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1、-内工大电子技术课程设计热水锅炉温度控制器设计与实验-第 19 页摘 要本次课程设计的主要目的是用电子电路设计与实验热水锅炉温度控制器。让其实现在6-23时内85以下一、二号炉开始工作并报警， 105以上一、二号炉停止工作并报警，冷却至95一号炉开始工作，且在此期间用LED显示温度和工作时间。本次主要用到的方法是用电压比较器实现模-数转换、用计数器实现控制电路和记录工作时间、用一系列的门电路实现一定的逻辑功能；借助Mulitisim软件进行电路仿真，再在实验室连接元器件实现设计要求。设计的结果是可以让一、二号炉在特定的温度和时间下按规定工作，同时温度显示和记录工作时间来辅助控制器的工作。有效的
2、控制锅炉工作大大提高了生产效率，也可以起到控温的作用，在实际生活中有重要的实践意义。关键词：锅炉；温度；计时；运算电路。AbstractThe main purpose of this course design is to use hot water boiler temperature control electronic circuit design and experiment. Let actually within 6-23 now below 85 furnace no. 1 and no. 2 to start working and call the police, abov
3、e 105 furnace no. 1 and no. 2 to stop work and report to the police, cooled to 95 furnace number one begins to work, and during this period, with LED display temperature and time to work. The mainly used method is to use voltage comparator implementation mode - several transformations, counter is us
4、ed to implement control circuit and record the working time, a series of gate is used to implement logic function; In the laboratory using Mulitisim circuit simulation software, and then connect components to achieve the design requirements. Design results can make furnace no. 1 and no. 2 under cert
5、ain temperature and time to work according to regulations, at the same time temperature display and record the working time to assist the work of the controller. Effective control of boiler work has greatly increased the production efficiency, also can have the effect of temperature control, has imp
6、ortant practical significance in real life.Keywords: Boiler; Temperature; Timing; Operation circuit.目 录一 设计任务概概述1二 设计方案论证及方框图11 设计方框图12 在实现电路时可以有多种方案3三 电路组成及工作原理51 抑制共模信号电路和二阶低通滤波器52 反向求和运算电路63 同向比例运算电路64 电压比较器65 锅炉工作电路76 多谐振荡器87 计时电路88 工作时间计时电路99 温度显示电路910报警电路10四 电路元器件选择与计算111 选择一系列由运算放大器组成的电路处理信号源
7、，而未做一个“直流电源”电路112 选择四个电压比较器而未选择一个ADC转换器113 模拟电路中器材选用、计算及接线管脚图124 数字电路中器件的选择及接线管脚图12五 安装与调试131 安装132 测试方案133 调试过程144 调试中发现的问题及解决措施14六 指标测试151 模拟电路部分测试152 数字电路部分测试173 整体电路功能测试20结论21参考文献22附录一23附录二24一 设计任务概述设计并制作一个热水锅炉温度控制器。热电偶检测到的东排、中排和西排三点温度输入控制器，再通过电压传感器，将测量的85-105转换为对应电信号6-12mV。要求当在一定的工作时间内（早6:00到晚1
8、1:00），通过温度的变化控制一、二号炉工作，且能在特定的温度下进行报警；同时，需要将温度和报警时间用LED显示；同时，需要实现反应时间计时显示、启停温度可设定、报警和温度及工作时间的存储功能。（1）当温度低于85时，报警且一、二号炉启动，对应电压传感器输出的电压6mv;（2）当温度高于105时，报警且一、二号炉停止启动，对应电压传感器输出电压12mv;（3）当温度高于95时，只有一号炉工作，对应电压传感器输出电压9mv。二 设计方案方框图及论证1 设计方框图综合各种元器件的优缺点，并根据本设计要求及性能指标，兼顾可行性、可靠性和经济性等各种因素，确定整体框架如图1所示。它由信号处理与放大电路
9、、锅炉工作电路、报警电路、LED显示温度电路、LED显示工作时间电路、计时电路五部分组成。锅炉工作电路计时电路信号处理与放大电路报警电路LED显示温度电路LED显示工作时间电路 图1 热水锅炉温度控制器原理方框图图2 热水锅炉温度控制器设计流程图2 在实现电路时可以有多种方案方案一：在信号处理与放大电路中，首先分别在三输入电压传感器后加抑制共模信号电路，来抑制传感器输出信号的共模干扰，再加二阶低通滤波电路，滤去毫伏级信号中的高频部分及“杂质”，后接反向求和电路实现三输入毫伏级电压的加和。由于锅炉工作电路输入电压范围的需要，再在反向求和电路后加同向比例放大电路，以上的输出电压可供后续工作电路有效
10、使用。以上构想虽精确、误差较小但是实现性、经济性不高。在仿真及实测过程中，采用先反向求和再抑制共模信号、滤高频信号（采用二阶低通滤波电路），再放大；可以起到减少器件、增强可行性的作用。在让锅炉工作电路部分可以采用电压比较器来实现，具体到可以用单限比较器、滞回比较器、窗口比较器。考虑到性能、可靠性、实现的难易程度、经济性等问题，最后确定用三个单限比较器来完成锅炉工作电路，额外加一个单限比较器实现LED温度显示电路。在计时电路和LED显示工作时间电路可以用555定时器输出脉冲、可预置BCD异步清除计数器，TTL门电路等来实现锅炉早六点到晚十一点工作、一、二号炉工作时间记录。报警电路部分可以用555
11、定时器和窗口比较器来实现。表1 方案一材料表序号元器件名称规格型号数量（个）单价（元）总价（元）11/4W常规电阻*190.23.82常规电容*40.31.23数字电子技术实验箱/模拟电子技术实验箱*320604双踪示波器*1*5数字万用表*1*6实验焊接用板*2102074，2输入端与门74HC0840.20.884，2输入端或门74LS3220.20.49六反相器74LS0410.20.210可预置BCD异步清除计数器74LS16022.24.4113mm红，绿，黄发光二极管30.30.912集成运放LM35820.91.8续表1 方案一材料表13NE555555定时器10.80.814电
12、压比较器LM39320.881.76方案二：信号处理与放大电路不变；锅炉工作电路中先用ADC模-数转换器使不同的电压对应不同的数字信号，再用数据选择器或是3-8译码器来输出Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6控制一、二号炉工作和LED显示温度；在计时电路和LED显示工作时间电路用晶振器代替555定时器提供脉冲信号；报警电路中可以运用功率放大电路实现5V,1W,结合电压比较器、TTL门电路报警；或是用一定参数的继电器实现规定电压、功率内报警。表2 方案二材料表序号元器件名称规格型号数量（个）单价（元）总价（元）11/4W常规电阻*190.23.82常规电容*40.31.23数字电子技术实验箱/模拟
13、电子技术实验箱*320604双踪示波器*1*5数字万用表*1*6实验焊接用板*2102074，2输入端与门74HC0830.20.684，2输入端或门74LS3230.20.69六反相器74LS0410.20210可预置BCD异步清除计数器74LS16022.24.4113mm红，绿，黄发光二极管30.30.91274LS1383-8译码器4083.213NE555555定时器10.80.814LM386功率放大器1050.515ADC0804ADC11116集成运放LM35820.91.8续表2 方案二材料表17继电器CMP8-F高外壳小型大功率1101018电压比较器LM39310.880
14、.88确定实验方案：方案一：元器件总价：96.06元；方案二 ：元器件总价：109.88元。方案一更经济。如果用模数转换器，此课题总共需转换8位，一般DAC转换器有16位。造成浪费。如果用电压器直接就可以实现模数转换直接明了，输出结果0或1，经济且可行性强。晶振器也可以提供脉冲，和555定时器相比价格高，但是精确。工作启停时间的精确个人认为较次要。不用继电器和功率放大器也可以实现报警，而且电路简单好控制。同时，方案一相对方案二所用器件较少。经过比较，最终选择方案一。三 电路组成及工作原理热水锅炉温度控制器的总原理图如图：图3 热水锅炉温度控制器的总原理图1 抑制共模信号电路和二阶低通滤波器图4
15、 抑制共模信号电路和二阶低通滤波两部分电路都起到滤信号“杂质”的功能；在电子信息系统中，通过传感器或其他途径所采集的信号往往很小，不能直接进行计算、滤波的处理，必须进行放大。而且，从传感器所获得的信号通常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号，所以要抑制共模信号，所以要设计具有放大功能，就要具有高输入电阻和高共模抑制比。参数与仿真图中对应为 Rf=R3=R4=0.5K;R1=R2=R=0.5K;R5=R7=R1;R2=R6；放大倍数为15；Uo=-Rf/R*(1+2R1/R2)*Ui。温度经传感器后会有一部分交流信号，为获得直流电压信号还要对信号进行低通滤波处理，因为要获得
16、毫伏级信号所以要用低通滤波器，其截止频率为0.37/2RC,约等于70HZ,且通带放大倍数约为1。2 反向求和运算电路反向求和运算电路的多个输入信号均作用在集成运放的反相输入端，根据虚短、虚断的原则Up=Un,Uo=Uo1+Uo2+Uo3=-Rf/R1*Ui1-Rf/R2*Ui2-Rf/R3*Ui3；若Rf=R1=R2=R3=100K，则Uo=-Ui1-Ui2-Ui3.其中R8=R4/R5/R6/R7.图5 反向求和电路3 同向比例运算电路电路引入电压串联负反馈，根据虚短、虚断的原则Un=Up=Ui,计算得Uo=（1+Rf/R）*Ui，但是同向比例运算电路中的集成运放有共模输入，所以为了提高运
17、算精度，应当选择高共模抑制比的集成运放。有误差，放大8倍。图6 同向比例运算电路4 电压比较器 电压比较器分为单限比较器、滞回比较器、窗口比较器，本电路运用的是单限比较器，在报警电路会用到窗口比较器。单限比较器电路只有一个阈值电压，输入电压UI逐渐增大或减小过程中，当通过UT时，输出电压U0产生跃变，从高电平Uoh跃变为低电平Uol，或者从Uol跃变为Uoh。实验中设计的电路中有四个单限电压比较器，计算出相应的阈值电压，连接电路。在分别低于85,95,105，110时输出高电平信号，高于时则相反。以此来控制门电路，使得1、2号炉在要求的条件下工作。图7 电压比较器5锅炉工作电路图8 锅炉工作电
18、路原理图（1）确定阈值电压三个输入端的电压范围都为6mv-12mv，85对应6mv，95对应9mv，105对应12mv，经求和后的电压范围为18mv-36mv，经抑制共模信号电路和同向比例放大电路放大120倍后为2.16V、3.24V、4.32V,由于期间滤波电路造成一定的误差，最后由万用表测得的电压为2.18V、3.26V、4.34V。则1、2、3电压比较器的阈值电压为2.18V，3.26V，4.34V。（2）一、二号炉工作电路当1号电压比较器的输入电压低于2.18V即此时温度低于85输出高电平，低于85输出低电平。其他两个电压比较器同理。当温度低于85时，三个电压比较器输出111，一、二号
19、炉启动；当温度高于95时，三个电压比较器输出011只有一号炉工作；当温度高于105时，三个电压比较器输出001，一、二号炉停止启动。设三个电压比较器输出分别为A、B、C。X1=A+B+BC; X2=ABC. 即X1、X2可以与A、B、C建立一定的逻辑关系。6 多谐振荡器多谐振荡器计算电路中电阻和电容的数值使其输出时脉冲为时间控制和存储电路提供时脉冲。T=(R1+2R2)C1ln2 图9 多谐振荡器7 计时电路图10 计时电路用555定时器接成多谐振荡器来用来提供脉冲。用两个74LS160连接，输出24进制（0-23）并循环。用一系列的TTL门电路连接让其在6-23时输出高电平。将输出端与一、二
20、号炉（X1，X2）用与门连接即可实现定时工作。8 工作时间计时电路与计时电路中的多谐振荡器相连，即与计时电路有相同的脉冲。将两个74LS160连接，输出100进制（0-99）并循环，当一或二号炉启动时给工作时间计时电路输入“1”信号让其工作。图11 工作时间计时电路原理图9 温度显示电路图12 温度显示电路原理图图13 LED显示结果（1） 当温度低于85时，四个电压比较器输出1111（1表示高电平，0表示低电平），令LED显示085(即三个LED的12端输入为：000010000101)；（2） 当温度高于85低于95时，四个电压比较器输出0111，令LED显示095（即三个LED的12端输
21、入为：000010010101）；（3） 当温度高于95低于105时，四个电压比较器输出0011，令LED显示105（即三个LED的12端输入为：000100000101）；（4） 当温度高于105，四个电压比较器输出0001，令LED显示110（即三个LED的12端输入为：000100010000）.而三个LED的12个输入端对应的5个输入端(第五个输入端与第四个输入端相等)，存在0/1两种变化结果，设000WX00Y0Z0Z，设四个电压比较器输出分别为A、B、C、D(如图9所标注)。表3 W、X、Y、Z、Z与A、B、C、D的逻辑关系ABCDWXYZZ续表3 W、X、Y、Z、Z与A、B、C、
22、D、的逻辑关系111101011011101111001110011000110100W=ABCD+ABCD=ABD;X=ABCD+ABCD=BCD;Y=ABCD+ABCD;Z=Z=ABCD+ABCD+ABCD.=BCD+ABCD.即W、X、Y、Z、Z可以与A、B、C、D建立一定的逻辑关系。10 报警电路图14 报警电路原理图图15 窗口比较器传输特性由以上两图可知，当Ui4.34V时，此时温度高于105，Uo1=+Uom, Uo2=-Uom使二极管D1导通，D2截止，Uo=+Uz。当2.18VUi4.34V时，Uo1= Uo2=-Uom, 所以D1、D2均截止, Uo=0。利用窗口比较器此特
23、性连接如图所示的报警电路，当Ui4.34V时，发光二极管亮且蜂鸣器发出“嘟嘟嘟”声响。四 电路元器件选择与计算1 选择一系列由运算放大器组成的电路处理信号源，而未选择做一个“直流电源”电路在此课题的设计中，需要稳定的直流电源供电。所以对经过传感器后的电压进行处理十分必要，在两种方案进行选择时，对直流电源进行了全面的了解和仿真、实测的测试。一方面，直流电源由电源变压器、整流电路将交流电压转换为直流电压，且为了减小电压的脉动再接低通滤波电路、稳压电路，从而达到转换为稳定直流电压的效果，我认为事实上还不能直接进行使用，还要抑制电路中的共模信号等。一系列的电路组合到一起既经济不实惠，可行性也不强。另一
24、方面，直流电源对于电压相对较高的，频率较低的交流信号能起到效果明显的转换为稳定的直流电压的作用，但是对毫伏级、频率低的小电压来说效果不明显，在仿真过程中万用表中显示的电压很小，示波器中也不好看出实验的波形效果，所以直流电源不适合此课题使用。2 选择四个电压比较器而未选择一个ADC转换器ADC转换器的转换速度快，精度高。但是成本高、功耗大，所用元件数量随ADC转换器的位数的增加以几何级数上升，针对此课题，ADC转换器需要8位即可，可是一般的ADC转换器都是16位。经过实测和仿真，发现电压转换器的模数转换功能也不慢，同时成本低，功耗小。扬长避短选择电压比较器。3 模拟电路中器材选用、计算及接线管脚
25、图图 16 模拟电路部分原理图第一部分：Rf=R1=R2=R3=100K，Uo=-Ui1-Ui2-Ui3.其中R8=R4/R5/R6/R7;第二部分：Rf=R3=R4=0.5K;R1=R2=R=0.5K;R5=R7=R1;R2=R6；Uo=-Rf/R*(1+2R1/R2)*Ui。放大倍数为15;第三部分：通带放大倍数为1;第四部分：Uo=（1+Rf/R）*Ui，Uo/ Ui=8;放大8倍。4 数字电路中器件的选择及接线管脚图（1）逻辑门器件的选择74LS00是集成的4个与非门芯片，74LS08是集成的4个与门芯片，74LS32是集成的4个或门芯片，我们可以根据我们模拟电路中对这些门的需要，进行
26、选择。（2）74LS160可预置BCD异步清除计数器74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能。使用74LS160通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数器。A. 异步清零：当RD0时，Q0Q1Q2Q30。B. 同步预置：当LD0时，在时钟脉冲CP上升沿作用下，Q0D0，Q1D1，Q2D2，Q3D3C. 锁存：当使能端EP.ET0时，计数器禁止计数，为锁存状态。D. 计数：当使能端EPET1时，为计数状态。（3）555定时器NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。五 安装与调试1 安装（1）将电路原理图
27、打印到A4纸上；（2）到实验室按照从小到大分部分进行连接，先局部再整体。2 测试方案（1）模拟电路部分测试a)测试电压反向求和单元用三个毫伏级电压信号接入，测量输出电压信号的伏值，判断是否符合电压求和的要求：Uo=-Ui1-Ui2-Ui3。b)测试抑制共模信号单元和同向比例放大单元的放大倍数设定一个合适的参考电压，改变输入端的电压值，测量输出端的电压情况。记录输出端的电压值，从而判断其电压放大倍数是否与计算的理论值一致或是相差较小，输出是否在标准的电压范围之内（05V）。c)测试电压比较器单元用三个电压比较器，且为这三个电压比较器设置不同的阈值，分别为1V,2V,3V.由一个输入端并联连接且连
28、接1K的上拉电阻，三个输出端分别接发光二极管。输入若干个在05V之内的电压值，通过调节输入电压看发光二极管的亮灭变化是否与理论结果一致。（2）数字电路部分测试a)测试温度显示单元手动操作四个高低电平，模拟电压比较器输出的0/1结果。通过一系列的门电路连接之后，在7段数码显示管上显示相应的温度数字。理论上:当输入1111时显示85,0111时显示95,0011时显示105,0001时显示110.b)测试一、二号炉工作单元此部分与温度显示单元在同一电路板上完成，本应对应三个高低电平，但由于测试温度显示单元的需要则手动操作四个高低电平，模拟电压比较器输出的0/1结果。通过一系列的门电路连接之后，A、
29、B两个发光二极管按逻辑电平的状态亮灭，理论上:当输入1111时A、B都亮,0111时A亮,0011时A亮,0001时A、B都不亮.3 调试过程（1）测试电压反向求和单元先在电路板上用万用表调出若干个较小的电压值，再通过此单元电路用万用表测其输出电压值。多次改变输入电压，多测几组数值，得出平均电压。（2）测试抑制共模信号单元和同向比例放大单元的放大倍数先在电路板上用万用表调出若干个较小的电压值，再通过此单元电路用万用表测抑制共模信号单元的输出电压值和同向比例放大单元的输出电压值。多次测量求平均值。（3）测试电压比较器单元测量一次即可，通过改变高低电平看发光二极管的亮灭情况。（4）测试温度显示单元
30、和一、二号炉工作单元通过改变四个高低电平来观察7段数码显示管上显示相应的温度数字和发光二极管的亮灭情况。4 调试中发现的问题及解决措施（1）在测试温度显示单元和一、二号炉工作单元时将整个电路连好后不能得出正确的实验结果，由于电路复杂、连接紧密又不能很好的修改。再一次重新连接分部来进行，先连第一个LED，通过调节高低电平无误后再往下进行实验可大大提高实验效率和准确度。（2）在连接时间控制电路时，只有当计数器输出6-19时输出高电平信号，在仿真中应该为6-23输出高电平信号。这是由于两个十进制计数器其中高位QC端接的输出端过多，电压分压太多，不能为连接他的门器件提供足够的电压，使得本应接入的高电平
31、变为低电平。 继而是以后的电路产生不符合预期的输出。设计一个电压跟随器接入即可解决。六 指标测试1 模拟电路部分测试总原理图：图17 模拟电路部分原理图（1）测试电压反向求和单元表4 反向求和运算电路A输入端（V）B输入端 (V)C输入端 (V)UA+UB+UC(V)输出电压(V)1.100.901.203.203.140.600.710.832.142.060.780.840.562.182.14（2）测试抑制共模信号单元和同向比例放大单元的放大倍数表5 抑制共模信号电路和同向比例放大电路输入电压(V)输出电压(V)放大倍数0.2023.421170.2225.741170.2428.271
32、180.2631.011190.2833.21118（3）测试电压比较器单元表6 电压比较器电路输入电压(V)A比较器参考电压（V）B比较器参考电压(V)C比较器参考电压(V)A比较器输出电压（V）B比较器输出电压（V）C比较器输出电压（V）逻辑关系逻辑功能0.431235.105.105.10111高高高1.251230.015.105.10011底高高2.351230.010.015.10001低低高4.691230.010.010.01000低低低整体连接实测图：逻辑关系111，一、二、三灯都亮逻辑关系011,二、三灯亮逻辑关系001，三灯亮逻辑关系000，一、二、三灯都不亮图18 模拟
33、电路部分实测结果（注：三个发光二极管从左到右一次对应三、二、一号灯；此电路图包括反向求和运算电路、抑制共模信号电路、同向比例运算电路、电压比较器电路。）2 数字电路部分测试（1）测试温度显示单元和一、二号炉工作单元a)输入ABCD对应1111，一、二号炉工作（AB两个发光二极管亮）, 7段数码显示管上显示85，意为85以下一、二号炉工作。图19 数字电路部分实测之温度显示单元和一、二号炉工作1b)输入ABCD对应0111，一号炉工作（A发光二极管亮）, 7段数码显示管上显示95，意为85以上95以下，一号炉工作。图20 数字电路部分实测之温度显示单元和一、二号炉工作2c)输入ABCD对应001
34、1，一号炉工作（A发光二极管亮）, 7段数码显示管上显示105，意为95以上105以下，一号炉工作。图21 数字电路部分实测之温度显示单元和一、二号炉工作3d) 输入ABCD对应0001，一、二号炉都不工作（A、B发光二极管都灭）, 7段数码显示管上显示105，意为105以上，一、二号炉都不工作。图22 数字电路部分实测之温度显示单元和一、二号炉工作4(2)计时电路单元a)在计数器输出电路中，输出为6-23时，二极管发光，输出高电平信号。图23 数字电路部分实测之计时电路1b)在计数器输出为23-0，0-5时，二极管不发光，输出低电平信号。图24 数字电路部分实测之计时电路13 整体电路功能测
35、试 由于实验设备有限，未能将以下各分电路连接在一起，下图为整体电路的原理图：图25 整体电路的原理图结 论1 在此次课程设计中完成了下述工作：（1）认真解读设计任务，剖析设计要求，定出大体结构框图。（2）自上而下，从整体到局部分析设计出详细工作流程和总体结构框图。（3）对此课题进行深入探讨，发散思维，设计出多种方案；兼顾经济性、实用性、可行性等，最终确定一套设计方案。（4）重视对信号源的处理。（5）完成在特定时间内（6-23时）不同温度下一、二号炉按规定工作。（6）完成用LED显示温度和工作时间。（7）完成在特定条件下报警。（8）完成了部分单元电路的测试。（9）完成电路测试与修改。2 课程设计
36、中下述工作没能完成反应时间计时显示、启停温度可设定、报警和温度、工作时间的存储。3 本设计可以在下述方面进行功能扩展，但是因为时间关系未能完成设计除了以上部分扩展功能未完成以外，还想在报警处进行扩展，如温度在85以下和温度在105以上的报警用不同的警声来发出信号，以便在实际工作中更好的工作、检查与维修。可以设计精确地温度显示，精确到1。参考文献1 阎石.数字电子技术基础（第五版）M.北京：高等教育出版社.20062 中国集成电路大全编委会.中国集成电路大全TTL集成电路M.北京：国防工业出版社3 房建东 荀延龙 王艳荣等.电子技术M.呼和浩特：内蒙古大学出版社.20044 张亚君 陈龙.数字电
37、路与逻辑设计实验教程M.北京：机械工业出版社.20055 杨欣 王玉凤 刘湘黔.电路设计与仿真基于Multisim 8与Protel 2004M.北京：清华大学出版社.20076 徐淑华 马艳 刘丹.电路与模拟电子技术M.北京：电子工业出版社.2008附录一设计所需仪器设备及元器件清单序号元器件名称规格型号数量（个）11/4W常规电阻*192常规电容*43数字电子技术实验箱/模拟电子技术实验箱*34双踪示波器*15数字万用表*16实验焊接用板*274，2输入端与门74HC08484，2输入端或门74LS3229六反相器74LS04110可预置BCD异步清除计数器74LS1602113mm红，绿，黄发光二极管312集成运放LM358213NE555555定时器114电压比较器LM3932附录二热水锅炉温度控制器原理图