温度控制的设计

学 号： 课 程 设 计题 目学 院专 业班 级姓 名指导教师年月日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 温度控制的设计 初始条件：电阻、二极管、正负12V电源、UA741、电位器、LED、半导体制冷片，温度传感器LM35、开关要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）一、设计任务利用温度传感器件、集成运算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半导体致冷器)等设计一个温度控制器。二、要求（1）控制密闭容器内空气温度（2）容器容积5cm*5cm*5cm（3）测温和控温范围： 0室温（4）控温精度1三、发挥部分（1）测温和控温范围： 0（室温+10）时间安排：（1）第18周理论讲解。（2）第19周理论设计、实验设计及安装调试。地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1） 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日武汉理工大学模拟电子技术课程设计目录摘要IAbstractII1 EWB简介12 设计的技术指标及要求22.1设计任务及要求22.1.1设计任务22.1.2 设计要求22.2设计思想23 选定方案的论证及整体电路的工作原理33.1设计方案选择33.1.1可行方案：33.1.2方案的讨论与选择：33.2 选定方案的论证43.2.1选定温度传感器的论证43.2.2选定继电器的论证43.2.3选定运算放大器的论证43.3 整体电路的工作原理44单元电路的设计计算、元器件选择及电路图54.1 测温单元54.2 信号处理单元54.3 温度比较单元64.4 控制单元75 单元电路的仿真及结果95.1 信号放大电路95.2 控制电路95.3 隔离及指示电路106 整体电路图、元件及器件明细126.1 整体电路图126.2元件及器件明细127 设计小结137.1 成果的评价137.2 本设计的特点137.3 存在的问题和改进的意义13参考文献14温度控制的设计摘要控制系统一般由温度测量部分和温度控制部分组成。温度测量部分主要用来接收当前系统中的温度，然后发送到控制部分；温度控制系统主要是用来控制外部降温系统的，它接受来自温度测量部分的信号，然后与所要控制的温度信号进行比较，从而决定是否降温。本设计同样采用这两大部分，通过对当前与控制温度的对比决定是否进行加热，从而达到控制温度的目的。关键字：控制 测量 温度AbstractControl system is general by temperature measurement part and temperature control parts. Temperature measurement part mainly used to receive the current system of temperature, and send to the control part; Temperature control system is mainly used to control external cooling system, it accepted from temperature measurement part of the signal, and then to the temperature of the control signal is, to decide whether to cool. This design is also used the two most, based on the current and control temperature contrast to decide whether to heat, so as to achieve the purpose of temperature control.Key word: control measure temperatures161 EWB简介EWB软件，全称为ELECTRONICS WORKBENCH EDA，是交互图像技术有限公司在九十年代初推出的EDA软件，用于模拟电路和数字电路的混合仿真，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB是一款小巧，但是仿真功能十分强大的软件。相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎100%地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个极好的EDA工具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用。图1-1 EWB启动页面2 设计的技术指标及要求2.1设计任务及要求2.1.1设计任务 根据技术要求和所给条件，完成对温度控制系统的设计，装配与调试。 2.1.2 设计要求一、设计任务利用温度传感器件、集成运算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半导体致冷器)等设计一个温度控制器。二、要求（1）控制密闭容器内空气温度（2）容器容积5cm*5cm*5cm（3）测温和控温范围： 0室温（4）控温精度1三、发挥部分（1）测温和控温范围： 0（室温+30）2.2设计思想本次设计使用温度传感器收集当前密室的温度，然后经过各部分电路处理，与所要控制的电路进行比较。电路根据比较的结果决定是否对密室空气进行降温，如果需要制冷会自动开启半导体制冷片。当温度低于所控制的温度后，控制部分要断开制冷电路。在不制冷的情况下，密室会自动升温，当温度上升到控制温度以下的时候电路就会依照以前的步骤重新来一遍，然后对密室进行降温，然后循环往复执行这样一个周期性的动作，从而达到把温度控制在一定范围内的目的。3 选定方案的论证及整体电路的工作原理3.1设计方案选择3.1.1可行方案：方案一：通过集成运放构成的比例器，把温度传感器获得的信号放大，再将信号传输给功放，带动半导体制冷片工作，从而实现对温度的控制。功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分通过测温度传感器输出端与基准端的电压，在转化为相应的温度值。其中，基准端的电压有事先调试好。方案二：利用集成运放在非线性工作区（即饱和区）的输出端电压为正负电源电压的特性，构造温度比较器，将温度信号离散成为高电平和低电平，高电平时制冷，低电平时加热，从而实现对温度的控制。其中功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分方案同方案一。方案三：用温度传感器将采集到的温度转换成电压信号，通过集成运放构成放大器，将微弱的电压信号放大成所需要的电压信号，再通过电压比较器将温度信号离散成为高电平和低电平，高电平时制冷，低电平时加热，从而实现对温度的控制，并用LED指示灯指示半导体的工作状态。3.1.2方案的讨论与选择：方案一可行，可是存在着许多缺点，如反应慢，且温度相近时，灵敏度也降低了。方案二可行，它将变化的温度信息转变为离散的高电平和低电平，通过功放的作用，从而实现对温度的控制。但是半导体制冷片一直工作在较大功率条件下，耗能较多，且加热器和制冷器始终有其一在工作中，所以会造成资源浪费，电路也相对复杂。方案三可以很好得实现对温度的控制和测量，虽然方案三使用的电子器件较多且繁杂，电路也较复杂，但是对于控制电路来说更加准确，迅速，因为不需要对电路进行加热，则这个电路是不错的。综合考虑之后，采用方案三作为具体实现方案。3.2 选定方案的论证3.2.1选定温度传感器的论证根据设计要求，可以测量并控制0到室温的温度，精度要达到1。也就是说基本要求为传感器可以测量0到室温的温度，并且具有很好的稳定性。再结合性能以及价格方面的原因，选择了集成温度传感器LM35。LM35温度传感器在-55150摄氏度以内是非常稳定的。当它的工作电压在4到20v之间是可以在每摄氏度变化的时候输出变化10mv。它的线性度也可以在高温的时候保持得非常好。因此LM35完全符合设计要求。3.2.2选定继电器的论证继电器是低压控制高压的部分，它的开启电压以及稳定性相当重要。因为选用的电源电压是12V的，所以继电器的开启电压应当适当低于12V当接近它，因此选用开启电压为9V的比较适合。另外，由于加热部分的电流比较大，所以继电器的承受电流要大，一般1000W的加热装置电流为4.5A，选择4.5A2=9A以上的比较适合。3.2.3选定运算放大器的论证本设计对放大器的要求只是有较好的虚短和虚断特性，作为比较器时输出可以接近电源电压。因此通用型的运算放大器便可满足要求。因此选用通用型的ua741.3.3 整体电路的工作原理电路设计的总体思想是测温比较控温如图3.1所示图3.1 电路设计的整体框图4单元电路的设计计算、元器件选择及电路图 4.1 测温单元图4.1.1 测温单元电路图温度传感器需要放入水中，所以应该在电路中引出一个出口来接温度传感器。LM35有三个引脚，其中0接正电源，2接地，这样在1脚就会输出随温度而现行变化的电压。具体是每变化1摄氏度，输出电压变化10mV。信号采集单元电路如图4.1.1所示。4.2 信号处理单元LM35输出端的电压因温度改变1摄氏度而改变10mv，很难检测。所以必须经过一定的处理方可成为测量以及控制部分所使用的信号。处理方法也就是将它无损的放大一定的倍数。 因控制或测量温度在30摄氏度的时候，LM35输出电压为300mv。温度在0摄氏度的时候输出为0mv。经下面计算：得 即0 Av 40 考虑计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数为20 为宜。电路如图4.2.1 图4.2.1 信号处理单元电路4.3 温度比较单元知道了所输出的电压的大小，然后与所给的电压进行比较，从而知道电压是偏高还是偏低，即温度是偏高还是偏低。当控制温度为30度时， V=300mv*20=6V,所以，比较电压就选择6V。图4.3.1 比较单元电路图4.4 控制单元控制单元的作用是通过接收来自传感器处理后的信号，判别是否需要对当前的水体进行加热。因此控制电路处的比较基准电压应该从负电源中索取。电位器选择计算：为了使电位器在阻值最小的时候电路中电流在1.5mA以下，选择固定电阻R为2k。控制温度需要达到30摄氏度，而温度传感器是将1的温度装换为10mV的电压，而经过放大器后，又电压放大20倍，所以最后输出电压值为6V，比较器比较的电压也为-6V。Vo =300mV 20= 6 V因此电位器选择10k为宜。具体电路图如图4.4.1图4.4.1 控制单元控制电路是一个比较器，如图4.4.1所示。输出为6V，而继电器没有正负，所以必须使比较器输出负电压的时候继电器截止，因此把继电器和一个二极管串联，这样当电压为负的时候继电器就会很快地断开了。继电器内部是一个磁线圈，在断电的时候会有很大的电流，为了保护电路需要在继电器两端并联一个二极管，以使继电器断电后它的保留电流可以在二极管和电阻中快速消完。5 单元电路的仿真及结果5.1 信号放大电路 图5.1.1 信号放大电路仿真图在输入电压为0.1V时，输出电压为2.035V，在输入电压为0.4V时，输出电压为8.062V，如图5.1.2所示 图5.1.2 输入电压为0.1V和0.4V时，输出电压的值所以，放大电路实现了放大20倍的功能。5.2 控制电路控温为30度，所以比较电压为-6V，与放大器输出的电压相加，放大器输出大于6V，就输出负电压，负电压的大小由稳压管两端的电压大小决定，放大器输出的电压小于6V，就输出正电压。图5.2.1正式放大器输出电压小于6V时，比较器输出电压为19.98V。图5.2.1 控制电路仿真图仿真时，输入电压为0.1V时，输出值为20.79V;输入电压为0.4V时，输出值为-20.97V。结果如图5.2.3所示。 图5.2.3 输入电压为0.1v和0.4V时的输出结果仿真结果与实际值相符5.3 隔离及指示电路隔离电路是一个射极跟随器，输入阻抗很大，能将前后级电路分开，以免后面的指示电路影响控制电路的输出电压。由于发光二级管的只有在1.1-1.3V电压和0.5mA电流下才能正常工作，所以需要一个保护电阻。总体电路如图5.3.1所示，电压表测得是二极管两段的电压，达到了预定值。输入电压为0.1V时，表示室温为10，低于30，此时要控制加热装置发热，并且加热时指示灯发光，由仿真图5.3.1可以看出，此时二极管发光，复合预期结果。输入电压为0.4V时，表示室温为40，高于30，此时要控制加热装置制冷，并且制冷时指示灯不发光，由仿真图5.3.1可以看出，此时二极管不发光，复合预期结果。图5.3.1 输入电压为0.1V时电路仿真图图5.3.2 输入电压为0.4V电路仿真图6 整体电路图、元件及器件明细6.1 整体电路图电路如图6.1.1所示图6.1.1 温度控制系统整体电路图6.2元件及器件明细元件及器件明细如表6.2.1所示表6.2.1元件及器件明细元件器件明细继电器1个，9V 开启，28A二极管1N40074个LM351个，每1摄氏度输出变化10mVLED3个，2个黄，1个红uA7413个电位器1个 ，10k普通开关1个电阻（10k，100k，5k，1k，2k）若干，有的需要串并联得到7 设计小结7.1 成果的评价在电路的设计和制作中，使我无形中加深了对模拟电子技术基础的理解和运用能力，对课本及以前学过的知识有了一个更好的总结。在电路的实物连接中出现了一些问题，需要不断的解决，所以这几周下来，我对问题的排查能力有了很大的提高；再次，通过此次课程设计，我对设计所用到的集成块有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。7.2 本设计的特点 本设计中采用的是价格便宜且又有较好的线性度的温度传感器LM35，并采用运算放大器几乎无损放大，非常准群反映了所测量的温度。另外由于比较器比较好的开关特性。7.3 存在的问题和改进的意义温度的调控能力和传感器的反应速度有非常大的关系。如果温度传感器对温度的敏感速度非常低，控制器就无法及时得在欲控制温度处停止降温，这样就起不到控制温度的目的了。LM35的反应速度也不是非常快，当我用热水进行试验的时候，温度滞后可以达到3到4度。于是我使其贴附在散热片上，这样它对温度的反应速度才提高到控制精度为1度以内。然而，如果控制的密室温度上升速度再快点，或者密室再大点，控制的精度就又会降下来的。因此，在温度传感器方面必须进行改进。我的改进意见是加大传感器的表面积，或者是跟换效果更好的传感器，这样就会在更苛刻的条件下也可以有较大的精度了。参考文献1吴友宇. 模拟电子技术基础. 武汉：清华大学出版社，2009.2康华光模拟电子技术基础武汉：高等教育出版社，2005.73舒庆莹，凌玲模拟电子技术基础实验武汉：武汉理工大学出版社，2008.2 4徐国华. 电子技能实训教程. 北京: 北京航空航天大学出版社，20065谢自美. 电子线路设计. 第三版. 武汉: 华中科技大学出版社，20066万嘉若，林康运. 电子线路基础. 上海: 高等教育出版社，2006本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别专业、班级课程设计题目： 温度控制系统 课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日