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1、黄河科技学院毕业设计说明书 第 25 页音频锁相环精密温度控制计电路1 绪 论在工业生产中温度、压力，流量是四种最常见的过程变量。其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不准确就可能引起生产安全，产品质量等一系列问题。任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此实现对温度的控制是生产自动化的重要任务。随着社会工业化程度的提高，温度这个和我们每个人生活息息相关的词汇在工业、农业中发挥着越来越大的作用，各种工矿企业，科研机构，都要用到温度控制。例如：烟花爆竹工厂的仓库必须对温度的上限有严格的控制，炼钢厂的
2、锅炉温度等等，都需要对温度的变化进行严密的监测和控制。常见的温度控制系统，是先利用温度敏感元件，如热敏电阻，将温度的变化转换为热敏电阻本身阻抗的变化，继而引起其两端电压的变化，实现控制功能，虽其实现容易，但可靠性低，抗干扰能力差。本篇力求解决这一问题，设计思路是将温度变化转换为频率变化加以控制，其具体原理是先借助温度传感器-热敏电阻和NE555集成芯片组成多谐振荡器，即可把温度的变化转变为振荡器输出信号频率的变化，随着温度的渐渐升高，信号频率也随之慢慢改变，当达到设定温度时，频率也将确定。多谐振荡器后接由LM567音频译码芯片组成的锁相环路，在温度设定范围内，信号频率与锁相环路自身的振荡频率不
3、一致，该电路输出为高电平，后续控制电路不动作，指示电路只显示绿灯，表明目前温度正常；但当温度达到控制点，信号频率就会与锁相环路的振荡频率相一致，该电路将输出低电平，从而启动后接控制器，接通报警电路，同时指示电路将点亮红灯给予人们提醒。该电路设计简单，实现容易，可靠性好，实用价值高。在下面的章节里我们将具体分体其工作原理。2 温度控制系统简介在电子电路控制系统中，要实现温度的控制，首先要把温度的变化量转换为电量变化，才能加以分析处理和加以控制。本篇也不例外，取用的温度敏感元件是具有灵敏度高，体积小，热惯性小的热敏电阻，它能把温度的变化反映为其本身阻值的变化，从而就能引起电量的变化。由于我们要处理
4、的电量为信号频率，那么我们就需要一个波形产生电路-多谐振荡器，它的振荡频率由其外接电阻和电容控制，其两个中任何一个元件参量的变化都将引起振荡器输出信号频率的改变，因此我们可以用热敏电阻代替振荡器的外接电阻，从而就能将温度的变化转为频率的变化。要实现对温度的控制，必然要有控制条件，本篇的控制条件则是对温度下限的控制，即当温度下降到某一设定值时，电路加以动作，此时的温度是确定值，那么热敏电阻阻值也是确定的，则振荡器输出频率也就确定了，显然我们现在要做的将是在信号达到这一频率时，电路采取措施。由此，我们就需要一个频率比较电路-译码电路，先将该译码电路的自身频率即参考频率加以设定，当控制信号频率与参考
5、频率不同时，译码电路输出高电平；当控制信号频率与参考频率相同时，译码电路输出低电平。利用输出的高低电平，将会很容易实现控制和指示，我们的设计思路也将由此展开。下面是温度控制系统总体框图，如图2.1所示:图2.1 温度控制系统总体框图各部分简介如下：直流电源部分：为系统各部分提供稳定，可靠的直流电源。它由变压，整流，滤波，稳压四个部分组成。温度/频率转换电路：由温度敏感元件及波形产生电路组成。利用正温度系数热敏电阻的特性-阻值随着温度的升高而增大，将温度的变化转变阻值的变化，阻值的变化引起频率的变化，从而把温度的改变转化为信号频率的改变。译码电路：当输入信号频率与参考频率不同时，译码电路输出高电
6、平，当信号频率与参考频率相同时，译码电路输出变为低电平。控制及指示电路：在允许温度范围内，电路以绿灯显示，当超出温度控制点时，电路以红灯显示，同时接通报警电路，给予提示。报警电路：产生音频信号，驱动扬声器，提醒人们温度已超出设置点。3 电源部分直流电源的组成框图如图3.1所示。其中包括四个组成部分。本文电源部分具体电路如图3.2所示。图3.1 直流电源的组成框图 图3.2 直流电源部分电路图3.1 电源变压器城市电网提供的一般为220V(或380V)/50HZ的正弦交流电，而本电路系统所需的是8V的直流电，因此要利用变压器将220V的市电先降至合适的交流电压，然后再将变换以后的变压器次级电压去
7、整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。3.2 桥式整流桥式整流电路的作用是利用具有单向导电性的整流元件二极管，将正负交替的正弦交流电压整流成为单向的脉动电压。但是，这种单向电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。桥式整流电路原理图如图3.3所示。图3.3 桥式整流原理图由图可知，在u2正半周内，二极管D1、D3导通，D2、D4截止；u2负半周时，D2、D4导通，D1、D3截止。每两只二极管串联导通正弦电压的半个周期，而负载电阻在一个周期内均有电流通过，故两只二极管中流过的电流平均值为负载电流的一半，且流过负载电阻RL的电流方向是一致的，因而使输出电压的直流成分得到
8、提高，脉动成分得到降低。桥式整流电路的波形如图3.4所示:图3.4 桥式整流电路的波形图桥式整流电路的主要参数如表3.1所示：表3.1 桥式整流电路的主要参数（忽略变压器内阻和整流管压降）主要参数电路形式UO(AV)/ U2SID(AV)/ IO(AV)URM/ U2桥式整流0.9067501.41其中UO(AV)为输出直流电压平均值，S为脉动系数(整流输出电压的基波峰值与平均值之比)，ID(AV)为二极管正向平均电流，URM为二极管最大反向峰值电压。3.3 滤波电路滤波电路由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，显然，这
9、里需要利用截止频率低于整流输出电压基波频率的低通滤波电路。这时我们虽然得到了较平滑的直流电，但电压值还易受电网电压波动和负载变化的影响，这样的直流电源是不稳定的。如图2.2电容C1的作用是滤去电路中的低频成分，C2、C3的作用是用来防止自激振荡，减小高频噪声，改善负载的瞬态响应。3.4 稳压器稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。本篇选用固定正输出8V的三端集成稳压器W7808，它具有体积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低廉，只有三个引出端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需外接元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压
10、保护电路，使用更加方便、安全。它的封装为塑料直插式，如图3.5所示。 图3.5 三端集成稳压器的外形、引脚功能及电路符号W7808是一个三端集成稳压器，它的内部结构如下图3.6所示。图3.6 三端集成稳压压器的内部结构图由图可见，电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分，另外加上保护电路和启动电路。现对各部分的作用扼要介绍一下：调整管在电网电压或负载电流波动时，调整自身的集-射压降使输出电压基本保持不变；放大电路将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管的基极，放大倍数越大，稳定性越好；基准电压的稳定性将直接影响稳压电路输出电压的稳定性；采样电路由两个分压电
11、阻组成，它将输出电压变化量的一部分送到放大电路的输入端；启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流，而当稳压电路正常工作时启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能；保护电路将三种保护电路集成在芯片内部，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。W7808的主要性能参数如表3.2所示。表3.2 W7808的主要参数表 参数名称输入电压输出电压电 压调整率电流调整率（5mAIO1.5A）最小压差输出噪声输出电阻峰值电流符号UIUOSUSIUI-UOUNR0IOM单位VV%/VmVVVmA参数值1480.0145210182.24温度/频率转换部分
12、4.1 555集成芯片简介555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，在工业控制、定时、仿声、电子乐器用防盗报警等方面应用很广。它主要由三个5K电阻组成的分压器、两个高精度电压比较器、一个基本RS触发器，一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其结构框图如图4.1所示。图4.1 555集成定时器电路结构图1、分压器三个阻值均为5k的电阻串联起来构成分压器（555也因此而得名），为比较器C1和C2提供参考电压，C1之同相输入端“+”：=2VCC/3、C2之反相输入端“-”：=VCC/3。如果在电压控制端CO(5脚)另加控制电压，则可改变C1
13、、C2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01F的电容接地，以旁路高频干扰。2、比较器C1、C2是两个电压比较器。比较器有两个输入端，分别标有“”号和“-”号，如果用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，则当U+U-时其输出为高电平，U+U-时输出为低电平，两个输入端基本上不向外电路索取电流，即输入电阻趋近于无穷大。3、基本RS触发器由两个与非门组成，它的状态由两个比较器的输出控制，根据基本RS触发器的工作原理就可以决定触发器输出端的状态。是专门设置的可从外部进行置“0”的复位端，当=0时，使Q=0、=1。4、晶体管开关和输出缓冲器晶体管TD构成开关，其状态受Q端控制，当Q为“
14、1”时TD截止、为“0”时TD导通。输出缓冲器就是接在输出端的反相器，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。它的功能如表4.1所示。表4.1 555集成定时器功能表引脚2（）6（TH）4（）3（）7（D）电平1低电平接通电平 -4时，f0fT，V8=“1”（代表悬空输出）；当T = -4时，f0fT，V8=“0”。在进行电路调试时，先使温度达到控制点，测出多谐振荡器输出信号频率f0，调节RP2使LM567的5脚信号频率fT=f0，这时8脚应为低电平，在温度为其它值时，8脚应为高电平，证明电路可以正常工作。6 控制指示及报警电路 控制及指示电路原理如图6.1所示。图6.1 LM
15、567的外部控制原理图由图6.1可知：当温度在控制范围内，3脚输入信号的频率f0fT，这时8脚内接晶体管截止，相当于8脚内部断路，所以继电器K不动作，常闭触点所接的绿色发光二极管导通，说明温度在正常范围内。当温度下降到控制点时，3脚输入信号的频率f0fT，这时8脚内接晶体管导通，继电器K开始动作，常闭触点断开，常开触点闭合，绿色发光二极光截止，红色发光二极管导通，同时常开触点接通后面的报警电路，以提示人们温度超出控制范围。由于继电器为感性元件，在断电的瞬间会产生很大的感应电压，可能会损坏电路中的其它元件，为此需要在其线圈两端并接一个二极管加以保护，D1叫做续流二极管，在继电器断电瞬间，线圈两端
16、产生的感应电压，与原先所加电源电压方向相反，它使二极管导通，从而消除了对外电路的影响，起到了抑制瞬时高压的作用。 前章电路，报警电路原理图如图6.2示。 图6.2 电路原理图报警电路也是一个多谐振荡器，它产生的信号频率在音频范围内。如图6.2示，在温度上升到控制点时，继电器K将动作，常开触点闭合，接通本报警电路电源，该电路开始工作，NE555的3脚将输出音频矩形波信号，驱动扬声器发音。整RP3可以调整音频信号的频率，以达到自己满意的音调效果，音频信号频率范围为20HZ20KHZ。图中将NE555的4脚复位端接至温度/频率转换电路的输出端，为的也是能够改变信号频率，这样在设置不同的温度控制点时，
17、喇叭发出的音调效果将会各不相同。总 结在整个电路中所选用的元器件价格低廉，设计简单，成本较低，有利于推广，并且电路中部分元器件可自行更换，从而可适用于更多的领域。如热敏电阻换为气敏电阻，可对高温蒸汽或有害气体进行监控，换为光敏电阻可对光强度进行监控。电路中采用的NE555集成电路可更换为其它555电路如HA17555等，各电路的引脚基本相同。另外，由于我们所用LM567译码芯片有着较宽的频率范围，因而对于热敏电阻的选择就更为灵活，只要保证其灵敏度、可靠性等一些重要参数满足我们的要求，多谐振荡器产生的信号频率在LM567锁相环捕获带宽范围内，就可以进行替换，但需要注意的是，若替换的热敏电阻阻值偏
18、小，多谐振荡器频率将会变高，假若该频率接近或超过报警器的频率时，报警器所用555的复位端的信号所起作用将会变的微弱，音调变化将不会很明显，且声音也会变得刺耳，但其并不会影响温度控制器的正常使用。这些工作不难从本文的原理中获得，其具体电路有待于进一步研究。致 谢本次关于音频锁相环精密温度控制计电路的毕业设计在其他辅导老师的精心指导下才得以顺利完成，通过这次毕业设计使我把大学几年来所学的理论知识转化为实际应用，提高了自己的思考能力，动手能力，增强了团队协作意识，激发了创新意识。由于我们的知识水平有限，书中一定会有不当与错误之处，希望各位给予指正赐教。参考文献1杨素行.模拟电子技术基础简明教程(第三
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20、设计与制版Protel98 .北京：人民邮电出版社，1998.11：77-84 9江晓安.模拟电子技术(第二版). 西安：西安电子科技大学，2002.01：21-42 10孙建民.传感器技术 北京：清华大学出版社，2005.10：160-172 11 Paul Horowitz， Winfield Hill. The Art of Electronics. England: Cambridge University Press， 1989. 9：181-18512 K.J.Astrom. Where is the intelligence in intelligent control J. IEEE Control. May1991：34-38