模電課程設(shè)計(jì)--溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(共24頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 溫度控制的設(shè)計(jì) 初始條件：電阻、二極管、正負(fù)12V電源、UA741、電位器、LED、半導(dǎo)體制冷片，溫度傳感器LM35、開(kāi)關(guān)要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）一、設(shè)計(jì)任務(wù)利用溫度傳感器件、集成運(yùn)算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器。二、要求（1）控制密閉容器內(nèi)空氣溫度（2）容器容積>5cm*5cm*5cm（3）測(cè)溫和控溫范圍： 0室溫（4）控溫精度±1三、發(fā)揮部分（1）測(cè)溫和

2、控溫范圍： 0（室溫+10）時(shí)間安排：時(shí)間安排：（1）第18周理論講解。（2）第19周理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試。地點(diǎn)：鑒主13樓通信工程綜合實(shí)驗(yàn)室、鑒主15樓通信工程實(shí)驗(yàn)室（1） 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄 摘要IAbstractII1 緒論12設(shè)計(jì)任務(wù)及要求22.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求22.2設(shè)計(jì)思想23 選定方案的論證及整體電路的工作原理33.1 設(shè)計(jì)方案選擇33.1.1可行方案33.1.2 方案討論和選擇43.2 選定方案的論證53.2.1選定溫度傳感器的論證53.2.2選定繼電器的論證53.2.3選定運(yùn)算放大器的論證53.3 整體電路的工作原理

3、64單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、元器件選擇及電路圖7 4.1 測(cè)溫單元7 4.2 信號(hào)處理單元84.3 溫度顯示單元94.4 控制單元 105 整體電路圖、元件及器件明細(xì)12 5.1 整體電路圖12 5.2 實(shí)物圖展示13 5.3 元件及器件明細(xì)156 設(shè)計(jì)小結(jié)16 6.1 成果的評(píng)價(jià)16 6.2 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)166.3 存在的問(wèn)題和改進(jìn)的意義16參考文獻(xiàn) 17專心-專注-專業(yè)摘要控制系統(tǒng)一般由溫度測(cè)量部分和溫度控制部分組成。溫度測(cè)量部分主要用來(lái)接收當(dāng)前系統(tǒng)中的溫度，然后發(fā)送到控制部分；溫度控制系統(tǒng)主要是用來(lái)控制外部降溫系統(tǒng)的，它接受來(lái)自溫度測(cè)量部分的信號(hào)，然后與所要控制的溫度信號(hào)進(jìn)行比較，從而決定是

4、否降溫。本設(shè)計(jì)同樣采用這兩大部分，通過(guò)對(duì)當(dāng)前與控制溫度的對(duì)比決定是否進(jìn)行加熱，從而達(dá)到控制溫度的目的。關(guān)鍵詞：溫度；測(cè)量；控制。 Abstract General system for temperature is made of the part of measuring temperature and the part of controling temperature. The part of  measuring is to receive the signal of current temperature. And then ,it will transfor t

5、his signal to the part of controling,which is to contorl if it should be heated up or cooled. The part of controling compare it to the controled temperature after receiving the signal from the forward. Then ,it is going to determine is the system need to be heated up or cooled. This design for water

6、 temperature is also made of these parts.This system control the temperature of water by comparing temperature to temperature to control to decide if to heat up.So that we can get the destination of controling temperature.Key words: temperature ; measure ;control 1 緒論冬暖夏涼是人們對(duì)溫度的第一感覺(jué)，而如果要對(duì)溫度進(jìn)行精確的測(cè)量，則

7、要進(jìn)行利用儀器進(jìn)行測(cè)量，這就要用到溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)，生活?yuàn)蕵?lè)，儀器運(yùn)行等很多方面都有著廣泛的應(yīng)用。而現(xiàn)今很多的溫度控制系統(tǒng)大多數(shù)都有很多的缺點(diǎn)，最主要的就是價(jià)格昂貴，反應(yīng)速度慢或者是精度不高等。這些缺點(diǎn)使得溫度控制部分成為整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)污點(diǎn)。本設(shè)計(jì)通過(guò)本人自身的所學(xué)知識(shí)，以及所考慮到的問(wèn)題，盡量設(shè)計(jì)比較完美的溫度控制系統(tǒng)，希望通過(guò)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單而價(jià)格便宜的溫度控制系統(tǒng)達(dá)到拋磚引玉的目的。當(dāng)然，現(xiàn)今應(yīng)該是存在比我的系統(tǒng)更加完美的設(shè)計(jì)，如果可能，僅希望提供另外一種設(shè)計(jì)思路，也許會(huì)有某些火花的碰撞。2 設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1.1設(shè)計(jì)任務(wù) 根據(jù)技術(shù)

8、要求和所給條件，完成對(duì)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，裝配與調(diào)試。 2.1.2 設(shè)計(jì)要求一、設(shè)計(jì)任務(wù)利用溫度傳感器件、集成運(yùn)算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器。二、要求（1）控制密閉容器內(nèi)空氣溫度（2）容器容積>5cm*5cm*5cm（3）測(cè)溫和控溫范圍： 0室溫（4）控溫精度±1三、發(fā)揮部分（1）測(cè)溫和控溫范圍： 0（室溫+10）2.2設(shè)計(jì)思想本次設(shè)計(jì)使用溫度傳感器收集當(dāng)前密室的溫度，然后經(jīng)過(guò)各部分電路處理，與所要控制的電路進(jìn)行比較。電路根據(jù)比較的結(jié)果決定是否對(duì)密室空氣進(jìn)行降溫，如果需要制冷會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟半導(dǎo)體制冷片。當(dāng)溫度低于

9、所控制的溫度后，控制部分要斷開(kāi)制冷電路。在不制冷的情況下，密室會(huì)自動(dòng)升溫，當(dāng)溫度上升到控制溫度以下的時(shí)候電路就會(huì)依照以前的步驟重新來(lái)一遍，然后對(duì)密室進(jìn)行降溫，然后循環(huán)往復(fù)執(zhí)行這樣一個(gè)周期性的動(dòng)作，從而達(dá)到把溫度控制在一定范圍內(nèi)的目的。3 選定方案的論證及整體電路的工作原理3.1設(shè)計(jì)方案選擇3.1.1可行方案：方案一：通過(guò)集成運(yùn)放構(gòu)成的比例器，把溫度傳感器獲得的信號(hào)放大，再將信號(hào)傳輸給功放，帶動(dòng)半導(dǎo)體制冷片工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。測(cè)溫部分通過(guò)測(cè)溫度傳感器輸出端與基準(zhǔn)端的電壓，在轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值。其中，基準(zhǔn)端的電壓有事先調(diào)試好。方案二：利用集成運(yùn)放在非

10、線性工作區(qū)（即飽和區(qū)）的輸出端電壓為正負(fù)電源電壓的特性，構(gòu)造溫度比較器，將溫度信號(hào)離散成為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷，低電平時(shí)加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。其中功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。測(cè)溫部分方案同方案一。方案三：用半導(dǎo)體制冷片分別實(shí)現(xiàn)制冷功能，該方案中同樣用比較器將溫度信號(hào)離散為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷片工作，低電平時(shí)，加熱器工作，這樣就可也實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。其中功放電路采用兩個(gè)獨(dú)立的二級(jí)放大電路，且只用正電源。測(cè)溫部分方案同方案一。3.1.2方案的討論與選擇：方案一可行，可是存在著許多缺點(diǎn)，如反應(yīng)慢，且溫度相近時(shí)，靈敏度也降低了。方案二可行，它將變化的溫度信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散

11、的高電平和低電平，通過(guò)功放的作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。但是半導(dǎo)體制冷片一直工作在較大功率條件下，耗能較多，且加熱器和制冷器始終有其一在工作中，所以會(huì)造成資源浪費(fèi)，電路也相對(duì)復(fù)雜。方案三可以很好得實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制和測(cè)量，雖然方案三使用的電子器件較多且繁雜，電路也較復(fù)雜，但是對(duì)于控制電路來(lái)說(shuō)更加準(zhǔn)確，迅速，因?yàn)椴恍枰獙?duì)電路進(jìn)行加熱，則這個(gè)電路是不錯(cuò)的。綜合考慮之后，采用方案三作為具體實(shí)現(xiàn)方案。3.2 選定方案的論證3.2.1選定溫度傳感器的論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以測(cè)量并控制0到室溫的溫度，精度要達(dá)到±1。也就是說(shuō)基本要求為傳感器可以測(cè)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

12、價(jià)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(dāng)它的工作電壓在4到20v之間是可以在每攝氏度變化的時(shí)候輸出變化10mv。它的線性度也可以在高溫的時(shí)候保持得非常好。因此LM35完全符合設(shè)計(jì)要求。3.2.2選定繼電器的論證繼電器是低壓控制高壓的部分，它的開(kāi)啟電壓以及穩(wěn)定性相當(dāng)重要。因?yàn)檫x用的電源電壓是12V的，所以繼電器的開(kāi)啟電壓應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)陀?2V當(dāng)接近它，因此選用開(kāi)啟電壓為9V的比較適合。另外，由于加熱部分的電流比較大，所以繼電器的承受電流要大，一般1000W的加熱裝置電流為4.5A，選擇4.5A×2=9A以上的比較適合。3.2.

13、3選定運(yùn)算放大器的論證本設(shè)計(jì)對(duì)放大器的要求只是有較好的虛短和虛斷特性，作為比較器時(shí)輸出可以接近電源電壓。因此通用型的運(yùn)算放大器便可滿足要求。因此選用通用型的ua741.3.3 整體電路的工作原理電路設(shè)計(jì)的總體思想是測(cè)溫比較控溫如圖3.1所示加熱溫度比較傳感器接收信號(hào)信號(hào)處理顯示控制圖3.3.1 模塊框圖傳感器采用封裝形式，將其放入欲控制系統(tǒng)中。收集溫度所表征的信號(hào)，主要是電壓信號(hào)。這個(gè)由傳感器所采集到的信號(hào)是非常微弱的，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)處理單元，主要作用是對(duì)信號(hào)無(wú)損放大。放大后的信號(hào)就可以送到溫度比較單元了。這個(gè)單元將處理后的信號(hào)與預(yù)訂值進(jìn)行比較，從而決定是否進(jìn)行加熱。顯示部分用來(lái)顯示所測(cè)的

14、密室和所要控制的溫度。4單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、元器件選擇及電路圖 4.1 測(cè)溫單元 圖4.1.1 測(cè)溫單元電路圖Vcc溫度傳感器需要放入水中，所以應(yīng)該在電路中引出一個(gè)出口來(lái)接溫度傳感器。LM35有三個(gè)引腳，其中0接正電源，2接地，這樣在1腳就會(huì)輸出隨溫度而現(xiàn)行變化的電壓。具體是每變化1攝氏度，輸出電壓變化10mV。信號(hào)采集單元電路如圖4.1.1所示。4.2 信號(hào)處理單元LM35輸出端的電壓因溫度改變1攝氏度而改變10mv，很難檢測(cè)。所以必須經(jīng)過(guò)一定的處理方可成為測(cè)量以及控制部分所使用的信號(hào)。處理方法也就是將它無(wú)損的放大一定的倍數(shù)。 因控制或測(cè)量溫度在30攝氏度的時(shí)候，LM35輸出電壓為300mv

15、。溫度在0攝氏度的時(shí)候輸出為0mv。經(jīng)下面計(jì)算：得 即0< Av < 40VinVcc 考慮計(jì)算的方便，以及最后輸出測(cè)量的方便，放大倍數(shù)為30 為宜。電路-Vee如圖4.2.1。圖4.2.1 信號(hào)處理單元電路圖4.3 溫度顯示單元 溫度顯示單元承擔(dān)兩個(gè)主要的任務(wù)，主要是顯示當(dāng)前以及控制的溫度，如果沒(méi)有它就不知道自己到哪里了。溫度顯示實(shí)質(zhì)上就是電壓顯示，主要是設(shè)計(jì)一個(gè)可以表征溫度的電壓表。因低溫區(qū)的電壓比較小，因此為了提高測(cè)量和控制的精度，需要設(shè)置兩個(gè)量程。電阻選擇計(jì)算：已知：萬(wàn)用表內(nèi)阻滿量程為所以若使其測(cè)量10V電壓，串聯(lián)電阻R1需要滿足：帶入數(shù)據(jù)可算出 若使其測(cè)量5V電壓，串聯(lián)電

16、阻R2需要滿足：因此可以通過(guò)設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到改變量程的目的。另外控制和測(cè)量溫度都需要使用一個(gè)表頭來(lái)顯示。如圖4.3.1當(dāng)單刀雙擲開(kāi)關(guān)S2打到左邊的時(shí)候，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R7來(lái)調(diào)整控制電壓，具體的會(huì)在控制單元中說(shuō)明。當(dāng)開(kāi)關(guān)S2打到右邊的時(shí)候，表頭用來(lái)顯示當(dāng)前傳感器傳過(guò)來(lái)的經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)，也就是表征溫度的電壓量。圖4.3.1 顯示單元電路圖4.4 控制單元控制單元的作用是通過(guò)接收來(lái)自傳感器處理后的信號(hào)，判別是否需要對(duì)當(dāng)前的水體進(jìn)行加熱。因?yàn)槌跫?jí)放大電路是反向放大電路，所以，電壓會(huì)變成負(fù)電壓。因此控制電路處的比較基準(zhǔn)電壓應(yīng)該從負(fù)電源中索取。電位器選擇計(jì)算：為了使電位器在阻值最小的時(shí)候電路中電流在

17、1.5mA以下，選擇固定電阻R為2k。雖然控制溫度需要達(dá)到30攝氏度，但是為了適應(yīng)實(shí)際，同時(shí)以防被毀，控制電壓設(shè)置最大為50攝氏度。Vo = 500mV × 30= 15 V因此電位器選擇10k為宜。具體電路圖如圖4.4.1圖4.4.1控制單元電路圖控制電路是一個(gè)比較器，如圖4.4.2所示。輸出為正負(fù)12V，而繼電器沒(méi)有正負(fù)，所以必須使比較器輸出負(fù)電壓的時(shí)候繼電器截止，因此把繼電器和一個(gè)二極管串聯(lián)，這樣當(dāng)電壓為負(fù)的時(shí)候繼電器就會(huì)很快地?cái)嚅_(kāi)了。繼電器內(nèi)部是一個(gè)磁線圈，在斷電的時(shí)候會(huì)有很大的電流，為了保護(hù)電路需要在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)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

18、快速消完。圖4.4.2繼電器使用電路圖5 整體電路圖、元件及器件明細(xì)5.1 整體電路圖電路如圖5.1.1所示圖5.1.1 水溫控制系統(tǒng)整體電路圖5.2 實(shí)物圖展示圖6.2.1主模塊實(shí)物圖（正面）圖6.2.2實(shí)物演示圖（反面）圖6.2.3電路板測(cè)試圖5.3元件及器件明細(xì)元件及器件明細(xì)如表6.3.1所示表6.3.1元件及器件明細(xì)元件器件明細(xì)繼電器1個(gè)，9V 開(kāi)啟，28A二極管1N40074個(gè)LM351個(gè)，每1攝氏度輸出變化10mVLED3個(gè)，2個(gè)黃，1個(gè)紅uA7413個(gè)電位器1個(gè) ，10k單刀雙擲開(kāi)關(guān)1個(gè)普通開(kāi)關(guān)2個(gè)表頭1個(gè)，0.25V，250歐姆電阻（10k，100k，5k，1k，2k）若干，有的需要串并聯(lián)得到6 設(shè)計(jì)小結(jié)6.1 成果的評(píng)價(jià)在電路的設(shè)計(jì)和制作中，使我無(wú)形中加深了對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的理解和運(yùn)用能力，對(duì)課本及以前學(xué)過(guò)的知識(shí)有了一個(gè)更好的總結(jié)。在電路的實(shí)物連接中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，需要不斷的解決，所以這幾周下來(lái)，我對(duì)問(wèn)題的排查能力有了很大的提高；再次，通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)設(shè)計(jì)所用到的集成塊有了更加深刻地了解，這對(duì)我們以后的工作和學(xué)習(xí)的幫助都很有用處。在這次的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)物的測(cè)試還在進(jìn)行中。6.2 本設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)中采用的是價(jià)格便宜且又有較好的線性度的溫度傳感器LM35，并采用運(yùn)算放大器幾乎無(wú)損放大，非常