武漢理工大學模電課程設計溫度控制系統(tǒng)

1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 溫度控制的設計 初始條件：電阻、二極管、正負12V電源、UA741、電位器、LED、半導體制冷片Tec、繼電器、開關要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）一、設計任務利用溫度傳感器件、集成運算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半導體致冷器)等設計一個溫度控制器。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）測溫和控溫范圍： 0室溫（4）控溫精度±1三、發(fā)揮部分（1）測溫和控溫范圍： 0（室溫+10）時間

2、安排：時間安排：（1）第18周理論講解。（2）第19周理論設計、實驗設計及安裝調(diào)試。地點：鑒主13樓通信工程綜合實驗室、鑒主15樓通信工程實驗室（1） 指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目 錄 摘要IAbstractII1 緒論32設計任務及要求42.1設計任務及要求42.2設計思想43 選定方案的論證及整體電路的工作原理53.1 設計方案選擇53.1.1可行方案53.1.2 方案討論和選擇63.2.1選定半導體制冷器的論證73.2.2選定繼電器的論證73.2.3選定運算放大器的論證83.3 整體電路的工作原理94單元電路的設計計算、元器件選擇及電路圖104.1

3、差分放大電路104.1.1實驗設計中的差分比例放大電路12 4.2同相滯回比較器144.2.1實驗設計中的滯回比較器154.3控制單元 185 整體電路圖、元件及器件明細19 5.1 整體電路圖195.2 實物圖205.3元件及器件明細216 設計小結22 6.1 成果的評價22 6.2 本設計的特點226.3 存在的問題和改進的意義22參考文獻 23摘要控制系統(tǒng)一般由溫度測量部分和溫度控制部分組成。溫度測量部分主要用來接收當前系統(tǒng)中的溫度，然后發(fā)送到控制部分；溫度控制系統(tǒng)主要是用來控制外部降溫系統(tǒng)的，它接受來自溫度測量部分的信號，然后與所要控制的溫度信號進行比較，從而決定是否降溫。本設計同樣

4、采用這兩大部分，通過對當前與控制溫度的對比決定是否進行加熱，從而達到控制溫度的目的。關鍵詞：溫度；測量；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 this signa

5、l 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 temperat

6、ure 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溫度的第一感覺，而如果要對溫度進行精確的測量，則要進行利用儀器進行

7、測量，這就要用到溫度測量和控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)，生活娛樂，儀器運行等很多方面都有著廣泛的應用。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，最主要的就是價格昂貴，反應速度慢或者是精度不高等。這些缺點使得溫度控制部分成為整個系統(tǒng)中的一個污點。本設計通過本人自身的所學知識，以及所考慮到的問題，盡量設計比較完美的溫度控制系統(tǒng)，希望通過設計這樣一個簡單而價格便宜的溫度控制系統(tǒng)達到拋磚引玉的目的。當然，現(xiàn)今應該是存在比我的系統(tǒng)更加完美的設計，如果可能，僅希望提供另外一種設計思路，也許會有某些火花的碰撞。2 設計的技術指標及要求2.1設計任務及要求設計任務 根據(jù)技術要求和所給條件，完成對溫度控

8、制系統(tǒng)的設計，裝配與調(diào)試。 設計要求一、設計任務利用溫度傳感器件、集成運算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半導體致冷器)等設計一個溫度控制器。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）測溫和控溫范圍： 0室溫（4）控溫精度±1三、發(fā)揮部分（1）測溫和控溫范圍： 0（室溫+10）2.2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。

9、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。3 選定方案的論證及整體電路的工作原理3.1設計方案選擇可行方案：方案一：通過集成運放構成的比例器，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

10、特性，構造溫度比較器，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：用差分比例放大器（減法器）對信號實行第一次放大，再用反相比運算電路實行第二次放大。用正、負兩個電源。功放采用乙類雙電源互補對稱功率放大電路。方案的討論與選擇：方案一可行，可是存在著許多缺點，如反應慢，且溫度相近時，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散的高電平和低電平，通過功放的作用，從而實現(xiàn)對溫度的控制。但是半導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

11、造成資源浪費，電路也相對復雜。方案三可以很好得實現(xiàn)對溫度的控制和測量，雖然方案三使用的電子器件較多且繁雜，電路也較復雜，但是對于控制電路來說更加準確，迅速，因為不需要對電路進行加熱，則這個電路是不錯的。綜合考慮之后，采用方案三作為具體實現(xiàn)方案。3.2 選定方案的論證3.2.1選定半導體制冷器的論證TECTec(ThermoelectricCooler)即半導體致冷器。 半導體致冷器是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。所謂珀爾帖效應，是指當直流電流通過兩種半導體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。重摻雜的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導體材料，碲化鉍元件采用電串聯(lián)，并且是并行發(fā)熱

12、。TEC包括一些P型和N型對（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個陶瓷電極之間；當有電流從TEC流過時，電流產(chǎn)生的熱量會從TEC的一側傳到另一側，在TEC上產(chǎn)生熱側和冷側，這就是TEC的加熱與致冷原理。 是致冷還是加熱，以及致冷、加熱的速率，由通過它的電流方向和大小來決定。一對電偶產(chǎn)生的熱電效應很小，故在實際中都將上百對熱電偶串聯(lián)在一起，所有的冷端集中在一邊，熱端集中在另一邊，這樣生產(chǎn)出用于實際的致冷器。如果在應用中需要的制冷或加熱量較大，可以使用多級半導體致冷器，對于常年運行的設備，增大致冷元件的對數(shù)，盡管增加了一些初成本，但可以獲得較高的制冷系數(shù)。 TEC的用途非常廣泛，最典型的應用是

13、激光器的溫控和PCR的溫控。眾所周知，激光器對于溫度是非常敏感的，因此對TEC的要求非常高。有些甚至要求將TEC和激光器同時采用TO封裝，這就要求TEC的體積非常小。能滿足此要求的公司也不多，德國的Micropelt公司是一個代表。其采用最先進的薄膜技術，并使用MEMS（微電機系統(tǒng)）進行加工，從而得到體積非常小的TEC。 3.2.2選定繼電器的論證繼電器是低壓控制高壓的部分，它的開啟電壓以及穩(wěn)定性相當重要。因為選用的電源電壓是12V的，所以繼電器的開啟電壓應當適當?shù)陀?2V當接近它，因此選用開啟電壓為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

14、裝置電流為4.5A，選擇4.5A×2=9A以上的比較適合。3.2.3選定運算放大器的論證本設計對放大器的要求只是有較好的虛短和虛斷特性，作為比較器時輸出可以接近電源電壓。因此通用型的運算放大器便可滿足要求。因此選用通用型的ua741.3.3整體電路工作原理為基準電位，通過調(diào)節(jié)獲得，為測量電位，由熱敏電阻決定，由于熱敏電阻為負的溫度系數(shù)，當溫度升高時，阻值變小，電位降低。這樣，集成運算放大器的輸入就減小了。 假設溫度升高，阻值變小，A點對地電位瞬時為負，由于從運算放大器的反相輸入端輸入，C點瞬時為正，由于從運算放大器的同相輸入端輸入，D點瞬時為正，則三極管基極電流增加，集電極電流也增加

15、，右圖中KA是繼電器中一個磁線圈，則磁線圈中電流增加，使左右圖中開關KA閉合，則半導體制冷器開始制冷，則溫度降低，由此實現(xiàn)對溫度的控制。4單元電路的設計計算、元器件選擇及電路圖4.1差分放大電路差分放大電路利用電路參數(shù)的對稱性和負反饋作用，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特征，廣泛應用于直接耦合電路和測量電路的輸入級。但是差分放大電路結構復雜、分析繁瑣，特別是其對差模輸入和共模輸入信號有不同的分析方法，難以理解，因而一直是模擬電子技術中的難點。差分放大電路：按輸入輸出方式分：有雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出和單端輸入單端輸出四種類型。按共模負反饋的形

16、式分：有典型電路和射極帶恒流源的電路兩種。差分放大電路(a)射極偏置差放 (b)電流源偏置差放 差放有兩個輸入端子和兩個輸出端子，因此信號的輸入和輸出均有雙端和單端兩種方式。雙端輸入時，信號同時加到兩輸入端；單端輸入時，信號加到一個輸入端與地之間，另一個輸入端接地。雙端輸出時，信號取于兩輸出端之間；單端輸出時，信號取于一個輸出端到地之間。因此，差動放大電路有雙端輸入雙端輸出、單端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入單端輸出四種應用方式。上面兩個電路均為雙端輸入雙端輸出方式。 （a） 電阻Re是T1和T2兩管的公共射極電阻，或稱射極耦合電阻，它實際上就是在工作點穩(wěn)定電路中旨入的射極電阻，只是

17、此處將兩個電阻的射極電阻合并成一個Re，所以經(jīng)它的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點，對零漂做進一步的仰制。電阻Re常用等效內(nèi)阻極大的恒流源I0來代替，以便更有效地提高抑制零漂的作用。負電源-VEE用來補償射極電阻Re兩端的直流壓降，以避免采用電壓過高的單一正電源+VCC，并可擴大輸出電壓范圍，使兩基極的靜態(tài)電位為零，基極電阻Rb通常為外接元件，也可不用，其作用是限制基極靜態(tài)電流并提高輸入電阻，RL為外接負載電阻。 基本狀態(tài)差放的外信號輸入分差模和共模兩種基本輸入狀態(tài)。當外信號加到兩輸入端子之間，使兩個輸入信號vI1、vI2的大小相等、極性相反時，稱為差模輸入狀態(tài)。此時，外輸入信號稱為差模輸入信號，以vId

18、表示，且有: 當外信號加到兩輸入端子與地之間，使vI1、vI2大小相等、極性相同時，稱為共模輸入狀態(tài)，此時的外輸入信號稱為共模輸入信號，以vIC表示，且 : 當輸入信號使vI1、vI2的大小不對稱時，輸入信號可以看成是由差模信號vId和共模信號vIc兩部分組成，其中動態(tài)時分差模輸入和共模輸入兩種狀態(tài)。 (1)對差模輸入信號的放大作用 當差模信號vId輸入(共模信號vIc=0)時，差放兩輸入端信號大小相等、極性相反，即vI1=vI2=vId/2,因此差動對管電流增量的大小相等、極性相反，導致兩輸出端對地的電壓增量， 即差模輸出電壓vod1、vod2大小相等、極性相反，此時雙端輸出電壓vo=vod

19、1vod2=2vod1=vod,可見，差放能有效地放大差模輸入信號。 要注意的是：差放公共射極的動態(tài)電阻Rem對差模信號不起(負反饋)作用。 (2)對共模輸入信號的抑制作用 當共模信號vIc輸入(差模信號vId=0)時，差放兩輸入端信號大小相等、極性相同，即vI1=vI2=vIc,因此差動對管電流增量的大小相等、極性相同，導致兩輸出端對地的電壓增量， 即差模輸出電壓voc1、voc2大小相等、極性相同，此時雙端輸出電壓vo=voc1voc2=0,可見，差放對共模輸入信號具有很強的抑制能力。 此外，在電路對稱的條件下，差放具有很強的抑制零點漂移及抑制噪聲與干擾的能力。實驗設計中的差分比例放大電路

20、這是一個差動輸入方式，為集成運算放大器，輸入為 ，為基準電位，通過調(diào)節(jié)獲得，為測量電位，由熱敏電阻決定，由于熱敏電阻為正的溫度系數(shù)，當溫度升高時，阻值變大，電位升高。這樣，集成運算放大器的輸入就增加了。差分條件是 輸出為 放大倍數(shù)為 4.2同相滯回比較器典型的同相滯回比較器電路如圖為典型的同相滯回比較器電路圖。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓，另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+

21、”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。實驗設計中的滯回比較器 差動放大器的輸出電壓U01輸入由A2組成的滯回比較器。滯回比較器的單元電路有下圖所示，設比較器輸出高電平為UOH，輸出低電平為UOL，參考電壓UR加在反相輸入端。當輸出為高電平時。運放同相輸入端電位當ui減小到u+H=UR，即此后，ui稍有減小，輸出就從高電平跳變?yōu)榈碗娖?。當輸出為低電平UOL時，運放同相輸入端電位為當Ui增大到使u+L=UR，即此后，ui稍有增加，輸出又從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。電壓傳輸特性圖如下圖所示：因此UTL和UTH 為輸出電平跳變時對應的輸入電平，常稱UTL為下門限電平，UTH為上門限電平，而兩者的差值為：

22、 輸出電壓與輸入電壓是比例運算關系，或者說是比例放大的關系。如R1和RF的阻值足夠精確，而且運算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，就可以認為uo與ui間的關系只取決于RF與R1的比值,而與運算放大器本身的參數(shù)無關。這就保證了比例運算的精度和穩(wěn)定性。式中的負號表示uo與ui反相。4.3控制單元 控制單元的作用是通過接收來自傳感器處理后的信號，判別是否需要對當前的水體進行加熱。 假設D點的瞬時極性為正，則三極管基極電流增加，由可知集電極電流也增加，左圖中KA是繼電器中一個磁線圈，則磁線圈中電流增加，使得右圖中開關KA閉合，則半導體制冷器開始制冷。5 整體電路圖、實物圖、元件及器件明細5.1 整體電路圖

23、5.2實物圖 差動放大電路實物圖 整體實物圖5.3元件及器件明細元件及器件明細元件器件明細Tec半導體制冷器BJTA1個穩(wěn)壓管2cw2311個繼電器1個，9V 開啟，28ALED1個集成運算放大器uA7412個電位器3個 ，1個10k，2個100k普通開關2個熱敏電阻（正的溫度系數(shù)）1個，1k電阻（10k，100k，5k，1k，2k）若干，有的需要串并聯(lián)得到6 設計小結6.1 成果的評價在電路的設計和制作中，使我無形中加深了對模擬電子技術基礎的理解和運用能力，對課本及以前學過的知識有了一個更好的總結。在電路的實物連接中出現(xiàn)了一些問題，需要不斷的解決，所以這幾周下來，我對問題的排查能力有了很大的提