热带鱼缸温度控制器设计

目录

1.前言 (1)

2. 总体方案设计 (2)

2.1方案比较 (2)

2.2方案论证 (3)

2.3方案选择 (3)

3.单元电路设计 (4)

3.1温度传感器电路 (4)

3.2555时基集成电路 (5)

3.3基于NE555设计闪光电路 (6)

3.4触发器和加热电路 (7)

3.5AD/DC电源变换电路 (8)

4.系统功能及调试 (9)

4.1系统工作原理 (9)

4.1.1 电路元件选择 (9)

4.1.2 电路工作原理 (10)

4.2调试及参数计算 (10)

4.2.1 相关参数计算 (10)

4.2.2 系统调试 (11)

5.结论 (12)

6.总结与体会 (13)

7.致谢 (14)

8.参考文献 (15)

9.附录：热带鱼缸温度控制器原理图 (16)

1.前言

现代都市生活使更多人需要得到精神的安慰，饲养宠物已经成为一股经久不息的潮流。然而现在由于禽流感和狂犬病的泛滥，关于动物之类的新型病也传的沸沸扬扬，层出不穷，这样使得人们常常饲养的鸟类和猫狗的生存与人类的安全冲突不断。在这样的新的形势下，饲养几条热带鱼有可能将成为最新的趋势。

现在市场上的热带鱼价格也挺高的，感觉比较娇贵，因此人们在饲养的过程中往往十分细致，特别是鱼儿的生存环境是人们最值得关注的一部分，因而鱼缸的选择至关重要。随着现代科技术日新月异的发展，特别是自动控制系统的发展，给人们带来了很多新的想法，自动控制的智能鱼缸便应运而生了，而且市场前景非常令人期待。鱼缸是养鱼的必备用具，有了科技的发展，具有各种附加功能的新型鱼缸也在市场上层出不穷。有的鱼缸可以对缸内的水温进行调节，有的鱼缸可以通过喷氧来改善水质，还有装备定时喂食装置的鱼缸等等，并且逐渐迈向了智能化，自动化，使得这些鱼缸都具有一定的科技含量，为喂养热带鱼提供了方便。

虽然已经有很多成型的具有自动控制功能的鱼缸上市，但也有些产品过于追求完善，增加科技含量，使得造价过高，不便于普及，又有一些系统设计不够考虑周到，导致热带鱼“不幸”身亡，因此，要设计一个结构简单，成本低廉，实用性和安全性都较好的鱼缸控制系统比较有难度。在此针对热带鱼的饲养对鱼缸水温的控制极为重要，设计了一个简单的控制系统，主要利用温度传感器来进行感温，将水温的物理信号通过传感器转换为电信号，并接入一个测试电路兼控制电路，在特定条件下，通过加热来控制鱼缸内的水温，使鱼儿有一个稳定的生活环境。由于设计的选材基于廉价，实用的原则，非常适用于实际的热带鱼缸的设计。在此设计中，选用了一个控制温度可调传感器，使得该系统的使用非常灵活，不仅可用于鱼缸水温的调节，其他一些类似的水温调节也十分实用，可谓使用广泛，应该说是一个性价比较高的自动温度控制器。

2. 总体方案设计

2.1 方案比较

设计一个热带鱼缸温度控制器有很多种方案，现列出两种方案如下：

方案一：

系统组成如图2.1所示，由4个部分组成：传感器模块、自动控制模块、加热模块和显示模块。在自动控制模块中用软件编写控制的方式，设定温度控制域值，如果水温低于20度，则自动启动加热模块以保持水温，而当水温高于24度则停止加热，同时输出温度值到显示模块以实现水温动态显示。

图2.1 方案一系统组成框图

方案二：

利用555时基集成电路来实现，该系统的工作原理框图如图2.2所示，主要由4部分组成：传感器电路部分、AD/DC电源变换、555时基集成电路和加热电路。通过传感器设定水温的控制范围为20至24度，当温度在此之间时电路都会周而复始的工作，从而达到可靠控制鱼缸中水温的目的。

图2.2 方案二工作原理框图

这里只对这两个方案进行比较，还有许多种方案设计没有一一例举，对于这两个方

案，结构和模块来看都不是很复杂，两者都有可行性，方案一更多的是用软件来控制温度达到自动控制，所以软件部分要求较高，方案二更多的在于电路的设计，合理的设计好各部分电路是设计成功的关键。

2.2 方案论证

就第一种方案来看，结构很简单，可行性也还是非常高，并同时有加热模块和显示模块，同时实现了可视化和自动化，功能强大，设计起来有一定的难度。其中的难点可能是由于需要使用单片来实现软件编程控制，而且传感器在与单片机通信时还必须实现模拟信号转换为数字信号，这对于设计人员的编程能力和单片机知识要求较高，调试起来我认为会有些困难。

第二个方案大部分电路都涉及到模拟电路知识，模块也不是很多，结构也相对简单，各部分功能作用明显，难点可能在于传感器的选择和各电路之间的合理连接，但只要弄清楚各单元的电路作用，选好相关硬件，就可以设计出一个简单轻便，经济实惠，易于使用的鱼缸水温调节器。只要参数能够处理好，控制精度也应该十分的好，对于单纯的控制鱼缸水温，设计这样一个系统可以很好的满足要求。

2.3 方案选择

经过方案的比较和论证，以及自己对各部分知识的掌握情况和应用能力，觉得方案二实行起来较为简单，调试起来更为容易，于是在设计中选择了方案二进行，下面就对各部分进行了详细的设计说明。

3.单元电路设计

3.1 温度传感器电路

选择合适的温度传感器是设计过程中的关键环节，考虑到尽量简单易行，搜集各种温度传感器资料后，最终选择了电接点可调试水银温度计作为传感器件，其结构简图如图3.1所示。

图3.1 电接点可调试水银温度计结构简图

电接点可调试水银温度计是利用水银在透明的玻璃感温泡和毛细管内的热膨胀作用来测量温度的，其测量范围也十分大，最大可测到-30℃—+300℃之间的温度。在温度计内设有两个接点1和2，一个在水银柱一端，另一个则设在标尺的任意一个设定位置，因此可以根据自己需要来调节需要测定的温度区间。当温度升高使水银柱上升到设定的接点位置时，两个接点导通，从而接通外接电路，通过控制器对电器设备进行调节与控制。此温度计的这个功能恰好能应用到设计当中。电接点水银温度控制器是由玻璃水银温度计加装电触针所形成电接点开关而构成的,其工作原理是利用温度计中的水银柱随温度变化而膨胀或收缩时接触或断开电触针,从而接通或断开外接电路,达到控制的目的。

这种温度计最突出的特点是具有可调节功能，特别是用于该设计，所要测定的温度不是一个固定的值，而是一个稳定的变化范围，这种可调的温度计正好解决了这个问题，可以将温度计测定的范围设置为自己想要控制的某个区间内，十分方便。

3.2 555时基集成电路

555时基集成电路是数字集成电路，是由21个晶体三极管、4个晶体二极管和16个电阻组成的定时器，有分压器、比较器、触发器和放电器等功能的电路。它具有成本低、易使用、适应面广、驱动电流大和一定的负载能力的特点。在电子制作中只需经过简单调试，就可以做成多种实用的各种小电路，远远优于三极管电路。是该设计的一个首选电路。555时基电路国内外的型号很多，如国外产品有：NE555、LM555、A555和CA555等；国内型号有5GI555、SL555和FX555等。图3.2为NE555的引脚图，图3.2则显示了NE555时基集成电路的内部电路图。

图3.2 NE555时基集成电路引脚图

图3.3 NE555时基集成电路内部框图

尽管555时基电路型号很多，但它们的内部结构和管脚序号都相同，因此，可以直接互相代换。在这里我选择了最常用的NE555作为设计电路之用。

555时基集成电路各管脚的作用：脚①是公共地端为负极；脚②为低触发端TR，低于1／3电源电压以下时即导通；脚③是输出端V，电流可达2000mA;脚④是强制复位端MR，不用可与电源正极相连或悬空;脚⑤是用来调节比较器的基准电压，简称控制端VC，

不用时可悬空，或通过0.01μF电容器接地;脚⑥为高触发端TH，也称阈值端，高于2/3电源电压发上时即截止;脚⑦是放电端DIS;脚⑧是电源正极VC。

555时基集成电路的主要参数为（以NE555为例）：

（1）电源电压4.5～16V。

（2）输出驱动电流为200毫安。

（3）作定时器使用时，定时精度为1％。作振荡使用时，输出的脉冲的最高频率可达500千赫。

（4）使用时，驱动电流若大于上述电流时，在脚输出端加装扩展电流的电路，如加一三极管放大。

3.3 基于NE555设计闪光电路

在鱼缸温度控制器的设计过程中，为了能够直观了解加热情况和缸内温度情况，利用555时基电路的功能，设计两个红绿指示灯是十分必要的，因此特意设计闪光电路来解决这个问题。图3.4便是闪光电路的功能电路接线图。

图3.4 基于NE555的闪光电路接线图

如图，555时基集成电路由输入端R

3、RP和C

4

组成一个振荡电路，脚③输出的电平

不断高低翻转，当脚③输出低电位时，VD

1导通发光，VD

2

灭；当脚③输出低电位时，VD

1

灭，VD

2

导通发光。这样红绿发光二极管交替发光闪烁。电路工作时，可先将可调电阻动

片的接触点拧到中间位置，然后再将电阻值增大或者减少，这时发光二极管交替发光的

时间也随之增大或者减少，但并不十分明显。如果用不同容值的电容去替换C

4

，交替发光时间的长短就十分明显了。其振荡频率（即每秒发光二极管的闪烁次数）只要改变RP 的阻值和C的电容量，就能实现。但本设计中还有其他功能电路，其发光时间并不是靠改变RP的阻值和C的电容量来实现的。

3.4 触发器和加热电路

在该设计中，加热电路是控制功能执行最重要的一环，并且加热与否要与鱼缸内的水温紧密相关，于是需要设计一个可靠的驱动电路来控制加热电路，这里用触发器来触发一个加热开关是个很好的方案，经过挑选，我选用了触发器CC4098来控制，其引脚图如图3.5所示。

图3.5CC4098引脚图

CC4098由两个可重触发的单态触发器组成,Q和Q输出有缓冲，输出特性对称，该器件在工作是应在Cext和Rext/Cext端间外接电容C, Rext/cext和 VDD端间外接电阻R，每个触发器具有上升沿触发输入（TR+)和下降沿触发输入（TR-),不用的TR+应接Vss,不用的TR- 应接VDD.对于非可重触发方式，当采用TR+触发时,TR-应接至Q;当采用TR触发时TR+应接至Q0直接复位RD为低电平时,终止输出脉冲,RD不用时应接VDD(当整个触发器不用时,RD应接VSS).外电阻R和外电容C 用来确定输出脉冲宽度.传输延迟时间(分别由TR和RD至Q和Q)与R及C无关.

由此，加热电路由触发器和加温器两部分构成，加温器与一个开关串联在一起，触发器CC4098从收到的信号来控制开关的关断，从而决定是否加热，达到自动控制的目的。因而加热器与开关连接方式如图所示。

图3.6 加热器与开关串联

3.5 AD/DC电源变换电路

在电源设计环节，考虑实际，用家用电作为供电源十分方便，因此必须设计一个交直流变换电路供控制电路所需，在这里，设计了一个简单的变换电路如图3.6所示。

图3.6 电源变换电路

如图，电路工作原理为右侧输入220V/50Hz的家用电，经过C3作用而降压，VD作为整流二极管使用起到整流的作用，再经过DW的稳压，C4滤波，则在C4两端得到直流电压Vo，其值大约为12V，刚好用作直流电路供电。这样就完成了使用家用电来为直流电路供电的转换。另外，采用家用电供电还方便了加热器的供电，因为鱼缸专用的加温器或加热器都采用市电作为电源。

4.系统功能及调试

4.1系统工作原理

经过前面各个单元电路的设计，所设计的热带鱼缸温度控制器的总体也就规划出来了。经过分析和选择，联接好各个单元电路，就组成了一个完整的工作系统。其工作的电路原理图如图4.1所示。

图4.1 热带鱼缸自动温度控制器电路原理图

4.1.1 电路元件选择

对照电路原理图，对电路各部分元件经性选择如下：

1.传感器P1选用接点可调试水银温度计。

2.IC选用NE555时基集成电路。

3.LED1选用2EF105全塑红色二极管，LED2选用2EF105全塑绿色二极管，VD1选用

IN4001,DW选用2CW60/12稳压管，VD2选用IN4007。

4.RP选用WH5-0.25W-3.3MΩ直线型碳膜电位器；电阻全部为0.125-0.25W碳膜电阻。

5.电容选用普通瓷片电容，电解为CD11系列。

6.J1选用CC4098。

7.RH选用鱼缸专用管棒式加温器。

其中有些元件的具体接入的值需要经过参数计算后才能确定。

4.1.2 电路工作原理

通电后，220V交流电经C3降压、VD2整流、C4滤波、DW稳压，在C4两端取得12V 直流电压为调节器供电。接点可调节式水银温度计P1和加热器RH置于鱼缸水中，设定水温控制范围为20-24℃，当水温低于24℃时，P1的触针1和水银面2处在断开状态。这时，由IC（NE555）组成的单稳态2脚为高电平“1”，IC处在“稳态”，3脚Uo=0V，J1不动作，其常触点J1-1接通，RH由家用电供电对水加热。这时红色的LED1被点亮，表示调节器处在加热状态，水温随之升高。当水温升至24℃时，P1中1和2接点接通电路，IC的2脚电位立刻为“0”，，于是IC进入“暂态”，Uo输出电压，J1得电而动作，常闭触点J1-1被断开，RH停止对水加热。之后水温逐渐下降，此时，P1的1、2接点断开，但C1上电压在未充到2/3E之前，IC维持“暂态”不变。经过时间T1后，水温降至预控温度的下限值20℃。如果通过调节RP使IC单稳态的“暂态”时间Td与T1相等，那么，当水温降至20℃时，IC“暂态”刚好结束，电路立刻为“稳态”，于是J1释放，J1-1又被接通，RH又开始加热。如此来保持鱼缸中水温在20-24℃之间。

4.2 调试及参数计算

4.2.1 相关参数计算

由于555时基集成电路要求的电源电压在4.5～16V之间，因此将电源变换电路输出电压的值设为了12V，在选择降压电容的时候，因为通过降压电容C3向负载提供的电流Io，实际上是流过C3的充放电电流Ic。C3容量越大，容抗Xc越小，则流经C3的充、放电电流越大。当负载电流Io小于C3的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。而且为保证C3可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压，泄放电阻R4的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C3上的电荷。

C3在电路中的容抗Xc为：

Xc=1/（2 πf C）=1/(2*3.14*50*0.47*10-6)=6.78K

流过电容器C3的充电电流（Ic）为：

Ic = U / Xc = 220 / 6.78 = 32.5mA

通常降压电容C3的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：C=14.5 I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。

另外，比较重要的一个参数是NE555的暂态时间，根据电路连接特性，其参数确定的公式为：

Td = 1.1（R1 + Rp）C1

电路中接入R1为510KΩ，Rp的范围为0-3.3MΩ，C1为1000μ的电容值，由此代入关系式计算得Td≈8.5~63.5min。可见其可调的范围还是非常大的。则只要时间T1在这个范围之内，都可以准确的自动控制鱼缸内的水温。

4.2.2 系统调试

从前面的设计过程可以看出，系统结构比较简单，所以调试起来也比较容易，只要电路的接法和参数选择上没有问题，很快便会调试成功。

电路连好过后，通电一会儿后，可以看到红色的发光二极管被点亮，加热棒开始工作，温度计中水银面上升，直到上升到接点1，以后红色的发光二极管熄灭，绿色的发光二极管被点亮，说明加热完成。之后记录温度计中水银面下降到20℃时的时间，方便调节滑动变阻器，使NE555的暂态时间Td与这个时间相等，以便精确控制水温变化。电源部分采用220V交流电输入，所以调试过程应该注意安全。

5.结论

经过两个星期的努力，最终顺利完成了热带鱼缸温度控制器的设计，经过调试和参数计算，基本能达到要求，总的来说，这次设计比较成功。但由于自己的水平有限，可能设计得还不够完善，还有一些模块值得改进和增强，比如说电源电路的设计略显简单，而且存在一个问题，就是长期使用电容值减小后,输出的直流电压也会变化，将导致电路不能正常工作。如果条件允许的话，我认为电源可改用变压器T降压供电，虽然安装上不太方便，并且这比用电容降压价格要高一些，可选用5W、12V/220V的经济变压器比较好。另外，用普通桥式整流，电容滤波加稳压，能够使电路更加完善。

6.总结与体会

在老师的悉心指导和同学帮助下，我完成了此次设计，在这其中，收获颇多，在查阅相关资料的同时，增长了不少知识，学到了一些书本以外的应用性的东西。比如555时基集成电路在设计中的广泛应用，基于它的一些小电路在实际生活中也常常用到，另外，在选择传感器时，也了解了一些温度传感器的功能及应用，还有用触发器来控制开关的关断以及利用发光二极管来设计指示灯的做法，都为以后的设计累积了一些经验。

通过这次设计，增加了我对控制系统设计的兴趣，同时也感觉到自身学习方面的不足，因此还应多请教老师和寻求同学帮助，以提高自己。我相信有了这次设计的收获，下次一定会做得更好。

7.致谢

在整个设计过程中，遇到了不少难以解决的困难，十分感谢侯思颖指导老师帮助我解决了许多问题,正因为侯老师大量心血的注入才让我能顺利的完成设计。同时也相当感谢帮助过我的同学，我每一步的前进都与这些热心的同学分不开。

8.参考文献

[1]赵家贵.传感器电路设计手册.北京：中国计量出版社2002

[2]何希才.实用传感器接口电路实例.北京：中国电力出版社2007

[3]陈有卿.实用555时基电路300例.北京：中国电力出版社2005

[4]沈锦飞.电源变换应用技术.北京：机械工业出版社.2007

[5]常健生.检测与转换技术.北京:机械工业出版社.1997

[6]刘畅生.传感器简明手册及应用电路.西安:西安电子科技大学出版社.2006

[7]于彤.传感器原理及应用.北京:机械工业出版社.2008

[8]王煜东.传感器应用技术.西安:西安电子科技大学出版社.2006

[9]杨帮文.新编传感器实用宝典.北京:机械工业出版社.2005

9.附录：热带鱼缸温度控制器原理图