路图检查接线，肯定没问题后又怀疑是焊接的问题，仔仔细细得把所有可能出错的地方都查了一遍，可是调试的时候还是不成功，而且坏了5个保险丝。无奈之下，只能更改电路细节，然后再次去找老师讨论。没想到问题出在我们领的芯片上，在将其中一片3055更换为2955后，电路终于按照设计要求输出电压。实验结束后，我们觉得这门课真的很考验综合能力，不仅要求我们具有专业知识和动手能力的同时，查阅准确资料以及发现问题和解决问题的能力也不能太弱。还要考验两个人的默契及合作能力，是真正考验全面能力的一门学科。'