水温控制系统课程设计实例

目录

1 绪论.................................. 错误！未定义书签。

2 方案的论证及选择 (2)

3 单元电路的设计 (3)

3.1 信号采集和信号放大电路 (3)

3.2 信号预置电路和比较电路 (3)

3.3 报警电路 (3)

3.4 继电器控制电路 (3)

4 总电路图 (4)

5 电路的仿真及调试 (5)

6 总结与体会 (7)

7参考文献 (7)

附录 (8)

水温控制系统的设计

1 绪论

自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。

目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。

温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。

本文主要介绍通过简单的运放和比较器来实现水温的自动控制。可根据实际需要设定一个温度值，当水温未达到设定值时，电热丝会不断加热，使水温升高，当水温达到设定值时，电热丝所在的电路就会被断路，电热丝停止工作，当水温低于设定温度时，电阻丝又会继续工作，使得水温维持在设定值附近，由于设定值是在0~100摄氏度范围内可调，因而实现了水温的控制。

2 方案的论证及选择

根据要求，我们提出了如下三种方案。

方案一：

方案二：

图2 模拟控制方案框图

方案三：

信号采集→信号放大→比→继电器→控制负载

温度预置→较

对这三种方案进行论证选择。第一种方案设计很完美但需要同时与温度预置值进行上下限比较，因而过于复杂，难以实施。第二种方案是将比较器出来的信号进行放大，然后直接作用于负载。由于负载回路电流较大，电源是220V50HZ 交流电，因此放大后的信号对负载回路作用效果难以保证，这个方案不可行。方案三避开了方案一和方案二的缺点，可行性较高，效果较好，因而采用方案三。

3单元电路的设计

3.1信号采集与信号放大电路。

此单元设计中采用温度传感器测量水

温值（温度传感器用直流信号源代替），测量

范围是0~100摄氏度，传感器输出信号的电

压值是0~5mv，而需要的输出电压是0~5V，

因此需要放大一千倍。需要R2/R1=1000即可。

为了使运放正常工作，在两端加上正负15V

的直流电压，运放选择LM324P，VDD是直

流信号源。

3.2信号预置电路和比较电路。

通过10V的直流电流源VSS和最大阻值为

1k的电位器组合，构成连续可调电流源，并将预

置信号接入比较器的同相输出端，将上一级输出的

采集放大信号接到比较器的反相输入端。为了使比

较器正常工作，在两头接入正负15V的直流电压

VCC和VEE。

3.3报警电路。

报警电路的主要元器件是发光二极管和蜂鸣

器。上一级的比较电路输出的高低电平分别为0V和

-2V。当采集放大信号电压低于设置值时，比较器输

出电平是0V，报警电路无电

流通过，不会报警，相反则

会报警。为避免发光二级管烧坏，串连一个1k欧大小的

分压电阻。

3.4继电器控制电路

当采集放大信号电压低于设置值时，上一级输出电压是

0V，要求继电器闭合控制回路，因此选择常闭继电器，当采集信号电压低于设置值时，上一级输出电压是-2V，要求继电器断开控制回路，因此需要继电器垂直镜像反接。工作电路中电源是220V 50HZ交流电源，电热丝选用50大小的电阻丝代替。

4 总电路图

5 电路的仿真及调试

取出万用表，选择直流电压档，将负

端接地，正端接至比较器输出端，测出电

位器动划片位于60%时（预置信号为6V），

所测电位为-288.458uV，几乎为零。

当电位器动划片位于40%（即预置信号为4V）时，所测电位为-3.242V，接近-3.2V。且电路报警。

取出示波器。将示波器连到工作电路的电热丝的两端，当电位器动端滑至

60%时，大于采集放大信号电压（约

为5V），电路不报警，工作电路正常

工作，示波器显示正弦波。

当电位器动端由60%滑至40%时，

预置信号电压从6V降至4V，由大

于采集放大信号突然变成小于采集

放大信号，工作电路突然中断，报警

器报警，示波器显示正弦波突然变成

直线。

之后，由于继电器使工作电路断开，示波器一直显示直线，说明电热丝一直停止工作。

6 总结与体会