電子溫度控制器

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)計（論文）題目：電子溫度控制器院（系）： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間： 本科生課程設(shè)計（論文） PAGE IV課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：電子信息教研室學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 課程設(shè)計題目電子溫度控制器課程設(shè)計（論文）任務(wù)設(shè)計參數(shù)：1.現(xiàn)設(shè)計并制作能高精度電子溫度控制器。2.設(shè)計電路所需的直流穩(wěn)壓電源。3.工作溫度范圍：25+80。4.精度1。設(shè)計要求：1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖

2、。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。進(jìn)程計劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握電子溫度控制器的控制要求。（1天）2、確定溫度檢測方式，設(shè)計溫度檢測電路。（2天）3、建立溫度自動控制系統(tǒng)電路。（2天）4、設(shè)計電子溫度控制系統(tǒng)所需的直流穩(wěn)壓電源電路.（2天）5、對電子溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，確定器件參數(shù)，分

3、析系統(tǒng)性能。（2天）6、撰寫、打印課程設(shè)計論文。（1天）指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要溫度控制系統(tǒng)在人們的日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用，它在冰箱、空調(diào)、電腦等電氣電子設(shè)備中占著尤為重要的地位。如果一個電器的某個關(guān)鍵系統(tǒng)溫度過高，就會導(dǎo)致電器的燒毀，這就是需要溫度監(jiān)控器的原因。隨著電子科技的發(fā)展，溫度監(jiān)控器不僅在家電領(lǐng)域中起作用，更是涉及到現(xiàn)代自動化機械生產(chǎn)、醫(yī)療、核研究、宇宙探測等各個不同領(lǐng)域。如果沒有準(zhǔn)確對儀表溫度進(jìn)行檢測，會導(dǎo)致難以預(yù)計的后果。這就需要溫度監(jiān)控設(shè)備的支持，

4、可見溫度監(jiān)控電路的作用至關(guān)重要。本設(shè)計中采用MF58熱敏電阻接收當(dāng)前系統(tǒng)中的溫度，然后通過差動放大電路將熱敏電阻的電壓信號發(fā)送到溫度控制部分，溫度控制系統(tǒng)接收來自溫度測量部分的信號，然后與所要控制的溫度信號進(jìn)行比較，決定是否加熱升溫或冷卻降溫。直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成，選用三端集成穩(wěn)壓器LM78XX電路。差動放大電路和滯回比較器電路采用uA741集成運算放大器，通過控制繼電器來控制加熱絲加熱或風(fēng)扇散熱來調(diào)節(jié)溫度的變化。關(guān)鍵詞：溫度；放大；穩(wěn)壓電源；繼電器。 目 錄 TOC o 1-3 f h z HYPERLINK l _Toc361378986 第1章 緒論

5、 PAGEREF _Toc361378986 h 1 HYPERLINK l _Toc361378987 1.1 電子溫度控制器的應(yīng)用意義 PAGEREF _Toc361378987 h 1 HYPERLINK l _Toc361378988 1.2 電子溫度控制器的設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù) PAGEREF _Toc361378988 h 1 HYPERLINK l _Toc361378989 1.2.1 設(shè)計要求 PAGEREF _Toc361378989 h 1 HYPERLINK l _Toc361378990 1.2.2 設(shè)計參數(shù) PAGEREF _Toc361378990 h 2 HYPE

6、RLINK l _Toc361378991 第2章 方案設(shè)計和分析 PAGEREF _Toc361378991 h 3 HYPERLINK l _Toc361378992 2.1 方案比較 PAGEREF _Toc361378992 h 3 HYPERLINK l _Toc361378993 2.1.1 方案一 PAGEREF _Toc361378993 h 3 HYPERLINK l _Toc361378994 2.1.2 方案二 PAGEREF _Toc361378994 h 3 HYPERLINK l _Toc361378995 2.2 總體設(shè)計方案框圖及分析 PAGEREF _Toc3

7、61378995 h 4 HYPERLINK l _Toc361378996 第3章 電子溫度控制器的各單元電路設(shè)計 PAGEREF _Toc361378996 h 5 HYPERLINK l _Toc361378997 3.1 溫度監(jiān)測及控制電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc361378997 h 5 HYPERLINK l _Toc361378998 3.1.1 測溫電橋的設(shè)計 PAGEREF _Toc361378998 h 5 HYPERLINK l _Toc361378999 3.1.2 差動放大電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc361378999 h 6 HYPERLINK l

8、_Toc361379000 3.1.3 調(diào)溫電路 PAGEREF _Toc361379000 h 7 HYPERLINK l _Toc361379001 3.1.4 滯回比較器的設(shè)計 PAGEREF _Toc361379001 h 7 HYPERLINK l _Toc361379002 3.1.5 三極管及外圍控制電路的設(shè)計 PAGEREF _Toc361379002 h 9 HYPERLINK l _Toc361379003 3.2 12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計 PAGEREF _Toc361379003 h 9 HYPERLINK l _Toc361379004 第4章 電子溫度控制器的整體電

9、路設(shè)計 PAGEREF _Toc361379004 h 11 HYPERLINK l _Toc361379005 4.1 整體電路圖及工作原理圖 PAGEREF _Toc361379005 h 11 HYPERLINK l _Toc361379006 4.2 電路參數(shù)計算 PAGEREF _Toc361379006 h 11 HYPERLINK l _Toc361379007 4.3 整機電路性能仿真驗證 PAGEREF _Toc361379007 h 12 HYPERLINK l _Toc361379008 4.4 整體電路性能分析 PAGEREF _Toc361379008 h 13 HY

10、PERLINK l _Toc361379009 第5章 課程設(shè)計總結(jié) PAGEREF _Toc361379009 h 14 HYPERLINK l _Toc361379010 附錄參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc361379010 h 15 HYPERLINK l _Toc361379011 附錄電路圖 PAGEREF _Toc361379011 h 16 HYPERLINK l _Toc361379012 附錄：器件清單 PAGEREF _Toc361379012 h 17 PAGE 18緒論溫度控制系統(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。一些工業(yè)上的自動化設(shè)備需要將

11、溫度控制在一定范圍內(nèi)，才能保證所制造的產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，溫度測量控制系統(tǒng)有提高自動化設(shè)備性能的重要意義。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，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。隨著工業(yè)自動化的普及與發(fā)展，要求有更先進(jìn)、更穩(wěn)定、更可靠的檢測控制系統(tǒng)，以完成數(shù)據(jù)的采集并控制輸出設(shè)備安全運行。電子溫度控制器的應(yīng)用意義溫度控制系統(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。一些工業(yè)上的自動化設(shè)備需要將溫度控制在一定范圍內(nèi)，才能保證所制造的產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，溫度測量控制系統(tǒng)有提高自動化設(shè)備性能的重要意義。如今，溫度控制

12、器的運用越來越廣泛，象電冰箱、空調(diào)、鍋爐等都得用到。日常經(jīng)常用到的溫度控制器主要分為機械式和電子式。傳統(tǒng)多為機械式控制器，但機械式較易損壞且不精確。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子控制電路在日常生活中得到了更為廣泛的應(yīng)用，因為它使用更方便且相當(dāng)精確，對人們的生活起到了深遠(yuǎn)的影響。電子溫度控制器的設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù)設(shè)計要求1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各

13、單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。設(shè)計參數(shù)1.現(xiàn)設(shè)計并制作能高精度電子溫度控制器。2.設(shè)計電路所需的直流穩(wěn)壓電源。3.工作溫度范圍：25+80。4.精度1。方案設(shè)計和分析單片機18B20外圍溫度控制LCD1602單片機18B20外圍溫度控制LCD1602方案一采用AT89S52作為電路的控制核心,使用12位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,控制電路部分采用PWM控制可控硅的通斷以實行對溫度的連續(xù)控制,此方案精度相對較高，但價格昂貴，電路結(jié)構(gòu)也相

14、對復(fù)雜。如圖2.1.1所示，如用于本設(shè)計，顯得浪費資源。圖2.1.1 電子溫度控制器方案一方案二該方案也是通過熱敏電阻將溫度信號進(jìn)行采集，然后將溫度的電壓信號進(jìn)行差動放大，再經(jīng)過滯回比較器進(jìn)行比較，其次再利用滯回比較器產(chǎn)生的信號控制三極管的導(dǎo)通與截止，最后通過三極管的導(dǎo)通與截止控制繼電器或者外圍加熱或降溫措施。而比較的參考電壓是通過多檔位電阻分壓。如圖2.1.2所示。優(yōu)點：相對于方案一，制造成本低，電路相對簡單，利于廣泛應(yīng)用。因此采用方案二。圖2.1.2 電子溫度控制器方案二總體設(shè)計方案框圖及分析電子溫度控制器是由負(fù)溫度系數(shù)電阻特性的熱敏電阻為一臂組成的測溫電橋的，其輸出經(jīng)測量放大器放大后由滯

15、回比較器輸出“加熱”與“停止”信號，經(jīng)三極管放大后控制加熱器的“加熱”與“停止”。改變滯回比較器的比較電壓，即改變控溫的范圍，而控溫的精度則由滯回比較器的滯回的滯回寬度確定。而滯回比較電壓是通過多個電阻檔位進(jìn)行分壓產(chǎn)生參考的電壓信號?？傮w方案框圖如圖2.2所示。圖2.2 總體方案設(shè)計框圖電子溫度控制器的各單元電路設(shè)計溫度監(jiān)測及控制電路的設(shè)計測溫電橋的設(shè)計圖3.1.1 測溫電橋電路如圖3.1.1所示，由R1、R2、R3、RW1及Rt組成測溫電橋，其中Rt是溫度傳感器。其呈現(xiàn)出的阻值與溫度呈線性變化關(guān)系且具有負(fù)溫度系數(shù)，而溫度又與流過它的工作電流有關(guān)。為了穩(wěn)定Rt的工作電流，以達(dá)到穩(wěn)定其溫度系數(shù)的

16、目的，電路中設(shè)置了穩(wěn)壓管Dz。RW1可決定測溫電橋的平衡。熱敏電阻Rt采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)。根據(jù)溫度檢測范圍需要在25-80，所以采用MF58熱敏電阻。MF58熱敏電阻的阻值隨溫度變化如表3.1.1所示。表3.1.1 MF58熱敏電阻阻值隨溫度變化表溫度/253035404550556065707580電阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16差動放大電路的設(shè)計圖3.1.2 差動放大電路差動放大電路如圖3.1.2所示。由A1及外圍電路組成的差動放大電路，將測溫電橋輸出電壓U按比例放大。其輸出電壓當(dāng)，時其中RW3用于差動

17、放大器調(diào)零。差動放大電路的輸出電壓僅取決于2個輸入電壓之差和外部電阻的比值。差動放大電路輸出電壓隨溫度變化如表3.1.2所示。表3.1.2 差動放大電路輸出電壓隨溫度變化溫度/253035404550556065707580電阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16/mV020365161707884899296100/V023.65.16.17.07.88.48.99.29.610.0調(diào)溫電路圖3.1.3 調(diào)溫電路調(diào)溫電路是通過改變與差動放大電路放大的溫度電壓信號相比較的電壓信號，從而改變滯回電路輸入的差模信號。如圖3.1.3所示

18、，該電路主要是通過改變滑動變阻器Rw4的阻值得到參考電壓的阻值，改變Rw4阻值溫度的變化范圍從2580之間變化。滯回比較器的設(shè)計圖3.1.4(a) 滯回比較器電路差動放大器的輸出電壓UO1輸入由A2組成的滯回比較器。設(shè)比較器輸出高電平為，輸出低電平為，參考電壓UR加在反相輸入端。當(dāng)輸出為高電平時，運算放大器同相輸入端電位當(dāng)減小到使時，即此后，只要稍有減小，輸出就從高電平跳變?yōu)榈碗娖健．?dāng)輸出為低電平時，運算放大器同相輸入端電位當(dāng)增大到使時，即此后，只要稍有增加，輸出就從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。因此，和為輸出電平跳變時對應(yīng)的輸入電平，常稱為下門限電平，為上門限電平，而兩者的差值為。稱為門限寬度，其大小

19、可通過調(diào)節(jié)的比值來調(diào)節(jié)。 圖3.1.4(b) 電壓傳輸特性由上述分析可見差動放大器輸出電壓u01經(jīng)分壓后，在A2組成的滯回比較器，與反相輸入端的參考電壓UR相比較。當(dāng)同相輸入端的電壓信號大于反相輸入端的電壓時，A2輸出正飽和電壓，三極管Q1飽和導(dǎo)通。通過發(fā)光二極管LED1的發(fā)光情況，可見負(fù)載的工作狀態(tài)為加熱。反之，為同相輸入信號小于反相輸入端電壓時，A2輸出負(fù)飽和電壓，三極管Q2飽和導(dǎo)通，LED2熄滅，負(fù)載的工作狀態(tài)為制冷。調(diào)節(jié)RW4可改變參考電平，也同時調(diào)節(jié)了上下門限電平，從而達(dá)到設(shè)定溫度的目的。三極管及外圍控制電路的設(shè)計圖3.1.5 三極管及外圍控制電路的設(shè)計電路差動放大器輸出電壓UO1經(jīng)

20、分壓后A2組成的滯回比較器，與反相輸入端的參考電壓UR相比較。當(dāng)同相輸入端的電壓信號大于反相輸入端的電壓時，A2輸出正飽和電壓，三極管Q1飽和導(dǎo)通，三極管Q2反相截止；當(dāng)同相輸入端的電壓信號小于反相輸入端的電壓時，A2輸出負(fù)飽和電壓，三極管Q2飽和導(dǎo)通，三極管Q1反相截止。通過發(fā)光二極管LED1和LED2的發(fā)光情況，可見負(fù)載的工作狀態(tài)為加熱或制冷。當(dāng)同相輸入信號等于或接近于反相輸入端電壓時，三極管Q1和Q2都截止，LED1和LED2都熄滅，負(fù)載的工作狀態(tài)為停止。12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計集成穩(wěn)壓電源電路是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和三端穩(wěn)壓器等組成的。該電路具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。電

21、源變壓器是將電網(wǎng)220V的交流電壓變?yōu)樗璧碾妷褐邓腿胝麟娐?；整流電路是將交流電壓變成脈動的直流電壓；濾波電路是把脈動的直流電壓的文波加以濾掉，得到平滑的直流電壓；三段穩(wěn)壓器的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動，負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。三端穩(wěn)壓器采用LM78，LM79（美國），78系列穩(wěn)壓器輸出固定的正電壓，79系列穩(wěn)壓器輸出的為負(fù)電壓。圖3.2 12V直流穩(wěn)壓電源電路圖中元件選擇：T1為次級雙路12V變壓器，它將交流電從220V下降到幾伏或幾十伏。整流二極管D1、D2、D3、D4采用IN4007，C1，C2濾波電容選取大小680uf的電解電容，C3、C4為緩沖負(fù)載突變，選取大小為100F

22、的電解電容，C5、C5、C7、C8的作用為消除三端穩(wěn)壓器可能發(fā)生的自激，應(yīng)選無極性的金屬膜或獨石電容，一般取大小為0.1F。對于三端固定式集成穩(wěn)壓器U1、U2選用LM7812CT，LM7912CT，可得到12V的直流電壓。電子溫度控制器的整體電路設(shè)計整體電路圖及工作原理圖工作原理：它是由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC元件）Rt為一臂組成測溫電橋的，其輸出經(jīng)測量放大器放大后由滯回比較器輸出“加熱”和“停止”信號，經(jīng)三極管放大后控制加熱器的“加熱”和“停止”動作。改變滯回比較器的比較電壓UR，即改變控溫的范圍，而控溫的精度由滯回比較器的滯回寬度確定。圖4.1 整體電路圖電路參數(shù)計算測溫電橋部分，當(dāng)R

23、t滑到最下端，即熱敏電阻在室溫環(huán)境時，差模電壓最小值當(dāng)Rt滑到最上端，即熱敏電阻在高溫環(huán)境時，差模電壓最大值集成運算放大器的電源電壓為12V，所以差動放大電路放大的電壓應(yīng)該在-12V到+12V之間。假設(shè)放大的最大電壓為12V，則最大放大倍數(shù)因此我們選擇放大倍數(shù)為100倍，即因此我們選擇100k電位器，910k和10k電阻。對于調(diào)溫電路滑動電阻阻值如下表所示：表4.2 調(diào)溫電阻阻值溫度/253035404550556065707580阻值/K020365161707884899296100整機電路性能仿真驗證假設(shè)需要控制溫度在50，則需要將滑動變阻器Rw4調(diào)到70K。調(diào)節(jié)電位器Rt使它在1K，即

24、熱敏電阻在溫度為25的環(huán)境中，用電壓表測量電壓Uo1，得到電壓如圖4.3(a)所示，并且LED2亮, LED1滅；調(diào)節(jié)電位器Rt使它在0.41K，即熱敏電阻在溫度為50的環(huán)境中，用電壓表測量電壓Uo1，得到電壓如圖4.3(b)所示，并且LED2滅,LED1亮。圖4.3(a) 25環(huán)境電路電壓UO1圖4.3(b) 50環(huán)境電路電壓UO1經(jīng)過本次的仿真實驗可知，設(shè)計電路時的理論值與仿真實驗所得的實際值誤差較小，基本能達(dá)到所要控制溫度的范圍。綜上所述，本次設(shè)計的溫度控制電路符合了設(shè)計要求。整體電路性能分析本設(shè)計由測溫電橋、差動放大電路、滯回比較器、外圍溫度控制器、直流穩(wěn)壓電源六部分組成。測溫電橋采用

25、MF58熱敏電阻，將溫度信號轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，經(jīng)過差分放大電路將信號進(jìn)行放大，避免信號太弱滯回比較器無法比較，然后通過滯回比較器將放大后的電壓信號與所要電壓進(jìn)行比較，從而滯回比較器輸出高電平或者是低電平，更方便控制外圍溫度控制器中三極管導(dǎo)通或截止，從而決定了繼電器的閉或者開，達(dá)到對溫度的實時控制。課程設(shè)計總結(jié)本次的課程設(shè)計主要是設(shè)計一個將溫度控制在2580的溫度控制器。本設(shè)計由測溫電橋、差動放大電路、滯回比較器、外圍溫度控制器、直流穩(wěn)壓電源六部分組成的電路。測溫電路的熱敏電阻根據(jù)所要控制的溫度范圍通過書本和上網(wǎng)查閱資料我選用MF58熱敏電阻。放大電路選用uf741和外圍電路構(gòu)成差分放大電路

26、，滿足放大的倍數(shù)。外圍溫度控制器對于如何控制風(fēng)扇和發(fā)熱絲工作也是一難點，因為這都是要高電壓控制的，本電路電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，通過查找資料知道繼電器能采用實現(xiàn)這一功能，繼電器采用常閉繼電器，通過對三極管的控制達(dá)到控制繼電器的開或者閉，達(dá)到控制控制風(fēng)扇和發(fā)熱絲的工作。對于直流穩(wěn)壓電源開始并未有采用三端集成穩(wěn)壓器LM78XX電路，然而通過multisim軟件仿真時電壓輸出電壓比12V大點并且波形有一定的波動并沒有平穩(wěn)，然后通過查找資料知道了三端集成穩(wěn)壓器LM78XX電路能輸出穩(wěn)定12V電壓，用multisim連好電路后通過仿真輸出電壓的波形與電壓值果然達(dá)到理想中的效果，直流穩(wěn)壓電路就確定了。這個設(shè)計方案要實現(xiàn)溫度監(jiān)測還是很困難的，總是受到很多雜亂信號的干擾，最后查了很多資料終于成功