溫度控制系統(tǒng)的設計書.docx

武漢理工大學模擬電子技術(shù)課程設計溫度控制系統(tǒng)的設計書1. 設計思想及方案1.1 設計思想本次設計使用溫度傳感器收集當前密室的溫度，然后經(jīng)過各部分電路處理，與所要控制的電路進行比較。電路根據(jù)比較的結(jié)果決定是否對密室空氣進行降溫，如果需要制冷會自動開啟半導體制冷片。當溫度低于所控制的溫度后，控制部分要斷開制冷電路。在不制冷的情況下，密室會自動升溫，當溫度上升到控制溫度以下的時候電路就會依照以前的步驟重新來一遍，然后對密室進行降溫，然后循環(huán)往復執(zhí)行這樣一個周期性的動作，從而達到把溫度控制在一定范圍內(nèi)的目的。1.2 設計方案的選擇1.2.1 可行方案方案一：通過集成運放構(gòu)成的比例器，把溫度傳感器獲得的信號放大，再將信號傳輸給功放，帶動半導體制冷片工作，從而實現(xiàn)對溫度的控制。功放采用乙類雙電源互補對稱功率放大電路。測溫部分通過測溫度傳感器輸出端與基準端的電壓，在轉(zhuǎn)化為相應的溫度值。其中，基準端的電壓有事先調(diào)試好。方案二：利用集成運放在非線性工作區(qū)（即飽和區(qū)）的輸出端電壓為正負電源電壓的特性，構(gòu)造溫度比較器，將溫度信號離散成為高電平和低電平，高電平時制冷，低電平時加熱，從而實現(xiàn)對溫度的控制。其中功放采用乙類雙電源互補對稱功率放大電路。測溫部分方案同方案一。方案三：用溫度傳感器將采集到的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過集成運放構(gòu)成放大器，將微弱的電壓信號放大成所需要的電壓信號，再通過電壓比較器將溫度信號離散成為高電平和低電平，高電平時制冷，低電平時加熱，從而實現(xiàn)對溫度的控制，并用LED指示燈指示半導體的工作狀態(tài)。1.2.2 方案的討論與選擇三個方案理論上均為可行的，但各有缺點：方案一反應慢，且到了與設定溫度相近時，靈敏度非常差；方案二將溫度離散成高電平與低電平，通過功放，進行對溫度的控制，但半導體制冷器一直處于大功率工作狀態(tài)，耗能較多，且加熱和制冷器始終在工作，造成資源浪費，電路相對來說也很復雜。方案三可以很好地實現(xiàn)對溫度的測量與控制，雖然使用的電子元件較多，電路也相對復雜，但是控制電路更加準確迅速，所以這個方案較好。綜合以上討論，我選擇了方案三作為設計方案。2. 設計流程及相關(guān)器件的選擇2.1 設計流程溫度傳感器接受信號運算放大電壓比較器大于基準電壓LED亮繼電器開啟制冷器導通小于基準電壓LED不亮繼電器關(guān)閉制冷器未導通自動升溫降溫維持設定溫度圖2.1 整體流程圖2.2 相關(guān)器材選擇 2.2.1 溫度傳感器的選擇根據(jù)設計要求，可以測量并控制0到室溫的溫度，精度要達到1。也就是說基本要求為傳感器可以測量0到室溫的溫度，并且具有很好的穩(wěn)定性。再結(jié)合性能以及價格方面的原因，選擇了集成溫度傳感器LM35。LM35溫度傳感器在-55150攝氏度以內(nèi)是非常穩(wěn)定的。當它的工作電壓在4到20v之間是可以在每攝氏度變化的時候輸出變化10mv。它的線性度也可以在高溫的時候保持得非常好。因此LM35完全符合設計要求。2.2.2 繼電器的選擇繼電器是控制制冷的關(guān)鍵所在，故而繼電器的選擇很重要。因為使用的電源是正負15V的電壓，所以繼電器的開啟電壓應適當接近15V，考慮到實際中電壓跟隨器的電壓損耗，繼電器開啟電壓選擇12V較為合適。而輸出部分是帶動半導體制冷器，半導體制冷器的工作電流為2A，故繼電器的承受電流應大于2A，選用3A的比較合適。2.2.3 運算放大器的選擇因為此次的設計使用的運放只需要完成基本的功能，所以只需要其具有良好的虛短虛斷特性，使其作為電壓比較器輸出的電壓接近電源電壓，故通用型的運算放大器就可以滿足要求。因此選用通用型運放UA741。3. 單元電路的設計3.1 單元電路的選擇3.1.1 測溫電路圖3.1.1 測溫電路溫度傳感器LM35三個引腳分別接正電源，地及信號輸入端，如上圖所示。其中1腳的電位根據(jù)環(huán)境溫度而變化。具體是環(huán)境溫度每改變1，其電壓變化10mV。 3.1.2 信號處理電路LM35輸出的電壓為每改變10mV，這個電壓太小，很難檢測到，所以必須經(jīng)過一定的處理方可成為測量及控制電路所用的信號。處理方法也就是將其無損地放大一定倍數(shù)。由于當溫度與電壓的關(guān)系為V=10t，單位為mV。所以通過下面的計算得 即0 Av 40考慮到計算的方便及測量輸出，放大倍數(shù)設置為20倍為宜 圖3.1.2 信號處理電路 3.1.3 電壓比較電路 知道了所輸出的電壓的大小，然后與所給的電壓進行比較，從而知道電壓是偏高還是偏低，即溫度是偏高還是偏低。當控制溫度為30度時， V=300mv*20=6V,所以，比較電壓就選擇-6V。當輸入電壓大于6V時，電壓比較器輸出+15V，當輸入小于6V時，電壓比較器輸出-15V。 圖3.1.3 電壓比較電路3.1.4 電壓跟隨器與控制電路電壓比較器輸出兩種電壓高電平與低電平，以此控制繼電器，因為繼電器開啟電壓沒有正負之分，所以要加一個二極管控制電壓方向?？紤]到LED燈的承受能力，需要串聯(lián)一個保護電阻，10K即可。為了防止前后電路互相影響，因此在兩者之間加上一個電壓跟隨器，以隔離前后電路。 圖3.1.4 電壓跟隨器及繼電器 （圖中1k電阻代替繼電器）繼電器內(nèi)部是一個磁線圈，在斷電的時候會有很大的電流，為了保護電路需要在繼電器兩端并聯(lián)一個二極管，以使繼電器斷電后它的保留電流可以在二極管和電阻中快速消完。4. 電路仿真4.1 信號放大電路仿真 圖4.1.1 輸入為0.1V時 圖4.1.2 輸入為0.3V時 從圖中易看出：當輸入為0.1V時，輸出為1.98V； 當輸入為0.3V時，輸出為5.98V，放大倍數(shù)約為20倍。4.2 比較電路的仿真 圖4.2.1 輸入電壓為3V. 圖4.2.2 輸入電壓為8V當比較器的輸入電壓為3V時，輸出低電平；當比較器的輸入電壓為8V時，輸出高電平，故比較器可以實現(xiàn)將電壓信號離散成高低電平的功能。若需要調(diào)節(jié)輸出大小，只需改變運放電源大小即可。4.3 整體電路仿真圖4.3.1 源輸入0.2V輸入電壓為0.2V時，表示容器溫度為20，低于30，此時繼電器要關(guān)閉，制冷不工作，并且LED1不發(fā)光。由仿真圖4.3.1可看出LED1并沒有發(fā)光，符合預期結(jié)果 圖4.3.2 源輸入為0.5V輸入為0.5V，表示容器溫度為50度，高于30度，此時繼電器要打開，制冷器通電，同時LED1亮起表示制冷器正在工作。由仿真圖4.3.2可看出LED1確實發(fā)光了，故此時TEC在制冷，符合預期結(jié)果。5. 整體電路圖及元件清單5.1 整體電路圖 圖5.1 整體電路圖 5.2 元件清單元件說明運算放大器ua7413個溫度傳感器LM351個LED2個，一紅一綠二極管1N40072個半導體制冷器TEC127031塊繼電器1個電阻若干 表5.2 元件清單6. 設計小結(jié)6.1 設計感悟及實物圖這次課程設計，使我對模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的運用有了更加深刻的理解，加強了實際操作能力，對課本及以前學過的電路知識有了一個更好的總結(jié)。當在電路的連接時出現(xiàn)了問題，需要不斷的排查，而調(diào)試時也需要調(diào)出各種需要的電源，測量各種電壓電流量，所以這兩周來的努力讓我的動手能力更上了一層樓。通過這次設計，我接觸到了各種電路模擬的電腦軟件，知道了有些東西不必實際去焊，去做，就可以知道具體的結(jié)果。在以后的學習工作中，使用這些仿真軟件將極大的幫助我完成各項任務。 圖6.1.1 裝配圖 圖6.1.2 接線圖 6.2 設計特點 本設計中采用的是價格便宜且又有較好的線性度的溫度傳感器LM35，并采用運算放大器幾乎無損放大，非常準群反映了所測量的溫度。另外由于比較器比較好的開關(guān)特性。6.3 存在的問題及改進溫度的調(diào)控能力和傳感器的反應速度有非常大的關(guān)系。如果溫度傳感器對溫度的敏感速度非常低，控制器就無法及時得在欲控制溫度處停止降溫，這樣就起不到控制溫度的目的了。LM35的反應速度也不是非?？?，當我進行試驗的時候，溫度滯后可以達到3到4度。于是我使其貼附在散熱片上，這樣它對溫度的反應速度才提高到控制精度為1度以內(nèi)。然而，如果控制的密室溫度上升速度再快點，或者密室再大點，控制的精度就又會降下來的。因此，在溫度傳感器方面必須進行改進。我的改進意見是加大傳感器的表面積，或者是跟換效果更好的傳感器，這樣就會在更苛刻的條件下也可以有較大的精度了7. 參考文獻1吳友宇. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 武漢：清華大學出版社，2009.2康華光模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)武漢：高等教育出版社，2005.73舒慶瑩，凌玲模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實