簡(jiǎn)易溫度控制器設(shè)計(jì)

1、第 頁(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 簡(jiǎn)易溫度控制器的設(shè)計(jì) 摘要簡(jiǎn)易溫度控制器是采用熱敏電阻作為溫度傳感器,由于溫度的變化而引起電壓的變化，再利用比較運(yùn)算放大器與設(shè)置的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行比較，輸出高或低電平從而對(duì)控制對(duì)象即加熱器進(jìn)行控制。其電路可分為三大部分：測(cè)溫電路，比較/顯示電路 ，控制電路。關(guān)鍵詞：測(cè)溫，顯示，加熱頁(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求11.1設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2設(shè)計(jì)要求1二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)12.1系統(tǒng)要求12.2系統(tǒng)工作原理12.3方案設(shè)計(jì)1三單元電路設(shè)計(jì)23.1溫度檢測(cè)電路23.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理23.1.2電路仿真33.1.3、元器件的選擇及參數(shù)的確定43.2 比較/顯示電路43

2、.2.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理43.2.2電路仿真53.2.3元件的選擇及參數(shù)的確定53.3、溫度控制單元電路53.3.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理53.3.2 溫度控制單元仿真電路63.4電源部分7四.系統(tǒng)仿真9結(jié)論9致謝11參考文獻(xiàn)11第 9 頁(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容采用熱敏電阻作為溫度傳感器，由于溫度變化而引起電壓的變化，再利用比較運(yùn)算放大器與設(shè)置的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行比較，從而通過(guò)輸出電平對(duì)加熱器進(jìn)行控制。1.2設(shè)計(jì)要求首先通過(guò)電源變壓器把220V的交流電變成所需要的5V電壓；當(dāng)水溫小于40時(shí)，H1、H2兩個(gè)加熱器同時(shí)打開，將容器內(nèi)的水加熱；當(dāng)水溫大于50，但小于70

3、時(shí)，H1加熱器打開，H2加熱器關(guān)閉；當(dāng)水溫大于50時(shí)，H1、H2兩個(gè)加熱器同時(shí)關(guān)閉；當(dāng)水溫小于30，或者大于80時(shí)，紅色發(fā)光二極管報(bào)警；當(dāng)水溫在3080之間時(shí)，用綠色發(fā)光二極管指示水溫正常2。 二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)要求系統(tǒng)主要要求將溫度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再將其轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，從而對(duì)顯示電路和控制電路進(jìn)行控制，從而自動(dòng)的調(diào)節(jié)水溫， 2.2系統(tǒng)工作原理通過(guò)對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)量，將所測(cè)量的溫度值與給定值進(jìn)行比較，利用比較后的輸出信號(hào)至加熱部分，讓加熱部分調(diào)控水溫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫控制的目的。同時(shí)也反應(yīng)到顯示部分，讓其正確的表示溫度的狀態(tài)。溫度值的變化引起電阻值的變化，從而最終引起測(cè)溫電路輸出的電壓值的變

4、化，經(jīng)過(guò)后邊比較電路進(jìn)行比較，從而控制顯示電路和加熱電路。2.3方案設(shè)計(jì)為了使信號(hào)輸出誤差很小，選用橋式測(cè)壓電路，這樣可以得出較為準(zhǔn)確的與溫度相對(duì)應(yīng)的電壓值，關(guān)于比較部分可以選用比較器LM339構(gòu)成窗口比較器，再利用滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)上下限電壓，將輸出電壓值與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較來(lái)控制三極管，以達(dá)到使綠色和紅色二極管根據(jù)不同溫度亮滅的目的。同時(shí)也將第一部分輸出的電壓值在比較部分進(jìn)行比較來(lái)控制繼電器以達(dá)到控制外電路的目的。通過(guò)對(duì)電路設(shè)計(jì)要求的全面考慮，使用LM324比較容易實(shí)現(xiàn)第一部分的功能，同時(shí)為了方便電路的調(diào)試，熱敏電阻可以使用150歐姆的滑動(dòng)變阻器代替，至于繼電器和外部電路，可以用發(fā)光二級(jí)管

5、將其代替，用發(fā)光二極管的亮滅來(lái)表示其是否對(duì)容器內(nèi)的水加熱，這樣設(shè)計(jì)電路既可以節(jié)省電路板的使用空間和成本，而且可以有效的方便的調(diào)試工作8。三單元電路設(shè)計(jì).溫度檢測(cè)電路3.1.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理 圖1如圖1所示橋式溫度測(cè)量電路，檢測(cè)元件可采用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器,運(yùn)放要選擇輸入電阻較大的，Pt100的阻值與溫度之間的關(guān)系為R=R0(1+At+Btt) 式中，t為攝氏溫度；R0為t=0時(shí)的阻值；A、B為常數(shù)。由于此電路控制精度并不是很高，因此可以將二次項(xiàng)忽略，這樣，鉑電阻與溫度之間的關(guān)系變?yōu)镽=100+0.386/t 式中，100為Pt100在0時(shí)的阻值。 為使運(yùn)放在靜態(tài)時(shí)兩輸入端平衡，

6、令R1=R3,R2=R4。圖1如果設(shè)A3的輸出為U0，則有U1=5(100+0.386/t)（2100+0.386/t）VU2=5(100/2100)VU0=（U1-U2）R2/R1 =K(U1-U2) (其中K=R2/R1) =5K(100O+0.386/t)/(2100+0.386/t)-100/2100V5K0.386/t /(2100+0.386/t) 5K0.386t/2100 令t=100時(shí),U0=5V,則K=54.4,故有R2/R1=54.4,取R1=5.6K，則有R2=304.64K，故有R1=R2=5.6K，取R2=R4=300K。工作原理是當(dāng)鉑電阻阻值改變時(shí),會(huì)給運(yùn)放部分一

7、個(gè)較小的電壓，這個(gè)電壓再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后輸出一個(gè)電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)是隨鉑電阻阻值變化即溫度值而變化。這個(gè)輸出電壓為后面的比較電路提供一個(gè)比較值,從而控制顯示電路和加熱電路。 3.1.2電路仿真 圖2圖2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(dòng)變阻器可以使輸出電壓改變，于是可以得出其已經(jīng)具備將溫度值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的能力3。用滑動(dòng)變阻器代替熱敏電阻，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器模擬熱敏電阻阻值隨溫度的變化，由公式R=100+0.386t可以得30、40、50、70 80以及低于30和高于80水溫對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)變阻器的阻值，從而控制輸出電壓。3.1.3、元器件的選擇及參數(shù)的確定為了獲得比較高的

8、測(cè)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，使阻值盡可能實(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6。3.2 比較/顯示電路3.2.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理 圖3圖3為比較/顯示電路，其中A4,A5兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成窗口比較器，連接兩個(gè)滑動(dòng)變阻器,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)設(shè)定40和70相對(duì)應(yīng)的電壓值。假設(shè)UR1和UR2分別對(duì)應(yīng)40和70水溫，則UR1和UR2可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R1和R2設(shè)定。另一方面，UR1和UR2實(shí)際大小可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)

9、得。對(duì)水加熱，使得在水溫為100時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓為5V，然后測(cè)得水溫為40時(shí)A3輸出電壓UO即為UR1，水溫為70時(shí)的輸出電壓即為UR2。顯示電路由兩個(gè)三極管和紅、綠發(fā)光二極管及其電阻組成。當(dāng)UR2U0UR1時(shí)，即水溫在40度到70度之間時(shí),窗口比較器輸出為高電平，綠發(fā)光二極管點(diǎn)亮，紅發(fā)光二極管熄滅，指示水溫正常。否則綠發(fā)光二極管熄滅，紅發(fā)光二極管電亮，處于報(bào)警狀態(tài)。3.2.2電路仿真 圖4電路仿真如圖4所示當(dāng)U0在UR1和UR2之間時(shí)即水溫在40和70之間，綠發(fā)光二極管點(diǎn)亮，表示水溫正常。在U1和U2的范圍外時(shí)亮紅燈，因此符合要求。3.2.3元件的選擇及參數(shù)的確定此部分為了比較電壓大小運(yùn)放

10、可以選取LM339，兩個(gè)電位器可以選10k大小，運(yùn)放的電壓為正負(fù)12v，滑動(dòng)變阻器的上邊電壓接5v，兩個(gè)三極管使用2sc1815,構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路,更重要的一點(diǎn)兩個(gè)比較器還需要兩個(gè)3.3k的上拉電阻以保證三極管的正常運(yùn)行。3.3、溫度控制單元電路3.3.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理 圖5如圖5所示控制電路由兩個(gè)LM339運(yùn)放，晶體三極管，電位器，繼電器，加熱器及電阻組成。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變電壓，從而控制加熱器。設(shè)UR3和UR4分別對(duì)應(yīng)50和60的水溫，則UR3和UR4可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)設(shè)定。另一方面，UR3和UR4的大小可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。利用加熱電路對(duì)水進(jìn)行加熱，使得水溫為100時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0為

11、5V，然后測(cè)得水溫為50時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0即為UR3，水溫為60時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0即為UR4。當(dāng)U0UR3時(shí)，即水溫小于50度，兩個(gè)繼電器常開觸點(diǎn)閉合，加熱器H1和H2都工作。UR3U0UR4時(shí)兩個(gè)繼電器都斷開,兩個(gè)加熱器都停止工作5。 3.3.2 溫度控制單元仿真電路 圖62由圖6仿真電路可得當(dāng)U0的電壓小于3v且大于2.5v時(shí)只有一個(gè)加熱電路工作，當(dāng)U0小于2.5v時(shí)，兩個(gè)加熱電路都會(huì)工作，當(dāng)電壓U0大于3v時(shí)兩個(gè)加恩電路將會(huì)停止工作。上圖為大于3v時(shí)的仿真圖。由仿真圖可以看出，水溫小于50時(shí)，兩個(gè)加熱器同時(shí)對(duì)水進(jìn)行加熱；水溫在50和60之間時(shí)，只有一個(gè)加熱器工作；水溫高于60時(shí)，

12、兩個(gè)加熱器都停止加熱。因此電路設(shè)計(jì)符合題目要求。3.4電源部分 圖72如圖7所示直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電源。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定7。濾波電容為C1、C2選用較大值電容，要求不高的地方可以選用較小的電容；且選用三端集成穩(wěn)壓器來(lái)輸出穩(wěn)定的直流電源；整流電路采用橋式連接方式4。4. 系統(tǒng)仿真2仿真截圖 圖8由電壓表讀數(shù)2.57可知其電

13、壓在3.5和2之間的檢測(cè)電路故應(yīng)該亮綠燈，2.57v也在3v在2.5v之間，故只有一個(gè)加熱電路工作。進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí),用滑動(dòng)變阻器代替熱敏電阻,在控制電路部分用兩個(gè)發(fā)光二極管代替繼電器和加熱器。當(dāng)兩個(gè)發(fā)光二極管同時(shí)發(fā)光,則表示兩個(gè)加熱器同時(shí)工作；有一個(gè)發(fā)光則表示一個(gè)加熱器工作；兩個(gè)均不發(fā)光則兩個(gè)加熱器都關(guān)閉6。 結(jié)論通過(guò)仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，其結(jié)果與電路要求相符合。再通過(guò)電路板的焊接及其調(diào)試，能完全實(shí)現(xiàn)電路功能。用滑動(dòng)變阻器模擬熱敏電阻，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變輸出電壓，再利用比較器與設(shè)置溫度值對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行比較，從而對(duì)后邊電路進(jìn)行控制。水溫小于40攝氏度時(shí)，紅色發(fā)光二極管發(fā)出報(bào)警信號(hào)且H1和H2兩個(gè)加熱器同時(shí)加熱；水溫在40至60攝氏度之間時(shí)，綠色發(fā)光二極管指示水溫正常，且一個(gè)加熱器工作，另一個(gè)加熱器關(guān)閉；水溫在60到70攝氏度之間時(shí)，綠燈亮且兩個(gè)加熱器都停止工作。顯示電路和加熱電路完全按照測(cè)溫電路的溫度變化而有規(guī)律的變化，滿足設(shè)計(jì)要求。 致謝電子技術(shù)綜合訓(xùn)練為我們提供了一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的平臺(tái)，使我們從掌握單純的理論知識(shí)到學(xué)會(huì)用理論知識(shí)分析解決問(wèn)題，通過(guò)這兩周時(shí)間的努力學(xué)習(xí)，通過(guò)老師和同學(xué)的幫助順利完成老師布置的任務(wù)，同時(shí)這次訓(xùn)練也使我們的知識(shí)更加豐富，而且開拓了我們的思維，培養(yǎng)了獨(dú)立實(shí)踐、創(chuàng)新精神。 參考文獻(xiàn)1模擬電子技術(shù)基