溫度監(jiān)控裝置課程設(shè)計

1、目 錄1緒論11.1背景11.2簡介11.3應(yīng)用前景12系統(tǒng)方案設(shè)計22.1設(shè)計任務(wù)及要求22.1.1設(shè)計任務(wù)22.1.2 設(shè)計要求22.2設(shè)計思想23 選定方案的論證及整體電路的工作原理33.1設(shè)計方案選擇33.1.1可行方案：3方案一：3方案二：.3方案三：33.1.2方案的討論與選擇：33.2 選定方案的論證 43.2.1選定溫度傳感器的論證43.3 整體電路的工作原理44單元電路的設(shè)計計算、元器件選擇及電路圖54.1 測溫單元54.2 信號處理單元64.3 溫度顯示單元74.4 控制單元85 整體電路圖、元件及器件明細95.1 整體電路圖95.2元件及器件明細96 設(shè)計小結(jié)106.1

2、成果的評價106.2 本設(shè)計的特點106.3 存在的問題和改進的意義10總結(jié)11附錄12 參考文獻121緒論1.1背景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測量，這就要用到溫度測量和控制系統(tǒng)。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(yīng)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(shè)計通過本人自身的所學(xué)知識，以及所考慮到的問題，盡量設(shè)計比較完美的溫度控制系統(tǒng)，希望通過設(shè)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(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，如果可能，僅希望提供另

3、外一種設(shè)計思路，也許會有某些火花的碰撞。具有體積小，可靠性能高，對溫度進行精確的測量功能等特點，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(yīng)用。1.2簡介通過本人自身的所學(xué)知識，以及所考慮到的問題，盡量設(shè)計比較完美的溫度控制系統(tǒng)，希望通過設(shè)計這樣一個簡單而價格便宜的溫度控制系統(tǒng)1.3應(yīng)用前景溫度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報、物資倉儲等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度信息是十分重要的，近年來，溫度測控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫濕度的測控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。2系統(tǒng)方案設(shè)計2.1

4、設(shè)計任務(wù)及要求2.1.1設(shè)計任務(wù) 根據(jù)技術(shù)要求和所給條件，完成對溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，裝配與調(diào)試。 2.1.2 設(shè)計要求(一)設(shè)計任務(wù)利用溫度傳感器件、集成運算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計一個溫度控制器。(二)要求設(shè)計要求：（1）溫度測量范圍15-30，分辨率為0.05（2）溫度控制范圍：20±5，夏天使用，有本裝置驅(qū)動冷風(fēng)機，交流接觸器線圈的工作電流100微安。（3）報警指示，當(dāng)溫度高于25時，用紅燈報警。(三)發(fā)揮部分（1）測溫和控溫范圍：15-302.2設(shè)計思想本次設(shè)計使用溫度傳感器收集當(dāng)前密室的溫度，然后經(jīng)過各部分電路處理，

5、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(dǎo)體制冷片。當(dāng)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(dāng)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(fù)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(shè)計方案選擇3.1.1可行方案：方案一：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

6、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。方案二：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(dǎo)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(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。方案三：用半導(dǎo)體制冷片分別實現(xiàn)制冷功能，該方案中同樣用比較器將溫度信號離散為高電平和低電平，高電平時制冷片工作，低電平時，加熱器工作，這樣就可也實現(xiàn)對溫度的控制。其中功放電路采用兩個獨立的二級放大電路，且只用正電源。測溫部分方案同方案一。3.1.2方案的討論與

7、選擇：方案一可行，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(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，所以會造成資源浪費，電路也相對復(fù)雜。方案二可行，可是存在著許多缺點，如反應(yīng)慢，且溫度相近時，靈敏度也降低了。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(fù)雜，但是對于控制電路來說更加準(zhǔn)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選定溫度傳感器的論證根據(jù)設(shè)計要求，可以測量并控制15到室

8、溫的溫度，精度要達到±0.5。也就是說基本要求為傳感器可以測量15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(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(shè)計要求。3.2.2選定繼電器的論證繼電器是低壓控制高壓的部分，它的開啟電壓以及穩(wěn)定性相當(dāng)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(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)陀?2V當(dāng)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

9、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。3.2.3選定運算放大器的論證本設(shè)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 整體電路的工作原理電路設(shè)計的總體思想是測溫比較控溫如圖3.1所示加熱傳感器接收信號信號處理顯示控制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，主要是電壓信號。這個由傳感器所采集到的信號是非常微弱的，因此設(shè)計了一個信號處理單元，主要作用是對信號無損放大。放大后的信號就可以送到溫度

10、比較單元了。這個單元將處理后的信號與預(yù)訂值進行比較，從而決定是否進行加熱。顯示部分用來顯示所測的密室和所要控制的溫度。124單元電路的設(shè)計計算、元器件選擇及電路圖 4.1 測溫單元 圖4.1.1 測溫單元電路圖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出口來接溫度傳感器。LM35有三個引腳，其中0接正電源，2接地，這樣在1腳就會輸出隨溫度而現(xiàn)行變化的電壓。具體是每變化1攝氏度，輸出電壓變化10mV。信號采集單元電路如圖4.1.1所示。4.2 信號處理單元LM35輸出端的電壓因溫度改變1攝氏度而改變10mv，很難檢測。所以必須經(jīng)過一定的處理方可成為測量以及控制部分所使用的信號。處理方

11、法也就是將它無損的放大一定的倍數(shù)。 因控制或測量溫度在30攝氏度的時候，LM35輸出電壓為300mv。溫度在0攝氏度的時候輸出為0mv。經(jīng)下面計算：得 即0< Av < 40VinVcc 考慮計算的方便，以及最后輸出測量的方便，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)兩個主要的任務(wù)，主要是顯示當(dāng)前以及控制的溫度，如果沒有它就不知道自己到哪里了。溫度顯示實質(zhì)上就是電壓顯示，主要是設(shè)計一個可以表征溫度的電壓表。因低溫區(qū)的電壓比較小，因此為了提高測量和控制的精度，需要設(shè)置兩個量程。電阻選擇計算：已知：萬用表內(nèi)

12、阻滿量程為所以若使其測量10V電壓，串聯(lián)電阻R1需要滿足：帶入數(shù)據(jù)可算出 若使其測量5V電壓，串聯(lián)電阻R2需要滿足：因此可以通過設(shè)置一個開關(guān)來達到改變量程的目的。另外控制和測量溫度都需要使用一個表頭來顯示。如圖4.3.1當(dāng)單刀雙擲開關(guān)S2打到左邊的時候，可以通過調(diào)節(jié)電位器R7來調(diào)整控制電壓，具體的會在控制單元中說明。當(dāng)開關(guān)S2打到右邊的時候，表頭用來顯示當(dāng)前傳感器傳過來的經(jīng)過處理的信號，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接收來自傳感器處理后的信號，判別是否需要對當(dāng)前的水體進行加熱。因為初級放大電路是反向放大電路，所以，電壓會變成負電壓。因此

13、控制電路處的比較基準(zhǔn)電壓應(yīng)該從負電源中索取。電位器選擇計算：為了使電位器在阻值最小的時候電路中電流在1.5mA以下，選擇固定電阻R為2k。雖然控制溫度需要達到30攝氏度，但是為了適應(yīng)實際，同時以防被毀，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比較器，如圖4.4.2所示。輸出為正負12V，而繼電器沒有正負，所以必須使比較器輸出負電壓的時候繼電器截止，因此把繼電器和一個二極管串聯(lián)，這樣當(dāng)電壓為負的時候繼電器就會很快地斷開了。繼電器內(nèi)部是一個磁線圈，在斷電的時候會有很大

14、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。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元件及器件明細元件及器件明細如表6.3.1所示表6.3.1元件及器件明細元件器件明細繼電器1個，9V 開啟，28A二極管1N40074個LM351個，每1攝氏度輸出變化10mVLED3個，2個黃，1個紅uA7413個電位器1個 ，10k6 設(shè)計小結(jié)6.1 成果的評價在電路的設(shè)計和制作中，使我無形中加深了對模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的理解和運用能力，對課本及以

15、前學(xué)過的知識有了一個更好的總結(jié)。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高；再次，通過此次課程設(shè)計，我對設(shè)計所用到的集成塊有了更加深刻地了解，這對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)計中，實物的測試還在進行中。我認為對電子電路知識的學(xué)習(xí)應(yīng)該認真和謹慎，并保持一個積極的心態(tài)去面對它，要不怕苦不怕累。我們知道，理論知識學(xué)起來有時很枯燥，但我們不能就此放棄，而應(yīng)該問老師、同學(xué)或者查資料把不懂的知識融會貫通，讓自己的電子電路知識豐富起來。 6.2 本設(shè)計的特點 本設(shè)計中采用的是價格便宜且又有較好的線性度的溫度傳感

16、器LM35，并采用運算放大器幾乎無損放大，非常準(zhǔn)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 存在的問題和改進的意義溫度的調(diào)控能力和傳感器的反應(yīng)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(yīng)速度也不是非?？欤?dāng)我用熱水進行試驗的時候，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(yīng)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

17、，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?？偨Y(jié)課程設(shè)計一周，我要特別感謝田老師對我的悉心指導(dǎo)。如果沒有田老師的指點，這次課設(shè)可能無法進展下去，老師的寶貴意見我會銘記在心。知識的學(xué)習(xí)應(yīng)該認真和謹慎，并保持一個積極的心態(tài)去面對它，要不怕苦不怕累。我們知道，理論知識學(xué)起來有時很枯燥，但我們不能就此放棄，而應(yīng)該問老師、同學(xué)或者查資料把不懂的知識融會貫通，讓自己的電子電路知識豐富起來。 接觸了這門課程后我認為有兩點需要我們學(xué)生注意：首先，要懂得把理論知識和實際生活聯(lián)系起來。眾所周知，學(xué)習(xí)理論的最終目的是為了實踐，同時，也只有實踐才能檢驗理論的準(zhǔn)確與否。理論聯(lián)系實際是一個很艱辛的過程。理論課中的元器件大多數(shù)都是在理想狀態(tài)下工作的，而我們生活中的諸多環(huán)境因素對元器件或多或少都是有影響的，所以這給實際應(yīng)用帶來了不便。通過學(xué)習(xí)后我們會了解到，電子電路里的很多參數(shù)都是取近似值的，這也給我們學(xué)生帶