一、調溫系統(tǒng)電路設計
1. 電流變換電路設計
1.1電流變換電路總原理圖：
電流轉換電路原理：
A1運放采用差動輸入，其轉換電壓用電阻R1兩端接電流環(huán)兩端，阻
這樣輸入電流4mA 對應電壓為2V。阻值用500 歐姆。可有兩只1K 電阻并聯(lián)實現(xiàn)，輸入電流20mA對應電壓10V。A1設計增益為1,對應輸出電壓為-2V~-10V.故要求電阻R2,R3,R4 和R5+RW阻值相等。選R2=R3=R4=10K,選R5=9.1K,RW1=2K,RW1用于調整電阻元件不對稱造成的誤差，使輸出電壓對應在-2V~-10V,變化范圍8V.而最終電壓輸出應為-10V~10V.變化范圍是20 V。故要求A2 級增益為2.5倍。此時要求A2 輸出為0V,又輸出電流為12mA時A1輸出電壓為-6V,反相輸入端加入一個+6V 的直流電壓，增益為運放采用反向加法器，增益為2.5倍R6=R7= 10K,R9=22K,RW2=5K,R8=R6ll R7 Il R9=4K.取標稱 值R8=3.9K。反相加法器引入電壓6V,通過穩(wěn)壓管經(jīng)電阻分壓取得，穩(wěn)壓管可選電壓管介于6~8V 間的系列，取6.2V.工作電流定在5mA 左右。電位器電流控制在1~2 mAIrw3=6.2/2=3.1,R10=12V-V2/I2+IRW3=0.71K.取標稱值R10=680歐姆，式中12V為電路工作電壓。RW2 用于設置改變增益或變換得斜率(4毫安對應-10V,20 毫安對應+20V)調整RW2 使變換電路輸出改變滿足設計要求。:
1.2電流變換電路各個組成電路：
設計流程框圖
（1）輸入電路
第一級增益為1的差動輸入電路，第二級增益為2.5的電路。
由于要把4mA~20mA 的電流轉換成電壓，所以要提供電流源。可以用制作的直流源與一電位器串聯(lián)，通過調節(jié)電位器從而達到所需的電流。所I=U. R,當I=4mA 時，R=U I=12V,4mA=3000Q2; 當I=20mA 時R=12V /20mA=600Q.以只要調節(jié)電位器的阻值在6002*~30002 之間就可以達到電流4mA~20mA。選擇電位器R7為10K的電位器,R1=500Q 可由二只1KQ 電阻并聯(lián)實現(xiàn)。這樣輸入電流4mA對應電壓2V,輸入電流20mA 對應電壓10V。Ai 設計增益為1,對應輸出電壓為-2V~-10V.第二級的計算:因為第一級電壓變化范圍為-2- (-10) =8V.而最終輸出應為-10V~+10V,變化范圍10V(-10V)=20V,故A2 級增益為20V/8V=2.5 倍，又輸入電流為]12mA 時，Ai輸出電壓為-12mAx0.5mA=6V.此時要求A2輸出為OV。故在A2反相輸入端加入一個+6V 的直流電壓，使A2輸出為0。A2運放采用反相加法器，增益為2.5倍。取R3=10K,R4=10K,R6=25K(可以用100K的電位器進行調節(jié)，所以選擇100K 的電位器反相加法器引入電壓為6V,可以用一電位器與12V 的電源串聯(lián)分壓，從而達到所需的6V.Rs=R6 /R3/ /R4=10KQ。
（2）電源變壓器
電源變壓器是一種軟磁電磁元件，功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。
（3）整流電路
橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向導電性，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連,負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。
( 4 )濾波電路
濾波電容容量較大，一般采用電解電容器。
電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。
濾波電路輸出電壓波形如下:
( 5 )穩(wěn)壓電路
我們知道，三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準電E電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成。調成管決定輸出電壓值。我們選用7812 和7912 的三端穩(wěn)壓管。
2. 加熱電路設計
針對不同的加熱方式及加熱結構，在加熱模塊上采取適當?shù)姆绞綄訜犭娐穼嵤┲悄芸刂疲辜訜嵩纯梢宰詣痈鶕?jù)環(huán)境條件的不同對被加熱元器件進行加
熱啟動或加熱終止。當元器件溫度低于規(guī)定的啟動溫度時，加熱電路開關閉合，對元器件實施加熱，當加熱到預定的溫度后，傳感器發(fā)出信號，觸發(fā)相應電路開關切斷加熱電源，終止加熱。當元器件溫度低于規(guī)定的啟動溫度時，控制電路開關處于閉合狀態(tài)，外部直流供電電壓直接為電阻加熱膜供電,待加熱元器件表面溫度逐漸升高，溫度傳感器將感知到的溫度信號轉化為電壓信號，與控制電路部分的比較器設置的基準電壓進行比較此較器設定啟動溫度對應的電壓為基準電壓)。當溫度傳感器感知到的溫度值高于啟動溫度時，感應電壓大于基準電壓，比較器發(fā)出控制信號，光電耦合器觸發(fā)控制電路開關斷開，電阻加熱膜停止供電,待加熱元器件表面溫度逐漸降低，當溫度傳感器感知到的溫度值低于啟動溫度時，感應電壓小于基準電壓，比較器發(fā)出控制信號，光電耦合器觸發(fā)控制電路開關閉合,電阻加熱膜重新開始為元器件表面加熱。如此往復，實現(xiàn)低溫加熱電路的智能控制。一般情況下，給器件設定的啟動溫度往往要大于器件的最低啟動溫度，以提高器件的可靠性和壽命。根據(jù)工程實際經(jīng)驗，考慮到溫度繼電器啟動溫度的誤差等相關因素的影響，建議設定的溫度繼電器啟動溫度大于器件的啟動溫度5 C~ 10 C。
3. 感溫電阻器設計
熱敏電阻器是電阻值對溫度極為敏感的一種電阻器，也叫半導體熱敏電阻器。它可由單晶、多晶以及玻璃、塑料等半導體材料制成。這種電阻器具有一系列特殊的電性能，最基本的特性是其阻值隨溫度的變化有極為顯著的變化，以及伏安曲線呈非線性。電阻值隨溫度變化而變化的敏感元件。在工作溫度范圍內,電阻值隨溫度上升而增加的是正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器;電阻值隨溫度上升而減小的是負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電電阻器阻器。圖中為四種常見的熱敏電阻器的電阻-溫度特性曲線。曲線 1是金屬熱敏電阻器。它的電阻值隨溫度上升而線性增加,電阻溫度系數(shù)為+0.004K-1左右。曲線2是普通負溫度系數(shù)熱敏電阻器。它的電阻值隨溫度上升而呈指數(shù)減小，室溫下的電阻溫度系數(shù)為-0.02K-1~-0.06K-1。曲線3是臨界熱敏電阻器(CTR)。它的電阻值在某一特定溫度附近隨溫度上升而急劇減小，變化量達到2~4個數(shù)量級。曲線4A和4B是鈦酸鋇系正溫度系數(shù)熱敏電阻器。前者為緩變型，室溫下的電阻溫度系數(shù)在+0.03~+0.08K-1之間;后者為開關型，在某一較小溫度區(qū)間，電阻值急增幾個數(shù)量級，電阻溫度系數(shù)可達+0.10~+0.60K-1。
4. 溫度傳感器和放大電路的設計
極電壓是由RB1和RB2 分壓取得的，所以稱為分壓偏置。發(fā)射極中增加電阻RE和電容CE，CE 稱交流旁路電容，對交流是短路的; RE 則有直流負反饋作用。所謂反饋是 指把輸出的變化通過某種方式送到輸入端，作為輸入的一部分。如果送回部分和原來的輸入部分是相減的，就是負反饋。圖中基極真正的輸入電壓是RB2 上電壓和RE 上電壓的差值，所以是負反饋。由于采取了上面兩個措施，使電路工作穩(wěn)定性能提高。
放大電路
5. 比較電路的設計
比較器是通過比較兩個輸入端的電流或電壓的大小，在輸出端輸出不同電壓結果的電子元件。比較器常被用于模數(shù)轉換電路中。電路只有一個閾值電壓，輸入電壓增大或減小過程中，當經(jīng)過時，輸出電壓會產(chǎn)生跳變，由高電平變成低電平或者由低電平變成高電平。電路有兩個閾值電壓，當有小變大過程中，對應的會有一個閾值電壓，其電壓數(shù)值不等于輸入電壓有大變小過程中對應得閾值電壓，電路具有滯回特性。其與一般單限比較器的區(qū)別在于當輸入電壓單向變化時，輸出電壓只跳變一次。電路具有兩個閾值電壓，當輸入電壓從小到大或從大到小變化時，電路的輸出電壓跳變兩次。綜上所述：一般單限比較器雖然靈敏，但是沒有較強的抗干擾能力。當輸入電壓在它的閾值電壓附近時，任何微小的電壓變化都會引起它的跳變。而窗口比較器也會受到干擾，因此，為了防止出現(xiàn)局部溫度過高或者過低而引起的電路持續(xù)加熱或不加熱的額情況，我們選擇滯回比較器。當為高電平時，且高電平電壓高出時，輸出為為低電平，且在此過程中，的電壓只跳變一次；同理當為低電平時，且低電平電壓低于時，輸出為高電平，且在此期間，只跳變一次。因此滯回比較器能夠抗干擾。
二、各元器件參數(shù)值的原理及計算結果
副邊電壓U2結果：U2+=14.9V U2-=-15V;
濾波輸出電壓，結果：Uo+=17.8V Uo-=-17.9V;
穩(wěn)壓管輸入電壓，結果：Uo+=17.8V Uo-=-17.9V
穩(wěn)壓管輸出電壓，結果：Uo+=11.8V Uo-=-11.9V
理論值：
變壓器的副邊電壓： U2+=+15V U2-=-15V
濾波輸出電壓： Uo+=+18V Uo-=-18V
穩(wěn)壓輸入電壓： Uo+=+18V Uo-=-18V
穩(wěn)壓后輸出電壓： Uo+=+12V Uo-=-12V
變壓器副邊： η1=|14.9-15|/15×100%=0.667%
濾波輸出（穩(wěn)壓輸入）：η2＝|17.8-18|/18×100%=1.11%
η3＝|-17.9+18|/18×100%=0.56%
穩(wěn)壓電壓：
η4=|11.8-12|/12×100%=1.58%
η5=|-11.9+12|/12×100%=0.56%
根據(jù)變壓器鐵芯的截面積我們可以算出每幅電壓對應的匝數(shù)
=6
那么變壓器一二次側繞組的匝數(shù)分別等于
=×220=1320匝
=×19.8119匝
耦合系數(shù)K==0.09
放大電路我們使用電橋讀取鉑電阻的輸出信號TL431電路部分為供橋電壓產(chǎn)生電路,由于供橋電源的變化幾乎是一比一的反映到電橋電壓輸出,所以供橋電源的穩(wěn)定與否直接影響到溫度采樣的精度。當系統(tǒng)有一精度足夠的+10V電源時,TL431電路部分可以省略。電橋部分橋上臂電阻選22KΩ,右下臂電阻選100Ω,電橋輸出電壓為：
假設系統(tǒng)溫度變化范圍為0-120℃,則根據(jù)（1）式得電橋輸出電壓范圍約為：0-20mV。信號放大部分屬于 放 大 ,前面我們已經(jīng)知道電橋的輸出電壓為0-20 mV,而A/D轉換的輸進電壓為-5V-+5V,我們選用單極性輸進+3V,這樣可以確定放大器的增益為150倍（3V/20 Mv）。放大器的極數(shù)與單極放大器的帶寬增益有關,由于鐵塊控制系統(tǒng)中丈量速度不是主要的,也就是說帶寬題目不予考慮,假如我們選用帶寬增益積較大的芯片,則使用單極放大就足夠了。在這里我們選用差分式斬波穩(wěn)零高精度運算放大器ICL7650。一級放大接成雙端差分輸進,單端輸出形式。放大器接成T型反饋網(wǎng)絡,則放大器的放大倍數(shù)為：
在應用時,各元件阻值可按照上圖中選取,實際放大倍數(shù)應該根據(jù)系統(tǒng)需要通過微調Rv2得到。A/D轉換芯片選擇首先取決于控制系統(tǒng)對分辨率的要求,在本系統(tǒng)中要求達到控制溫度范圍為20~100攝氏度,控制精度為0.25攝氏度,則分辨率為：100/0.25=400。
三、電氣原理圖
四、說明書
使用方法和注意事項：在使用調溫系統(tǒng)時，用滑動變阻器近似代替熱敏電阻來調控溫度變化，在熱敏電阻隨著溫度的下降而阻值升高的過程中，通過差分比例放大電路的兩個輸入電壓會產(chǎn)生電位差并對這個電壓進行放大，放大倍數(shù)約為十倍左右，此電壓為負的，通過滯回比較電路，由于此電位差小于閾值電壓，從比較電路輸出的電壓為正的，從而使紅色的LED燈正向導通，紅色的LED燈發(fā)光，同時電磁繼電器導通，開關閉合。在熱敏電阻隨著溫度的上升而阻值下降過程中，通過差分比例放大電路的兩個輸入電壓會產(chǎn)生電位差并對這個電壓進行放大，此時電壓為正的，通過滯回比較電路，由于電壓大于閾值電壓，從比較電路中輸出的電壓為負的，從而使綠色的LED燈正向導通，綠的LED燈發(fā)光，電磁繼電器不導通。
使用范圍：加熱溫度0~800度范圍
設計總結：（要重點寫出在專業(yè)意識、職業(yè)技術技能、思想素質等方面的提高）
在進行此次課程設計的時候，我覺得調溫系統(tǒng)很貼近生活，比如浴室里用的熱水調節(jié)器或冰箱就會利用到調溫系統(tǒng)。在進行課程設計之前，我學的都是專業(yè)基礎知識，并沒有上升到實踐設計。這次課程設計給我一個很好的機會去鍛煉學習。比如在設計電流變換電路時，應用MATLAB進行設計整流濾波電路時，在最后仿真計算中出現(xiàn)了問題。經(jīng)過幾番檢查歸算，檢查處理了電容數(shù)值問題，在經(jīng)過這次仿真調溫系統(tǒng)，我可以對參數(shù)進行任意設置，去觀察他的變化特點。非常方便有趣。
在這次課設中我雖然遇到了很多困難，但經(jīng)過請教同學和查閱資料終于克服。我感到我對電力電子對生活中的應用又有了新的理解與進步。對今后無論是學習電氣相關課程和設計中都有很大的幫助。
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