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1、空调温度控制器课程设计报告 目录引言1第一章设计目的1第二章 设计任务与要求2第三章 方案设计与论证21 方案一22 方案二23 方案比较34 方案详细介绍3第四章 电路工作原理及说明41 温度信号采集模块工作原理42温度信号处理与控制模块工作原理41 LM324运算放大器功能介绍42 LM324功能测试及信号处理54 CD4011 芯片功能介绍73 电机控制模块工作原理8第五章 电路性能指标的测试91 温度信号采集模块性能测试92 双限比较器输出信号性能测试9第六章 结论与体会10结论10体会11展望11第八章 参考文献12附录 元器件清单12附录 整体电路原理图1引言十九世纪末、二十世纪初
2、，电子技术开始逐渐发展起来，并成为一项新兴技术。它在二十世纪发展最为迅速，应用最为广泛，并且成为了近代科学技术发展的一个重要标志。第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。随着科学技术的迅猛发展，电子控制电路在日常生活中有了更为广泛的应用，
3、各种报警专用集成电路、语音音效集成电路、传感器的不断推出，一些新颖实用的报警器、警示器电路已广泛应用于家庭生活、工农业生产、交通、机动车、通信和防盗、防灾等领域。目前空调机已经广泛地应用于生产、生活中。而此类家电越来越趋于轻巧型。微型单片机系统以其体积小、性能价格比高，指令丰富、提供多种外围接口部件、控制灵活等优点，广泛应用于各种家电产品和工业控制系统中，在温度控制领域的应用也十分广泛。随着能源的日趋减少，大气污染愈加严重，节能已是一个不容忽视的问题。众所周知，空调正朝着节能、舒适、静噪于一体的方向发展。鉴于这些方面的综合考虑，设计一种可以实现温度自动控的空调机，将会在节能方面有有新的突破，也
4、必将会取代传统的靠人工实现的温度控制的空调机。通过巧妙的设计和安装可实现美观典雅和舒适卫生的和谐统一，是国际和国内的发展潮流。可以预料，下个世纪的节能空调将会以更快的步伐向前发展。其应用的范围将极为广阔，极大地方便了人们的工作和生活。可以说节能空调将是未来一种新的发展趋势。电子控制设备中的电路都是由基本功能电路构成的。该课题涉及到模拟电子线路、Multisim软件仿真,数字电子应用等。方案实行中应用电阻分压、运算放大器、三极管控制开关以及继电器电路等。该课题目的是要设计空调温度控制电路，能够控制负温度系数的热敏电阻所在环境内的温度，当空调运行时和空调停止工作时分别由LED1和LED2指示。所设
5、计的电路结构简单、成本低、易于操作、使用寿命较长；采用LED作指示灯，并且控制空调在设定的温度范围之外工作,LED指示灯具有结构简单、寿命长、耗电省、美观鲜艳、易于识别等特点。第一章 设计目的1 了解并掌握运算放大器的工作原理和使用方法及其注意事项2 学会查阅元器件资料,辨别元器件,检查并测试元器件3学会绘制电路图并组装电路,调试电路.4 熟练掌握各种基本仪器的使用5 学会并熟练掌握电路仿真软件的使用(Multisim等)第二章 设计任务与要求1 使用模拟电子元件设计一个空调温度控制器,并能显示空调的运行和静止状态.2 电路简单,元器件经济,使用寿命长.3 电路布局合理,焊接完美.第三章 方案
6、设计与论证根据设计任务与要求,我们可以将空调温度控制电路分成以下几个模块,如图1所示,它是由温度信号采集模块,温度信号处理模块,温度控制模块,电机控制模块组成.这样做,使得我们的设计思路更加清晰,也为我们修改电路提供方便.温度信号采集模块温度信号处理模块温度控制模块电机控制模块图1温度控制电路基本框架通过搜集资料分析,我们找到了两个解决方案,下面我们将对这两个方案的优缺点进行阐述:1 方案一使用感温效果较好的热敏电阻进行温度感应，当周围温度变化时，引起电阻阻值发生变化，进而导致输入到555元件的电压发生变化，式555输出电压发生变化，使相应的二极管发光，相应的设备进行工作。如图2.热敏电阻改变
7、电压555 芯片处理电压三极管控制通断电机工作控制图2 利用555芯片处理信号框架图.2 方案二利用热敏电阻进行温度测量，当环境温度变化时，热敏电阻的阻值也发生变化，直接导致分压变化，进而使运算放大器构成的双限比较器的输入电压发生变化，经过比较之后产生两个大小不同的电压进入RS触发器，并由RS触发器经过判断后,输出端输出一个信号传递给三极管,控制电机是否工作.如果RS触发器输出高电平,则三级管导通,电机开始工作,RS触发器输出低电平,则电机停止工作. 工作框图如图3所示热敏电阻改变电压双限比较器比较电压三极管控制通断电机工作控制图3 利用分压电路处理信号框架图3 方案比较与方案二相比，方案一需
8、要用较为复杂的元件，如555电路,需要多种不同电压的电源,虽然它也能起到比较电压的作用，但是需要的条件比较苛刻，利用率比较低，并且效果不好，基于以上多种原因，选择方案二，因为控制相当简单，原理易于理解，操作方便易行，如果出现异常，还可以简单的进行修改就会达到维修的目的，最重要的是它的性价比较高。4 方案详细介绍如图4，该电路利用由运算放大器构成的双限比较器，控制室内的最高温度以及空调开启的温度。当空调接通电源时，由R2和R3及RP1微调电位器对直流电源分压后给IC1的同相输入端一个固定基准电压。图4 空调温度控制器电路图由温度调节电路RP2、R5及R4对电源分压的微调电位器RP2调整后输出一个
9、设定温度电压给IC1-2的反相输入端，这样就由IC1-1组成开机检测电路，由IC1-2组成关机检测电路。当室内的温度高于设定温度时，由于负温度系数热敏电阻Rt和R3的分压大于IC1-1的同相输入端和IC1-2的反相输入端电压，IC1-1输出低电平，IC1-2输出高电平。由IC2组成的RS触发器其输出端输出高电平，使三极管导通，VD2(R)点亮，继电器吸合，其常开触电闭合，接通压缩机电动机电路，压缩机开始制冷。当压缩机工作一定时间后，室内温度下降，达到设定温度时，温度传感器阻值增大，使IC1-1的反相输入端和IC1-2的同相输入端电位下降，IC1-1的输出端为高电平，而IC1-2的输出端为低电平
10、，RS触发器的工作状态翻转，其输出为低电平，从而使三极管截止，VD3(G)点亮，继电器停止工作，常开触点被释放，压缩机停止运转。第四章 电路工作原理及说明1 温度信号采集模块工作原理温度信号采集电路主要工作原理是利用热敏电阻在一定的温度范围内,随着温度的变化其阻值也呈线性变化.热敏电阻有正温度系数电阻和负温度系数电阻.因此,我们可以利用滑动变阻器来模拟热敏电阻随温度变化时阻值的变化情况.如图5所示:图5 模拟热敏电阻温度变化时工作原理图当环境的温度变化时,热敏电阻的阻值也相应的发生变化,从而使其对外输出的电压U也发生变化,这样当温度改变时,输出的电压U也是不同的.2温度信号处理与控制模块工作原
11、理温度信号处理模块的作用是对信号进行处理,将温度信号变化进行分辨,并产生控制信号.其原理是,利用两个运算放大器,对输入的信号进行比较,得到两个信号主要使用的元器件是运算放大器.这里我们使用LM324运算放大器.1 LM324运算放大器功能介绍图6 LM324的一个运算放大器 图7 LM324 芯片引脚图一个LM324芯片共有4个运算放大器。芯片引脚图如图7，引脚功能如表1.表1 LM324引脚功能2 LM324功能测试及信号处理如图6, 4端口是接VCC，11端口接地，3端口与2端口接两个比较信号。假如3端口的电压比2端口的电压高，则1端口输出为高电平，如果3端口的电压比2端口的电压低，则1端
12、口输出为低电平。为此,我们设计一个验证实验,并在multisim软件上做了仿真.仿真图如图8,测试结果如表下表. 序号2端口电压/V3端口电压/V1端口输出电压信号18.2899.22910.565V高电平29.2358.289-560.911mV低电平图8 LM324运算放大器引脚测试模拟实验由表2可以验证以上结论.由于使用单个比较器难以确定热敏电阻的大小。无法确定电路的初始值，我们采用了双比较器法，并使用互补对称的比较电路。检测到的结果在我们的要求范围之内。图9 温度信号处理电路如图9，为使热敏电阻对温度一定变化范围内比较敏感,我们应当调节R10和R11的阻值.使得热敏电阻R9能在设定的温
13、度范围内变化.假设R9的初始值为R9最大值的二分之一.这时,我们开始调节R10和R11电阻值,使5和7之间的电压为3V左右,4和7之间的电压为-1V左右.这样就是使得在初始状态3端口输出高电平,2端口输出低电平.当7端口的电压大于5端口时,3端口则输出低电平,此时7端口的电压又大于4端口,这时2端口则输出高电平.4 CD4011 芯片功能介绍 图10 CD4011引脚图如图10 是CD4011的引脚图,其引脚的功能如表3所示.CD4011一个有4个与非门,根据图4的电路图,我们知道,只需要两个与非门来实现一个RS触发器就够了,但是图中还有两个非门,这时CD4011还有两与非门,为了充分利用元器
14、件,我们分别将两个的与非门的一个引脚接高电平,这样与非门的功能就跟非门的功能是一模一样的.表3 CD4011引脚功能表序号符合功能电压序号符号功能电压1A1输入端8A3输入端2B1输入端9B3输入端3Q1输出端10Q3输出端4Q4输出端11Q4输出端5B2输入端12B4输入端6A1输入端13A4输入端7VSS接地014VDD正电源12图11 信号控制判断电路如图11,该电路模拟了信号的处理和产生控制信号.我们知道,从比较器输出的两路信号是反向的.所以假设9为高电平,8为低电平,则13输出为高电平.如果9为低电平,8为高电平,则13输出为低电平.这样成功对信号进行判断选择.3 电机控制模块工作原
15、理我们知道,当室温高于我们设定的温度的时候,空调的压缩电机就要开始工作.当室内的温度处于我们设定的温度范围之内,控制电路就要控制空调的压缩电机停止工作.根据我们的需求,我们选用继电器来实现功能, 因为继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。如图,为继电器工作原理电路图.下面是电机控制模块的工作原理图: 图12 继电器工作原理电路图.当输入给继电器的线圈的电流达到一定值时,线圈就会将连接空调压缩机的开关闭合,从而使压缩机
16、开始工作。当输入的电流不能够使线圈将线圈的开关闭合时，压缩机不工作。这样就达到了控制空调工作的目的。模拟电路如下图13所示：图13 电机控制电路第五章 电路性能指标的测试根据设计要求，对电路进行了Multisim软件仿真，整体仿真电路的连接见附录，在输出端接入相关万用表，检测设计要求所需要的各个参数，所得数据如表1所示。万用表示数如图所示。1 温度信号采集模块性能测试温度变化时将会导致热敏电阻R9的阻值发生相应的变化,从而导致LM324中U1和U2两端间电压发生变化.当R9的电阻分别为4K、14K和18K,其输出电压如下: R9=4K R9=14K R9=18K2 双限比较器输出信号性能测试根
17、据第四章2.2节内容,调节R10和R11两个电阻,使得LM324符合公作状态，当温度高于设定值时,R9等效为4 k,使得U1输入的电压大于,则Q1工作,Q2不工作,这时发光二极管LED2发光,这时其工作时的电路图如下图: 当温度高于设定的最大值时,R1可以等效为18 k,使得U2输入电压小于5V,Q2工作,Q1不工作,这时发光二极管LED1发光,这时 ,其工作电路图如下图所示:第六章 结论与体会结论本课题要求设计一个简易温度控制电路,通过热敏电阻采集信号,并将所采集到的信号处理成三种工作状态电路，两个指示灯发光来指示相应工作情况。发光二极管LED1放光表示温度低于温度最小值的工作状态，此时继电
18、器启动空调压缩机进行工作；发光二极管LED2发光表示温度低于设定的工作温度状态，此时继电器断开关，使得空调压缩机停止工作，所以该电路已基本达到任务要求及性能指标。体会四周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，也是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言
19、的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了模拟电子技术等课程所学的内容，掌握各种设计的方法和步骤，掌握模拟电子技术的基本设计技能，懂得了怎样分析芯片的实用性，怎样确定设计方案，了解了芯片的数据结构，并提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运
20、用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的詹庄春老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次课程设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。 由于我们的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师指出，我们十分乐意接受你的批评与指正，我们将万分感谢。展望微电子技术的发展与进步，主要是靠
21、工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。21世纪，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物半导体和其它新材料方面的研究及在某些领域的应用取得了很大进展，但还远不具备替代硅基工艺的条件。硅集成电路技术发展至今，全世界数以万亿美元计的设备和科技投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力。所以，在未来的发展，特别是在中国南方的发展，从事电子科技方面的工作和研究，是很有发展前景的。同学们，努力学好本专业的知识吧！第八章 参考文献1 杨素行 主编 模拟电子技术基础简明教程（第三版） 高等教育出版社，20062 余
22、孟尝 主编 数字电子技术基础简明教程（第三版） 高等教育出版社，20063 郭锁利，刘延飞，李琪等编著 基于Multisim 9的电子系统设计、仿真与综合应用人民邮电出版社，2008年4 部分资料来自互联网。附录 元器件清单代码名称规格型号数量IC1集成电路LM3241IC2集成电路CD40111VT三极管2N22221VD1二极管1N41481VD2、VD3发光二极管2EF441(R、G)2Rt负温度系数热敏电阻MF12-1-10k1R1电阻RTX-0.125-3k-1R2、R4电阻RTX-0.125-15k-2R3、R5电阻RTX-0.125-10k-2R6、R8电阻RTX-0.125-1k-2R7电阻RTX-0.125-4.7k-1RP1、RP2微调电位器3296 47k2KR电磁式继电器JZC-12F/012-121附录 整体电路原理图