Разработка регулятора температуры

ВВЕДЕНИЕ

 

Темой данного курсового проекта  является разработка регулятора температуры. Электроника является универсальным  и исключительным средством при  решении проблем в самых различных  областях. Сфера её применения постоянно  расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система  оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический  процесс, управление которым осуществлялось бы без неё. Функции устройств становятся всё более разнообразными. Наилучшим радиотехническим устройством является то, которое можно и не замечать, но оно при этом само будет выполнять все необходимые функции. Одним из таких является электронный регулятор температуры.

Очень важно не только знать величину температуры, но и управлять ею. Например, во многих сферах промышленности, сельского  хозяйства, да и просто в жизни, требуется  поддерживать определённую температуру  для процессов производства, либо для поддержания нормального  функционирования узлов, т.к. всем известно что изменение температуры в большую или меньшую сторону ведёт к порче устройств, либо объектов для регулирования которых применяются эти устройства.

Существует множество разновидностей термометров: ртутный, где указателем уровня измеряемой температуры является ртуть, у которой коэффициент  линейного расширения изменяется в  зависимости от температуры окружающей среды, также нашёл применение термометр, датчиком температуры у которого служит термопара и много других. Каждый из них имеет ряд недостатков. Например, ртутный недостаточно точен, а в случае раскола колбы произойдёт утечка ртути, которая очень опасна для здоровья людей. Поэтому темой настоящего курсового проекта является разработка безопасного регулятора температуры, который предназначен для регулирования и поддержания температуры в нужной для его применения области. Применение электронных микросхем позволит создать довольно несложное устройство способное регулировать температуру в широком интервале значений и поддерживать её с высокой точностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

Устройство предназначено для  регулирования выявления отклонений от нужной в данной области применения температуры и предотвращения её критического изменения. Если температура  объекта слежения понижается или  повышается регулятор должен зафиксировать это изменение и привести температуру в норму, после чего поддерживать её постоянной до момента, когда потребуется изменить значение температуры.

Область применения терморегулятора  достаточно широка. Его можно применить, например, в медицинском холодильнике для поддержания постоянной температуры  хранения лекарств, либо в сельскохозяйственных погребах для управления температурой среды, дабы предотвратить порчу  продуктов. Применение терморегулятора возможно в инкубаторах, т.к. отклонение температуры хотя бы на один два градуса ведёт к необратимым последствиям и большим финансовым потерям. Так же регулятор можно применять в совокупности с бойлерами, если в них такового не предусмотрено, тогда регулятор позволит регулировать температуру воды. Другие области применения терморегулятора это, к примеру, промышленость. В промышленности терморегулятор может применяться для регулирования температуры печей, для слежения за температурой двигателей и предотвращения их перегрева, так же может применяться для слежения за температурой в цехах производства и обеспечивать комфортную работу персонала.

 

 

 

 

 

 

2. РАСЧЁТНО-ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ РАЗДЕЛ
1. Разработка структурной схемы

 

При разработке структурной  схемы требуется определить и  учесть назначения функциональных узлов, связь между ними,  разрабатываемого устройства.

 

 

Рисунок 1 – Структурная  схема регулятора температуры воды

 

Структурная схема состоит  из следующих блоков:

1. Блок питания(БП) – обеспечивает  питание схемы преобразуя напряжение бытовой сети в приемлемое для питания элементов схемы.
2. Блок управления(БУ) – Содержит в себе элементы управления схемой , а так же датчик определяющий состояние и отклонение этого состояния от нормы контролируемого объекта.
3. Програмируемый регулятор(ПР) – Данный блок включает в себя непосредственно ИМС, которая благодаря заданным в БУ значениям регулирует подключение нагревательного элемента.
4. Датчик – Часть позволяющая получать данные об состоянии контролируемого объекта
5. Нагревательный элемент (НЭ) – Устройство схемы позволяющее корректировать состояние контролируемого объекта

 

 

2. Расчет узлов и блоков

 

Для расчёта блока питания  в частности трансформатора использовал  интернет ресурс [1] :

 

 

Рисунок 2 – Параметры заданные для расчёта обмоток трансформатора

 

Для расчета требуется  указать напряжение первичной и  вторичной обмоток, а так же ток  вторичной обмотки. Так же требуется  указать мощность трансформатора, вид  сердечника и плотность тока в  обмотке как видно из рисунка 2. Для получения расчета нужно  кликнуть «ответ:», после чего ниже появится окно показанное на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 – Итог расчётов

 

Для выбора диодного моста  рассчитаю максимальный ток через каждый диод:

Iд = 0,5∙с∙Iн;

С –коэффициент зависящий от тока нагрузки; С = 2,4;

Iд = 0,5∙2,4∙250 = 300 (мА) 
            Т.к нам известен максимальный ток через каждый диод можно выбрать диодный мост из справочника, выбираем КЦ401Б;

В качестве сглаживающего  фильтра использую конденсатор  высокой ёмкости 

Рассчет :

Cф= 3200∙Iн/Uн∙К=3200∙250∙10^-3 /27∙0,15=197,3

по справочнику под общей редакцией Акимова Н.Н. выбираем:

C1 К52 -50 В  ± 10%  200 мкФ

 

Для правильного функционирования компаратора выбираем резисторы которые будут регулировать опорное напряжение подающееся на него, выбираем  из справочника под общей редакцией Гендина Г.С:

 

R1 МЛТ-0,5-1,0кОм±5%

R2 ПП3-40 1.5 3 Вт кОм

 

Резисторы R3, R5, R6, R7  для правильного функционирования схемы и ограничения напряжения на элементах выбираем из справочника под общей редакцией Гендина Г.С:

R3 ММТ1-10 кОм 0,25 Вт 20%

R5 ММТ1-10 кОм 0,25 Вт 20%

R6 МЛТ-1 5.1 кОм 0,125 Вт 20%

R7 МЛТ-1 1 Мом 0,5 Вт 10%

Так же в схеме применен терморезистор КМТ-1 10 кОм ±2%

 

3. Выбор элементной базы

 

Компаратор К554СА3 - Микросхема изготовлена по биполярной технологии и представляет собой компаратор напряжения. Благодаря малым входным токам и большому коэффициенту усиления может подключаться к высокоомным датчикам, использоваться в прецизионных преобразователях сигналов, генераторах импульсов. Предусмотрена возможность совместной работы с ЭСЛ-, ТТЛ- и МОП- схемами, для чего напряжение питания на коллектор выходного транзистора подается от внешнего источника в зависмости от типа логики. Корпус типа 201.14-1, масса не более 1 г.

 

 

А) 

     Б)   

Рисунок 4 – Компаратор К554СА3 (А – УГО,  Б – фото элемента)

 

Таблица 1 – Электрические  параметры компаратора К554СА3

Параметр	Значение
Напряжение питания, Ucc1	13,5...16,5 В
Напряжение питания, Ucc2	-13,5...-16,5
Потребляемая мощность при  t<=75°C	500мВт

 

Реле РЭС9 - Завальцованное, двухпозиционное, одностабильное реле постоянного тока РЭС9 предназначено для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока частотой 50... 1100 Гц. Условия эксплуатации : относительная влажность до 98% при температуре +35° С. Атмосферное давление от 0,6 до 104 кПа. Потребляемая мощность не более 1,4 Вт

Рисунок 5 – Реле РЭС9

ПП3-43 Переменный проволочный регулировочный резистор - служит для изменения напряжения подающегося в цепь путем увеличения либо уменьшения его сопративления. С помощью регулятора можно изменять величину опорного напряжения, а значит и температуру, при которой срабатывает компаратор

А)

Б)

Рисунок 7 – Переменный резистор ППЗ-43(А – УГО,  Б – фото элемента)

 

Таблица 2 – Параметры  переменного резистора ППЗ-43

Параметр	Значение
Номинальное сопротивление	1,5 кОм
Допуск	±5%
Мощность при температуре  до 55°С	3 Вт

 

Диод Д311 – выпрямительный диод.

А)

Б) 

 

Рисунок 8 – Диод Д311(А – УГО,  Б – фото элемента)

Таблица 3 – Параметры  диода Д311

 

Параметр	Значение
Максимальное постоянное обратное напряжение	30 В
Максимальный прямой(выпрямленный за полупериод) ток	40 мА
Потребляемая мощность	1,2 Вт

 

 

Диодный мост(блок) КЦ401Б - Внутри блока состоящего из кремниевого сплавного блока соединены диоды по схеме моста.

 

А)

Б) 

Рисунок 9 – Диодный мост КЦ401Б(А – УГО,  Б – фото элемента)

 

Таблица 4 – Электрические  параметры диодного моста КЦ401Б

Параметр	Значение
Постоянный обратный ток	100 мкА
Постоянное обратное напряжение	50 В
Средний выпрямленный ток	250 мкА
Потребляемая мощность	6,3 Вт

 

4. Разработка принципиальной схемы

 

В соответствие со структурной  схемой, приведенной на рисунке 1, учитывая расчеты и выбор элементной базы, разрабатываем принципиальную схему  цифрового амперметра.

 

Блок управления(БУ):

В качестве датчика определяющего  состояние контролируемого объекта  используется терморезистор.

 

 
Рисунок 10 – Схема блока управления

 

Программируемый регулятор(ПР) :

Часть схемы в которой  находится непосредственно сам  компаратор , являющийся основной частью всего устройства и осуществляющий управление подключением и отключением реле.

 

 

 

Рисунок 11 – Расположение и подключение компаратора в  устройстве

 

Блок питания(БП):

Часть схемы которая подключается непосредственно в сеть и производит преобразование напряжения в приемлимое для питания схемы, состоит из диодного моста, трансформатора и фильтра-конденсатора.

 

Рисунок 12 – Блок питания

 

Нагревательный элемент(НЭ):

Часть устройства которая не входит в основной блок и устанавливается непосредственно на контролируемый объект, приводит отклонения от нормы заданые в ПР и полученые от датчика, к приемлемому состоянию.

 

Рисунок 13 – Нагревательный элемент

 

Датчик (Д) :

Предназначен для получения информации о контролируемом объекте. Представляет из себя терморезистор который крепится на объект или опускается в него.

 

Рисунок 14 - Датчик

 

Полученная структурная схема представлена на рисунке 15 :

Рисунок 15 – Принципиальная схема регулятора

 

5. Принцип действия устройства

 

Как известно, выходное напряжение компаратора может находится лишь на стандартных уровнях логической 1 или 0 в зависимости от соотношения напряжений сигнала и опорного напряжения. Выходная мощность К554СА3 достаточна для управления исполнительным реле. Таким образом, не требуется дополнительного мощного выходного транзистора. Диагональ моста подключена к компаратору DD1. С помощью регулятора R2 можно изменять величину опорного напряжения, а значит и температуру, при которой срабатывает компаратор. На инверсный вход компаратора (выв. 4 DD1) подается измеряемое напряжение, величина которого определяется сопротивлением терморезистора R4 - датчика температуры воды. Если напряжение на выводе 4 DD1 превышает напряжение на ее выводе 3, на выходе микросхемы появляется логический "0", как следствие реле К1 включается и своими контактами подключает нагревательный элемент.