簡易溫度控制器設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)綜合訓(xùn)練設(shè)計(jì)報告簡易溫度控制器制作姓 名：張清明學(xué) 號： 09260203班 級： 控制工程基地二班同組成員：吳舟航指導(dǎo)教師： 楊新華李恒杰日 期：2010年7月17日摘要本設(shè)計(jì)是為了做一個簡易溫度控制器，其可分為兩大部分：測溫 電路，比較控制電路。測溫電路將溫度信號通過模擬電路轉(zhuǎn)換成電壓 信號，采用熱敏電阻根據(jù)溫度的變化來引起電壓的變化。比較控制電 路將轉(zhuǎn)換后的電壓信號利用比較運(yùn)算放大器與設(shè)置的溫度值對應(yīng)的 電壓進(jìn)行比較這樣比較器就將模擬的電壓信號范圍轉(zhuǎn)化為只有幾組1 和0兩種情況的組合，輸出高或低電平通過數(shù)字邏輯確定LED燈顯示 溫度狀態(tài)。控制電路也是將轉(zhuǎn)換后的電壓信號過比較運(yùn)算放

2、大器與設(shè) 置的溫度值對應(yīng)的電壓進(jìn)行比較，輸出高或輸出高或低電平控制加熱 裝置，從而控制溫度。關(guān)鍵詞:溫度檢測，信號轉(zhuǎn)換，比較，顯示，控制。目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求錯誤!未定義書簽。1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容錯誤!未定義書簽。1 . 2 技術(shù)要求:錯誤!未定義書簽。錯誤!未定義書簽。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 1系統(tǒng)要求錯誤!未定義書簽。2 . 2設(shè)計(jì)方案2. 3 系統(tǒng)工作原理錯誤!未定義書簽。#三、單元電路設(shè)計(jì) 錯誤!未定義書簽。3. 1 溫度檢測單元電路73.2溫度比較控制單元電路錯誤!未定義書簽。3.3電源單元電路 . 錯誤!未定義書簽。四、系統(tǒng)仿真錯誤!未定義書簽。五、電路的安裝、調(diào)試與測試 錯誤!未定義書簽

3、。5. 1 電路安裝錯誤!未定義書簽。5. 2 電路的調(diào)試錯誤!未定義書簽。）5. 2 系統(tǒng)功能及性能測試錯誤!未定義書簽。六、結(jié)論錯誤!未定義書簽。七、參考文獻(xiàn)錯誤!未定義書簽。八、總結(jié)體會和建議 錯誤!未定義書簽。附錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)并制作一個溫度監(jiān)控系統(tǒng)，用溫度傳感器檢測容器內(nèi)水的溫度，以檢 測到的溫度信號控制加熱器的開關(guān)，將水溫控制在一定的范圍之內(nèi)。2設(shè)計(jì)要求：1、當(dāng)水溫小于50笆時，H1、H2兩個加熱器同時打開，將容器內(nèi)的水加熱，；2、當(dāng)水溫大于50C，但小于60C時，H1加熱器打開，H2加熱器關(guān)閉；3、當(dāng)水溫大于60C時，H1、H2兩個加熱器同時關(guān)閉；4、當(dāng)水溫

4、小于40C，或者大于70C時，用紅色發(fā)光二極管發(fā)出報警信號;5、當(dāng)水溫在40C70C之間時，用綠色發(fā)光二極管指示水溫正常；6、電源：220V/50HZ的工頻交流電供電。（注：直流電源部分僅完成設(shè)計(jì)即可，不需制作，用實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源 調(diào)試）7、按照以上技術(shù)完成要求設(shè)計(jì)出電路，繪制電路圖，對設(shè)計(jì)的電路用Multisim或OrCAD/進(jìn)行必要的仿真，用萬用板焊接元器件，制作電路，完成調(diào) 試、測試，撰寫設(shè)計(jì)報告，。發(fā)揮部分：1、提高溫度采集及控制精度;2、其他恰當(dāng)功能；二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)要求系統(tǒng)主要要求將溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再將其轉(zhuǎn)化為控制信號，從而對 外部加熱電路進(jìn)行控制，從而自動的調(diào)節(jié)水溫，

5、電路的細(xì)節(jié)要求如下：1、當(dāng)水溫小于50笆時，H1、H2兩個加熱器同時打開，將容器內(nèi)的水加熱，；2、當(dāng)水溫大于50C，但小于60C時，H1加熱器打開，H2加熱器關(guān)閉；3、當(dāng)水溫大于60C時，H1、H2兩個加熱器同時關(guān)閉；4、當(dāng)水溫小于40C，或者大于70C時，用紅色發(fā)光二極管發(fā)出報警信號;5、當(dāng)水溫在40C70C之間時，用綠色發(fā)光二極管指示水溫正常；2設(shè)計(jì)方案圖1由上面的拓?fù)鋱D可以得出本溫控系統(tǒng)主要為三部分組成，分別是測溫部分、 根據(jù)所測量的溫度與給定值進(jìn)行比較部分，比較后的得出的信號返至加熱部分， 得以讓加熱部分調(diào)控水溫，達(dá)到對水溫控制的目的。同時也反應(yīng)到顯示部分，讓 其正確的表達(dá)溫度的狀態(tài)。

6、2.3系統(tǒng)工作原理想要讓系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作，必須要有一個關(guān)于溫度的準(zhǔn)確信號值，為了使 信號輸出誤差很小，可以選用橋式測壓電路，這樣可以得出穩(wěn)定的與溫度相對應(yīng) 的電壓值，關(guān)于運(yùn)放的的選用可以使用lm 3 2 4，關(guān)于比較部分先通過電源和 不同阻值的電阻構(gòu)成分壓電路取得設(shè)定電壓值，再將檢測信號分別和設(shè)定信號與 比較器計(jì)較得到輸出高低電平，四個高低電平可以組成數(shù)字邏輯，四個數(shù)字邏輯 通過不同的門電路組合便可根據(jù)設(shè)計(jì)要求來決定不同的加熱器通斷和紅綠led 燈亮或者熄滅。同時在加熱電路串入黃色二極管來指示加熱器的通斷。通過對電 路的通盤考慮，使用lm324比較容易實(shí)現(xiàn)第一部分的功能，同時根據(jù)采購的局限，

7、 正熱敏電阻可以使用200歐姆滑動變阻器代替，用二極管的亮滅來表示其是否 正常工作，這樣安排可以節(jié)省電路板的使用空間，而且可以有效的方便的調(diào)試工 作。三單元電路設(shè)計(jì)3.1 溫度檢測單元電路3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理如上圖所示橋式溫度測量電路，工作原理是當(dāng)鉑電阻電壓改變的時候會給運(yùn) 放部分一個電壓差，這個電壓差再經(jīng)過以上的規(guī)律放大后可以數(shù)去一個電壓信 號，此電壓信號是隨溫度變化而正比變化的，這也為后面的比較電路提供了信號 源。檢測元件可采用鉑電阻，為設(shè)計(jì)簡單選擇最大阻值100歐姆的滑動變阻器代 替pt100鉑電阻。檢測輸出由電壓跟蹤比較器輸出來消除負(fù)載效應(yīng)，以免后面的 控制和執(zhí)行電路的等效電阻

8、影響輸出精度，整個電路的輸出電壓值較低。為保證 系統(tǒng)精度減小誤差，先將信號用比較器放大后再送到比較電路與設(shè)定電壓值進(jìn)行 比較。運(yùn)放要選擇輸入電阻較大的運(yùn)算放大器，其共模抑制比必須高一點(diǎn)以保 證運(yùn)放的精度，為了使運(yùn)放兩輸入端平衡，兩個的店主要盡量相等，K=K(U1-U2)。 并且通過合理將兩橋臂輸出端接到合適的比較放大器的輸入端可以使輸出電壓 的值與溫度即滑動變阻器的阻值成正比關(guān)系3.1.2 電路仿真!()一一一EE EV t2VI-上圖則為在設(shè)計(jì)軟件下仿真的截圖，在末端可以加裝電壓表，調(diào)節(jié)滑動變阻 器可以使輸出電壓改變，于是可以得出其已經(jīng)具備的將溫度信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?的能力，在阻值的選取也符

9、合現(xiàn)實(shí)采購的的要求。3.1.3、元器件的選擇及參數(shù)的確定為了獲得比較高的測量精度，電阻可以選用1%的五環(huán)金屬膜電阻；或者采用 電位器調(diào)節(jié)得到兩只匹配的300k電阻，盡可能實(shí)現(xiàn)匹配，提高電路的共模抑制 比，A1和A2要選擇輸入電阻較大的運(yùn)算放大器，如TL082, A3要選擇精度較高 的，輸入電阻較大，共模抑制比較高的運(yùn)算放大器，如op07, lf412等。但因市 場購買限制全部使用lm324n，仿真和運(yùn)行顯示滿足均要求類型：低功率放大器數(shù)目:4帶寬:1MHz針腳數(shù):14工作溫度范圍:-40C to +85CSVH:No SVHC (18-Jun-2010)封裝類型:DIP-3dB帶寬增益乘積:1

10、MHz變化斜率：us器件標(biāo)號：324工作溫度最低：-40C 工作溫度最高：85C 放大器類型：低功耗 電源電壓最大：32V電源電壓最?。?V芯片標(biāo)號：324表面安裝器件：通孔安裝 輸入偏移電壓最大：7mV 邏輯功能號：324額定電源電壓：+5V控制加執(zhí)行電路2. 1控制加執(zhí)行電路仿真圖電路仿真如上圖所示當(dāng)溫度在正常值范圍內(nèi)亮綠燈，在正常工作的范圍外時亮紅 燈，加熱器工作時黃燈亮，所以此方案可行3.2.2 元件的選擇及參數(shù)的確定將溫度檢測電路檢測上的溫度信號轉(zhuǎn)化放大后再引出四分路，分別加到比 較器與四個設(shè)定溫度對應(yīng)的電壓值進(jìn)行比較，設(shè)定電壓由電壓源和不同阻值電阻 構(gòu)成分壓電路來引出設(shè)定電壓值。由

11、比較器的四個輸出端地高低電平得到組合數(shù) 字邏輯，再由數(shù)字邏輯決定不同的門電路來決定各個三極管通斷，再由三極管使 led燈和加熱器的通斷，由于發(fā)光二極管額定電壓電流都很小所以前加以保護(hù)電 阻限制電流和電壓防止發(fā)光二極管被燒壞。在此由電源和滑動變阻器的分壓電壓 來替代溫度檢測電路檢測上來的溫度電壓信號。比較器由市場購買lm339j，非門用74ls04p,與門選用hd74ls32p。為保證lm339j正常工作其輸出級需要加一 上拉電阻。阻值不同將影響輸出高電平的大小。這里我們接上2k歐姆的電阻。LM339I1J。叩U誼蘭 DiipuUia_ gjT Input 4-畫 lg + inpil 3* -

12、 ig伸LM339LM339電壓比較器芯片內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，是很常見LM339引腳圖 的集成電路。利用lm339可以方便的組成各種電壓比較器電路和振蕩器電路?！灸夸洃?yīng)用范圍：LM339的特點(diǎn)和一些參數(shù)1）電壓失調(diào)小，一般是2mV；aei jE*Qw I Tpri3 4 Ft y.J iFWi 1 | 甲卜1rA5; IfLM3392）共模范圍非常大，為0v到電源電壓減；：3）他對比較信號源的內(nèi)阻限制很寬；4）LM339 vcc電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V -18V；5）輸出端電位可靈活方便地選用。6）差動輸入電壓范圍很大，甚至能等于 vcc；、電壓比較器LM33

13、9簡介：LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn) 是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV； 2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V， 雙電源電壓為1V -18V； 3）對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍 很大，為0（）Vo； 5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； 6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339集成塊采用C-14型封裝，外型及管腳排列如圖。由于 LM339使 用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比 較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。

14、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（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“ + ”端電壓高于“-”端時， 輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“ + ”端時，輸出管 飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體 三極管，

15、在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶 體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另 外，各比較器的輸出端允許連接在一起使 用。、完整電路3-3-1 電路仿真電路仿真顯示可以正常工作當(dāng)調(diào)節(jié)10 0歐姆的滑動變阻器由0逐漸變大可以 看到燈按照設(shè)計(jì)邏輯依次開通和關(guān)斷。故邏輯功能正常此電路用到正負(fù)12優(yōu)特和一個正5優(yōu)特的電源再加一個接地端，由檢測可 知當(dāng)溫度為40度時對應(yīng)優(yōu)特的電壓，50對應(yīng)，60對應(yīng)，70對應(yīng)，檢測的電路 的電壓信號與比較設(shè)定電路的值比較后驅(qū)動不同門電路再驅(qū)動led燈工作，

16、仿真 顯示當(dāng)替代溫敏電阻的滑動變阻器阻值改變時led燈按照設(shè)計(jì)邏輯正常運(yùn)行。3.4 電源單元電路U3 LM7912CTVOLTAGEVREG LINE圖8為電源電路，這個單元電路可以將220v的交流電變?yōu)?v,12v,-12v 的直流電，為了給后面的電路提供穩(wěn)定的工作電壓，并聯(lián)的電阻可以濾波，防止 雜波對電路的干擾。五、電路的安裝、調(diào)試與測試5. 1電路安裝電路是通過使用焊錫將器件連接在試驗(yàn)板上，對于74lm324和74LM339不 用使用單個的比較運(yùn)算放大器，可以選用集成塊將其集成，購買的集成塊里都集 成了四個功能單元，雖然節(jié)省了集成塊簡化了電路板結(jié)構(gòu)，但集成塊周圍的線路 密度變得很大。所以

17、在焊接時注意規(guī)劃，焊接前先規(guī)劃好模塊電阻和連接的排列。 焊接時注意安全，錫焊不要太多或者太少，要先預(yù)熱電路板防止虛焊或者不美觀， 焊接時要焊接測試交替進(jìn)行。電路安裝的時候首先要注意安全，要防止電烙鐵把 自己和他人燙傷，還要防止將電源線的絕緣皮損壞。器件要焊接的在有金屬一面， 有利于器件的正常導(dǎo)通，安裝時部局要合理，根據(jù)三個單元講電路板劃分為三 個部分，方便一一焊接，檢查。、電路的調(diào)試此電路是由電子技術(shù)中的模電部分制作而成，由于共模抑制比難以穩(wěn)定， 想要得到精確的值需要大量的調(diào)試，調(diào)試可以分步進(jìn)行，首先可以調(diào)試溫度檢測 電路，調(diào)節(jié)電位器，測量Uo的電壓是否符合計(jì)算值，如果出現(xiàn)了過大或者過小 的情

18、況，則應(yīng)該檢測焊接中是否出現(xiàn)短路或者斷路，排除問題后再進(jìn)行下一部分 調(diào)試。調(diào)試時出現(xiàn)邏輯混亂應(yīng)檢查集成塊輸入和輸出端地電壓值，防止集成塊里 模塊出現(xiàn)問題。并且及時更換新的集成塊Led燈不亮應(yīng)檢查燈是否完好。各線 路間是否出現(xiàn)短路短路。在調(diào)試中要注意電源的接法，在檢測部分應(yīng)該注意應(yīng)加裝上拉電阻否則三極管基極會承受巨大的電壓會導(dǎo)致三極管發(fā)熱甚至燒壞。系統(tǒng)功能及性能測試5.3.1測試方法設(shè)計(jì)測試時首先要確保沒有短路斷路現(xiàn)象發(fā)生，且各器件都可以正常工作，檢 測的步驟如下，首先要將調(diào)控電路和顯示電路的電位器調(diào)到需要的百分比，分別 是%40、70、50、%60，通電源后可用萬用表測量將其電壓調(diào)為設(shè)計(jì)所需要

19、的數(shù) 值。然后調(diào)試前面橋型電路中的電位器，用它來代替熱敏電阻，根據(jù)電壓的變化 來代表溫度變化引起的電壓變化。5.3.2、測試結(jié)果及分析在第一次的測試中結(jié)果加熱器邏輯正常但紅燈一直亮綠燈一直不亮，我們將 滑動變阻器電阻值調(diào)至任意一正常工作時的阻值，再用萬用表依次檢查各集成塊 的輸入輸出端地電壓值，發(fā)現(xiàn)時lm339的一輸出端始終無電壓，我們換掉一個 lm339后邏輯功能正常且紅綠燈也正常指示電路的工作。后來當(dāng)給電路通電時用 萬用表測量電壓采集部分輸出的電壓Uo為，發(fā)現(xiàn)顯示電路綠燈亮起，加熱電路 只有一個燈亮起，這符合設(shè)計(jì)要求，當(dāng)電位器器為21歐姆時相當(dāng)于水溫為57 攝氏度左右，57度小于60度大于

20、50度，因此加熱部分只有一個發(fā)光二極管工 作，代表只有一個加熱部分加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果完全符合，在紅綠燈轉(zhuǎn)換 時紅燈有時不能完全關(guān)閉，這是由于限流電阻稍小和上拉電壓為15v的緣故，可 以通過增大限流電阻和降低限流電壓來達(dá)到。六、結(jié)論綜合訓(xùn)練要求設(shè)計(jì)一個簡易溫度控制電路，能夠采集溫度信號，并將所采集 到的溫度信號處理成電壓信號，兩個指示燈相應(yīng)于相應(yīng)情況時各自發(fā)光,表示所 在電路工作在相應(yīng)的過程中。紅色發(fā)光二極管放光表示溫度低于溫度最小值40 度的工作狀態(tài)，此時兩個電阻絲工作進(jìn)行加熱指示黃燈亮；或溫度高于最大值 70度時的工作狀態(tài)，此時兩個加熱器都不工作。綠色發(fā)光二極管發(fā)光表示溫度 在最大值與

21、最小值之間的工作狀態(tài)，此時啟動導(dǎo)致相應(yīng)的元件進(jìn)行工作。所以該 電路已基本達(dá)到任務(wù)要求及性能指標(biāo)。1、當(dāng)水溫小于40 C,或者大于70 C時，根據(jù)R0=100歐姆+歐姆t/ C，就等 于電壓小于或電壓大于.此時紅色發(fā)光二極管發(fā)出警報信號；2、當(dāng)水溫40 C到70 C時同理上式，即電壓在到時，此時綠色發(fā)光二極管指 示水溫正常；3、當(dāng)水溫大于50 C,但小于60 C時，即電壓在到時，H1加熱器打開，H2加 熱器關(guān)閉（此電路圖中用發(fā)光二極管代替）；4、當(dāng)水溫小于50 C，即電壓在到時，兩個加熱器同時打開，將容器內(nèi)的水加 熱。該電路已基本達(dá)到任務(wù)要求及性能指標(biāo)。七、參考文獻(xiàn)1康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分M北京：高等教育出版 社，2000，72童詩白 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社，2000,103成 立 數(shù)字電子技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004, 14閻 石 數(shù)字電子技術(shù)M北京：高等教育出版社，2000, 55畢滿清 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)（第三版）M北京：機(jī)械工 業(yè)出版社，2005, 76謝自美 電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試（第4版）M北京：高等 教育出版社，2000，37孫肖子鄧建國陳男電子設(shè)計(jì)指南M北京：高等教育 出版社，2006，108趙曙光可編程器件原理、開發(fā)及應(yīng)用M西安：西安電子科 技大學(xué)出版社，2002,