模電課設—溫度控制系統(tǒng)設計

1、武漢理工大學模擬電子技術基礎課程設計說明書目 錄1.原理電路的設計11.1總體方案設計11.1.1簡單原理敘述11.1.2設計方案選擇11.2單元電路的設計31.2.1溫度信號的采集與轉(zhuǎn)化單元溫度傳感器31.2.2電壓信號的處理單元運算放大器41.2.3電壓表征溫度單元51.2.4電壓控制單元遲滯比較器61.2.5驅(qū)動單元繼電器71.2.6 制冷部分Tec半導體制冷片81.3完整電路圖102.仿真結(jié)果分析113 實物展示133.1 實物焊接效果圖133.2 實物性能測試數(shù)據(jù)143.2.1制冷測試143.2.2制熱測試173.3.3性能測試數(shù)據(jù)分析194總結(jié)、收獲與體會20附錄一 元件清單21附

2、錄二 參考文獻.22摘 要本課程設計以溫度傳感器LM35、運算放大器UA741、NE5532P及電壓比較器LM339N為電路系統(tǒng)的主要組成元件，擴展適當?shù)慕涌陔娐罚谱饕粋€溫度控制系統(tǒng)，通過室溫的變化和改變設定的溫度，來改變電壓傳感器上兩個輸入端電壓的大小，通過三極管開關電路控制繼電器的通斷，來控制Tec制冷片的工作。這樣循環(huán)往復執(zhí)行這樣一個周期性的動作，從而把溫度控制在一定范圍內(nèi)。學會查詢文獻資料，撰寫論文的方法，并提交課程設計報告和實驗成品。關鍵詞：溫度；測量；控制。Abstract This course is designed to a temperature sensor LM35,

3、 an operational amplifier UA741，NE5532P and a voltage comparator LM339N circuit system of the main components. Extending the appropriate interface circuit, make a temperature control system. By changing the temperature changes and set the temperature to change the size of the two input ends of the v

4、oltage on the voltage sensor, an audion tube switch circuit to control the on-off relay to control Tec cooling piece work. This cycle of performing such a periodic motion, thus controlling the temperature in a certain range. Learn to query the literature, writing papers, and submitted to the curricu

5、lum design report and experimental products. Key words: temperature ; measure ;control溫度控制系統(tǒng)的設計1.原理電路的設計1.1總體方案設計1.1.1簡單原理敘述 先采集室內(nèi)溫度信號，將其轉(zhuǎn)化為電壓或者電流信號，并線性放大再用萬用表測取，可以直接線性反映溫度值。對于提取出的溫度值，輸入比較器與我們所設定的電壓進行比較，高于設定，控制Tec制冷；低于設定，控制Tec制熱。這樣循環(huán)往復執(zhí)行這樣一個周期性的動作，從而把溫度控制在一定范圍內(nèi)。1.1.2設計方案選擇方案一采用有熱敏電阻、tec半導體制冷片和溫度控制電路

6、構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。通過將熱敏電阻探測的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，然后以差分放大的方法得到所需工作電壓及電流。溫度傳感溫度控制溫度采集圖1-1-1 方案一原理框圖其中，溫度采集部分為熱敏電阻，集成的熱敏電阻一般采用的是高靈敏度的負溫度系數(shù)NTC,其材料一般為薄膜鉑電阻，其體積小、精度高，它作為傳感器探測溫控箱內(nèi)部溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換為自身的電阻變化，然后由溫度控制電路將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，其轉(zhuǎn)換精度決定了測溫的精度，所以需要差分放大電路來對熱敏電阻測溫阻值轉(zhuǎn)換后的電壓值進行放大，然后由溫度控制電路改變制冷量對制冷片進行制冷或停止制冷，以保持溫度穩(wěn)定。一般NTC熱敏電阻在溫度高一段區(qū)域（25攝氏

7、度以上）阻值變化平緩（10k到0），而在025范圍內(nèi)，阻值從30k到10k變化，趨勢較陡。其阻值與溫度的變化關系可用公式表示為 RT=RT0expB(1/T-1/T0) (B為熱敏電阻材料系數(shù))。優(yōu)點：便與集成，工作溫度范圍寬，簡單易行。缺點：不穩(wěn)定，精度不夠。方案二：采用溫度傳感器LM35或AD590采集溫度。LM35其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關系，轉(zhuǎn)換公式如式：0時輸出為0V，每升高1，輸出電壓增加10mV，且常溫下不需要額外的校準處理器，可達到±¼的準確率。AD590是一種測溫用的集成電路溫度傳感器，輸出電流正比于K氏溫度，數(shù)值為1A/K,工作電源電壓為430V，它只

8、需要一種電源（4.524V）即可實現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在終端使用一只取樣電阻，即可實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。它使用方便，并且電流型比電壓型的測量精度高，但其價格較高。將采集的溫度轉(zhuǎn)換成電信號后，再與基準溫度（以電信號表征）比較，Tec置于橋式推挽功率放大電路中，利用放大的差模信號輪流推挽，利用流過BTL電流大小和反向控制Tec制冷速率以及冷端和熱端的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)整個溫度控制系統(tǒng)。 溫度控制溫度比較溫度傳感器信號處理測量溫度 圖1-1-2 方案二原理框圖優(yōu)點：可以控制Tec制冷速率，能對不同溫度變化產(chǎn)生相應的反應。缺點：Tec的電壓電流較大，實際中參數(shù)難以調(diào)整，BTL上電流方向變化頻繁。方案三

9、利用LM35采集室內(nèi)溫度，直接將溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。由于LM35轉(zhuǎn)化成的電壓信號較小，因此用運算放大器將信號進行無損放大，并用反相比例器反向輸出的電壓值即為與我們設定的溫度對應的值。對于提取的溫度值，輸入遲滯比較器與我們所設定的電壓（設定溫度對應的電壓）進行比較，同時用單刀雙擲開關進行換線，將溫度以電壓的形式在表頭上顯示。進行比較后，若高于所設定的電壓，則控制制冷的繼電器通過三極管開關電路打開，Tec裝置開始制冷；若低于所設定的電壓，控制制熱的繼電器通過三極管開關電路打開，Tec裝置開始制熱。從而達到控制溫度的目的。比較器Tec調(diào)節(jié)三極管開關電路（繼電器觸發(fā)）溫度電壓轉(zhuǎn)換器溫度顯示提取溫度

10、值溫度信號圖1-1-3 方案三原理框圖優(yōu)點：精度較好，可行性較好；缺點：實際中LM35輸出不太穩(wěn)定。考慮到AD590價格較高，采用LM35采集溫度；橋式推免電路在大功率、大電流的情況下難以做出成品。綜合經(jīng)濟、經(jīng)驗、自身情況等，我選擇方案三。1.2單元電路的設計1.2.1溫度信號的采集與轉(zhuǎn)化單元溫度傳感器1.溫度傳感器的選擇根據(jù)設計要求，可以測量并控制0到室溫的溫度，精度達到±1。故要求傳感器可以測量0到室溫的溫度，并具有很好的穩(wěn)定性。常用的傳感器有LM35和AD590，但是AD590價格較高，單價接近30元。綜合性能及價格各方面的原因，我選擇了集成溫度傳感器LM35。LM35溫度傳感

11、器在-55150以內(nèi)是非常穩(wěn)定的。當它的工作電壓在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的比較好。因此，LM35在理論上完全符合要求，故采用之。2.溫度信號的采集與轉(zhuǎn)化原理圖 圖1-2-1溫度信號的采集與轉(zhuǎn)化原理圖 在仿真中直接用200mV直流電模擬20下LM35的輸出電壓，后接一個電壓跟隨器將轉(zhuǎn)化而成的電壓與之后的電路隔離，防止之后的電路對信號采集電路的影響。1.2.2電壓信號的處理單元運算放大器1.元器件的選擇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。因此通用型運放UA741即可滿足要求。為了使電路

12、的輸出驅(qū)動能力提高，也可采用NE5532。NE5532是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器。 相比較大多數(shù)標準運算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動能力和相當高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設備，儀器和控制電路和電話通道放大器。2.該部分電阻阻值的計算LM35的輸出電壓很小，很難檢測。所以需要將它無損的放大一定的倍數(shù)。因控制量或測量溫度在30攝氏度的時候，LM35輸出電壓為300mV，溫度在0攝氏度時輸出為0mV。經(jīng)計算：Vmax*AV12V，Vmin*AV0V 所以有 0AV40 ?？紤]到計算的方便，以及最后輸出測量的方便，放大倍數(shù)30倍為宜

13、。因此選擇電阻R2=10K,R3=300K。3.電壓信號的處理原理圖圖1-2-2電壓信號的處理原理圖由于初級放大電路是反相比例放大器，所以輸出電壓為負。因此在放大電路后面再加一級反相比例器，使之成為正電壓，再將其輸出。1.2.3電壓表征溫度單元圖1-2-3電壓表征溫度單元原理圖（藍色方框內(nèi)為該部分電路） 本電路采用一個內(nèi)阻為3.7k歐（萬用表測得）的電壓表表頭顯示溫度，采用單刀雙擲開關切換所顯示的是設定的溫度或是實際的溫度。 由于溫度傳感器LM35的特性是溫度每變化1，電壓值變化10mV，而放大器將其放大了30倍，又分壓電阻R16=7.4k，所以表頭所顯示的值為溫度/10， 即 溫度值（）=表

14、頭顯示值（V）*10 表頭接在電壓跟隨器的輸出端與地之間，當單刀雙擲開關與電位器接通時，所測的值*10為設定的溫度；當單刀雙擲開關與反相比例電路輸出端接通時，所測的值*10為實際的溫度。 電位器及電阻阻值的選擇，要使控制電壓可調(diào)范圍為09V，由于VCC=12V，選取R9=5k，電位器可調(diào)范圍為025k。1.2.4電壓控制單元遲滯比較器 經(jīng)由反相比例器得到的輸出電壓要與設定電壓進行大小比較后來確定是制冷還是制熱，此處采用一個遲滯比較器。 通常用作比較器的運放有LM311、LM339等，由于LM339的特點如下： 工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源： 236V，

15、雙電源：±1±18V；具有非常高的壓擺率 ；消耗電流小， Icc=1.3mA； 輸入失調(diào)電壓小， VIO=±2mV； 共模輸入電壓范圍寬， Vic=0Vcc-1.5V等優(yōu)點，故決定用LM339作為比較器。設計原理圖如下：圖1-2-4比較器設計原理圖遲滯比較器的電壓傳輸特性如下：圖1-2-5遲滯比較器的電壓傳輸特性根據(jù)圖中所示，假定設定溫度為20攝氏度，則電壓變化上下限為5.8V和6.2V，則從反相比例器輸出的電壓逐漸升高，若大于6.2V的時候，電壓向下反轉(zhuǎn)，達到閾值電壓的負值傳輸給繼電器，促使繼電器閉合開

16、關，啟動TEC，開始制冷，直至制冷后的溫度降至低于5.8V則電壓向上翻轉(zhuǎn)，達到閾值電壓的正值，另一個繼電器閉合，開始加熱。以上的工作過程形成了一個溫度的反饋系統(tǒng)。門限電壓的計算：UH=(UO*R8)/(R8+R7)+(UREF*R7)/(R8+R7)UL=-(UO*R8)/(R8+R7)+(UREF*R7)/(R8+R7)計算得，R7=59R8，在此，取R8=1k，R9=59k。因為希望雙極性參考電平為±6V，所以穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓應略大于6V。1N4734A的導通壓降為6.2V，故采用此型號穩(wěn)壓管。1.2.5驅(qū)動單元繼電器 通過遲滯比較器和穩(wěn)壓管后，輸出控制三極管開關電路的電壓，這個啟

17、動后續(xù)裝置的開關由繼電器愛充當，設計中的繼電器如下圖：圖1-2-6驅(qū)動單元原理圖 這里三極管用作開關，對其要求不是很高，并且三極管的VBE一般都在0.6V-0.7V之間。同時在三極管導通時，集電極電流Ic相對較大，普通的三極管S8050和S8550符合要求。 當比較器輸出-6V電壓時，繼電器的開關合攏，啟動制冷設備，開始制冷，直到溫度降到所設置的溫度下限，電壓向上翻轉(zhuǎn)，比較器輸出+6V的電壓，另一個繼電器的開關閉合，TEC反向?qū)?，開始制熱。就這樣，達到溫控的效果。 值得注意的是，繼電器線圈上并聯(lián)有二極管。繼電器在截斷流過負載的電流時（晶體管進入截止狀態(tài)時）會產(chǎn)生反電動勢（楞次定律）。這時產(chǎn)生

18、的電壓非常大，晶體管可能會被擊穿。所以，在繼電器線圈上并聯(lián)1N4007二極管。1.2.6 制冷部分Tec半導體制冷片圖1-2-7 Tec半導體制冷片 半導體致冷器(ThermoelectricCooler)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。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(cè)傳到另一側(cè)，在TEC上產(chǎn)生熱側(cè)和冷側(cè)，這

19、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)。考慮價格和效果，本實驗用TEC1-12706。TEC1-12706主要參數(shù)：內(nèi)部阻值：2.12.4（環(huán)境溫度23±1，1kHz Ac測試）最大溫差：Tmax（Qc=0）67以上工作電流：Imax=44.6A（

20、額定12V時）額定電壓：12V（Vmax：15V啟動電流5.8A）制冷功率：Qcmax50-60W工作環(huán)境：溫度范圍-55831.3完整電路圖圖1-3完整電路圖2.仿真結(jié)果分析 由于multisim中沒有TEC，故用小燈泡代替。小燈泡發(fā)光表示實際溫度低于設定值，TEC制熱；小燈泡熄滅表示實際溫度高于設定值，TEC制冷。1.設定溫度為21攝氏度，實際溫度為20攝氏度時（即輸入電壓為200mV）仿真結(jié)果如下：圖2-1制冷時仿真結(jié)果分析輸入電壓經(jīng)過30倍放大，以6V輸入比較器。調(diào)節(jié)設定電壓約為2.1V,則設定端以6.3V電壓輸入，經(jīng)過電壓比較器后，輸出正電壓，制熱端三極管導通，制熱端繼電器開啟，小燈

21、泡點亮（代表TEC制熱）。2. 設定溫度為19攝氏度，實際溫度為20攝氏度時（即輸入電壓為200mV）圖2-2制熱時仿真結(jié)果分析 輸入電壓經(jīng)過30倍放大，以6V輸入比較器。調(diào)節(jié)設定電壓約為1.9V,則設定端以5.7V電壓輸入，經(jīng)過電壓比較器后，輸出負電壓，制冷端三極管導通，制冷端繼電器開啟，小燈泡熄滅（代表TEC制冷）。3 實物展示3.1 實物焊接效果圖正面圖：圖3-1 實物正面圖加上所有外設：圖3-2 實物正面圖背面圖：圖3-3 實物背面圖3.2 實物性能測試數(shù)據(jù)3.2.1制冷測試用LM35采集溫度，直接用萬用表測量其輸出電壓：圖3-2-1 LM35輸出電壓經(jīng)過運放電路后輸電壓：圖3-2-2

22、經(jīng)過運放后輸出的電壓（放大30倍）設定溫度為10，用表頭顯示如下：（溫度值（）=表頭顯示值（V）*10）圖3-2-3 表頭顯示的設定溫度此時，溫度設定端（比較器同相輸入端）電壓值：圖3-2-4溫度設定端（比較器同相輸入端）電壓值表頭實際溫度檔位顯示的電壓：（溫度值（）=表頭顯示值（V）*10）圖3-2-5表頭實際溫度檔位顯示的電壓比較器輸出電壓值：圖3-2-6 比較器輸出電壓制冷端三極管開關電路打開，繼電器開啟，測試時用萬用表蜂鳴檔測試，下圖用繼電器導通后，兩端的阻止約為0表示：圖3-2-7 制冷端繼電器開啟所測制冷端正負極電位差：圖3-2-8 冷端正負極電位差制冷端負極與地的電位差：圖3-2

23、-9制冷端負極與地的電位差：此時，連接TEC，TEC制冷。3.2.2制熱測試設定溫度為10，用表頭顯示如下：（溫度值（）=表頭顯示值（V）*10）圖3-2-10表頭顯示的設定溫度此時，溫度設定端（比較器同相輸入端）電壓值：圖3-2-11溫度設定端（比較器同相輸入端）電壓值比較器輸出端電壓值：圖3-2-12比較器輸出端電壓值制熱端三極管開關電路打開，繼電器開啟，測試時用萬用表蜂鳴檔測試，下圖用繼電器導通后，兩端的阻止約為0表示：圖3-2-13制熱端繼電器開啟制熱端正負極電位差：圖3-2-14制熱端正負極電位差制熱端正極與地的電位差：圖3-2-15制熱端正極與地的電位差此時，連接TEC，TEC制熱

24、。3.3.3性能測試數(shù)據(jù)分析1.經(jīng)過運放放大后的電壓為8.022V，輸入電壓的30倍為8.22V，在電路中略有損耗，原因在于走的錫線有電阻，且運放不能無衰減的放大。此時，實際溫度端在表頭上顯示為2.05V，相較于理論值2.674有較大誤差，原因在于所用表頭量程過大，且其本身性能不好，不是精密儀器。2.設定的電壓為3.085V，此時，設定溫度在表頭上顯示為1V，在誤差允許范圍內(nèi)。3. 比較器輸出電壓、制冷端兩端電壓差、制冷端負極與地電位差均正常。4.調(diào)節(jié)設定溫度使其制熱時，比較器輸出電壓較小，導致接上TEC后，三極管導通狀態(tài)不穩(wěn)定，制熱效果不好。4總結(jié)、收獲與體會通過這次模擬電路的設計與制作，提

25、升了我的電子電路設計的思想，掌握了電子電路設計、調(diào)試的方法，對之前書本上、課堂上學習的理論知識有了更深的理解。電子技術綜合訓練不僅幫助我們更好的理解理論知識，而且將理論與實際結(jié)合起來，提高了我們的動手能力?；叵胝麄€過程，真是痛并快樂著。在這次課設之前所進行的電子設計都是實驗室一些簡單的小實驗，剛拿到這個題目時，自己感到很茫然，不知從何下手，但是通過圖書館、互聯(lián)網(wǎng)查找多方面的資料，對電路有了基本的構(gòu)想，從調(diào)試方便和成本角度出發(fā)，選擇了一個較為理想的方案。然后畫電路圖，進行仿真，為了使電路性能、電路布局盡力做到比較好，我一共修改了七個版本，最終設計出自己較為滿意的版本。因為之前做過較多的焊接訓練，在焊接過程中并沒有出現(xiàn)什么問題，整個過程很順利，沒有出現(xiàn)虛焊漏焊現(xiàn)象。但剛開始準備調(diào)試時，卻不知從何