溫度控制的設(shè)計(jì)

學(xué)號(hào)：脅程設(shè)計(jì)專題目學(xué)院專業(yè)班級(jí)姓名指導(dǎo)教師課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師：— 工作單位： 題目： 溫度控制的設(shè)計(jì) 初始條件：電阻、二極管、正負(fù)12V電源、UA741、電位器、LED、半導(dǎo)體制冷片，溫度傳感器LM35、開關(guān)要求完成的主要任務(wù):(包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)利用溫度傳感器件、集成運(yùn)算放大器和Tec(ThermoelectrieCooler,即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器。二、 要求控制密閉容器內(nèi)空氣溫度容器容積＞5cm*5cm*5cm測溫和控溫范圍：0°C~室溫控溫精度土1C三、發(fā)揮部分測溫和控溫范圍：0°C~(室溫+10C)時(shí)間安排：(1)第18周理論講解。第19周理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試。地點(diǎn)：鑒主13樓通信工程綜合實(shí)驗(yàn)室、鑒主15樓通信工程實(shí)驗(yàn)室(1)指導(dǎo)教師簽名： 年月日系主任(或責(zé)任教師)簽名目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 IAbstract II\o"CurrentDocument"1EWB簡介 1\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及要求 2\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 2設(shè)計(jì)任務(wù) 2設(shè)計(jì)要求 2\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)思想 2\o"CurrentDocument"選定方案的論證及整體電路的工作原理 3\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)方案選擇 3\o"CurrentDocument"3.1.1可行方案： 3方案的討論與選擇： 3\o"CurrentDocument"選定方案的論證 43.2.1選定溫度傳感器的論證 4選定繼電器的論證 4選定運(yùn)算放大器的論證 4\o"CurrentDocument"3.3整體電路的工作原理 4\o"CurrentDocument"單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、元器件選擇及電路圖 54.1 測溫單元 5\o"CurrentDocument"信號(hào)處理單元 5\o"CurrentDocument"溫度比較單元 6\o"CurrentDocument"4.4 控制單元 7\o"CurrentDocument"單元電路的仿真及結(jié)果 9\o"CurrentDocument"信號(hào)放大電路 9\o"CurrentDocument"控制電路 9\o"CurrentDocument"隔離及指示電路 10\o"CurrentDocument"整體電路圖、元件及器件明細(xì) 12\o"CurrentDocument"整體電路圖 12\o"CurrentDocument"元件及器件明細(xì) 12\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)小結(jié) 13\o"CurrentDocument"成果的評(píng)價(jià) 13\o"CurrentDocument"本設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 13\o"CurrentDocument"存在的問題和改進(jìn)的意義 13\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 14溫度控制的設(shè)計(jì)摘要控制系統(tǒng)一般由溫度測量部分和溫度控制部分組成。溫度測量部分主要用來接收當(dāng)前系統(tǒng)中的溫度，然后發(fā)送到控制部分；溫度控制系統(tǒng)主要是用來控制外部降溫系統(tǒng)的，它接受來自溫度測量部分的信號(hào)，然后與所要控制的溫度信號(hào)進(jìn)行比較，從而決定是否降溫。本設(shè)計(jì)同樣采用這兩大部分，通過對(duì)當(dāng)前與控制溫度的對(duì)比決定是否進(jìn)行加熱，從而達(dá)到控制溫度的目的。關(guān)鍵字：控制測量溫度AbstractControlsystemisgeneralbytemperaturemeasurementpartandtemperaturecontrolparts.Temperaturemeasurementpartmainlyusedtoreceivethecurrentsystemoftemperature,andsendtothecontrolpart;Temperaturecontrolsystemismainlyusedtocontrolexternalcoolingsystem,itacceptedfromtemperaturemeasurementpartofthesignal,andthentothetemperatureofthecontrolsignalis,todecidewhethertocool.Thisdesignisalsousedthetwomost,basedonthecurrentandcontroltemperaturecontrasttodecidewhethertoheat,soastoachievethepurposeoftemperaturecontrol.Keyword:controlmeasuretemperatures1EWB簡介EWB軟件，全稱為ELECTRONICSWORKBENCHEDA,是交互圖像技術(shù)有限公司在九十年代初推出的EDA軟件，用于模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真，利用它可以直接從屏幕上看到各種電路的輸出波形。EWB是一款小巧，但是仿真功能十分強(qiáng)大的軟件。相對(duì)其它EDA軟件而言，它是個(gè)較小巧的軟件，只有16M，功能也比較單一，就是進(jìn)行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真，但你絕對(duì)不可小瞧它，它的仿真功能十分強(qiáng)大，可以幾乎100%地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，而且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具，它的器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，還可以由外部模塊導(dǎo)入，在眾多的電路仿真軟件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個(gè)窗口內(nèi)，未接觸過它的人稍加學(xué)習(xí)就可以很熟練地使用該軟件，對(duì)于電子設(shè)計(jì)工作者來說，它是個(gè)極好的EDA工具，許多電路你無需動(dòng)用烙鐵就可得知它的結(jié)果，而且若想更換元器件或改變元器件參數(shù)，只需點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)即可，它也可以作為電學(xué)知識(shí)的輔助教學(xué)軟件使用。Version5.0cEducationalNetworkLicensedto: CenterforEngineeringComputingSerialNumberEW-01-00240-1018Thepurchaserisresponsibleforanycopyofthissoftwarefoundinviolationofthelicenseagreement.Unauthorizedcopyingordistributionofthissoftwareprogram,oranyportionofit,isillegalandwillbeprosecutedtothefullextentofthelaw.Copyright?1989,1992-1996InteractiveImage圖1-1EWB啟動(dòng)頁面設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)技術(shù)要求和所給條件，完成對(duì)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，裝配與調(diào)試。2.1.2設(shè)計(jì)要求一、 設(shè)計(jì)任務(wù)利用溫度傳感器件、集成運(yùn)算放大器和Tec(ThermoelectrieCooler,即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器。二、 要求(1)控制密閉容器內(nèi)空氣溫度容器容積〉5cm*5cm*5cm測溫和控溫范圍：0°C?室溫控溫精度土1C三、發(fā)揮部分(1)測溫和控溫范圍：0C?(室溫+30C)2.2設(shè)計(jì)思想本次設(shè)計(jì)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，與所要控制的電路進(jìn)行比較。電路根據(jù)比較的結(jié)果決定是否對(duì)密室空氣進(jìn)行降溫，如果需要制冷會(huì)自動(dòng)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(huì)自動(dòng)升溫，當(dāng)溫度上升到控制溫度以下的時(shí)候電路就會(huì)依照以前的步驟重新來一遍，然后對(duì)密室進(jìn)行降溫，然后循環(huán)往復(fù)執(zhí)行這樣一個(gè)周期性的動(dòng)作，從而達(dá)到把溫度控制在一定范圍內(nèi)的目的。選定方案的論證及整體電路的工作原理3.1設(shè)計(jì)方案選擇3.1.1可行方案：方案一：通過集成運(yùn)放構(gòu)成的比例器，把溫度傳感器獲得的信號(hào)放大，再將信號(hào)傳輸給功放，帶動(dòng)半導(dǎo)體制冷片工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)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。方案二：利用集成運(yùn)放在非線性工作區(qū)（即飽和區(qū)）的輸出端電壓為正負(fù)電源電壓的特性，構(gòu)造溫度比較器，將溫度信號(hào)離散成為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷，低電平時(shí)加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。其中功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。測溫部分方案同方案一。方案三：用溫度傳感器將采集到的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過集成運(yùn)放構(gòu)成放大器，將微弱的電壓信號(hào)放大成所需要的電壓信號(hào)，再通過電壓比較器將溫度信號(hào)離散成為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷，低電平時(shí)加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，并用LED指示燈指示半導(dǎo)體的工作狀態(tài)。3.1.2方案的討論與選擇：方案一可行，可是存在著許多缺點(diǎn)，如反應(yīng)慢，且溫度相近時(shí)，靈敏度也降低了。方案二可行，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)造成資源浪費(fèi)，電路也相對(duì)復(fù)雜。方案三可以很好得實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)于控制電路來說更加準(zhǔn)確，迅速，因?yàn)椴恍枰獙?duì)電路進(jìn)行加熱，則這個(gè)電路是不錯(cuò)的。綜合考慮之后，采用方案三作為具體實(shí)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(jì)要求，可以測量并控制0到室溫的溫度，精度要達(dá)到±l°c。也就是說基本要求為傳感器可以測量0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(jià)格方面的原因，選擇了集成溫度傳感器LM35。LM35溫度傳感器在-55?150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(shí)候輸出變化10mv。它的線性度也可以在高溫的時(shí)候保持得非常好。因此LM35完全符合設(shè)計(jì)要求。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?yàn)檫x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4.5AX2=9A以上的比較適合。選定運(yùn)算放大器的論證本設(shè)計(jì)對(duì)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(shí)輸出可以接近電源電壓。因此通用型的運(yùn)算放大器便可滿足要求。因此選用通用型的ua741.整體電路的工作原理電路設(shè)計(jì)的總體思想是測溫——比較——控溫如圖3.1所示圖3.1電路設(shè)計(jì)的整體框圖單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、元器件選擇及電路圖4.1測溫單元LM35R21K圖4.1.1測溫單元電路圖溫度傳感器需要放入水中，所以應(yīng)該在電路中引出一個(gè)出口來接溫度傳感器。LM35有三個(gè)引腳，其中0接正電源，2接地，這樣在1腳就會(huì)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(hào)采集單元電路如圖4.1.1所示。4.2信號(hào)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(hào)。處理方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(shí)候，LM35輸出電壓為300mv。溫度在0攝氏度的時(shí)候輸出為0mv。經(jīng)下面計(jì)算：xA<12VmaxvxA>0Vminv

即0<Av<40考慮計(jì)算的方便，以及最后輸出測量的方便，放大倍數(shù)為20為宜得max12VV0V<12VV0V<AV<圖4.2.1信號(hào)處理單元電路4.3溫度比較單元知道了所輸出的電壓的大小，然后與所給的電壓進(jìn)行比較，從而知道電壓是偏高還是偏低，即溫度是偏高還是偏低。當(dāng)控制溫度為30度時(shí)，V=300mv*20=6V,所以，比較電壓就選擇6V。

圖4.3.1比較單元電路圖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(hào)，判別是否需要對(duì)當(dāng)前的水體進(jìn)行加熱。因此控制電路處的比較基準(zhǔn)電壓應(yīng)該從負(fù)電源中索取。電位器選擇計(jì)算：為了使電位器在阻值最小的時(shí)候電路中電流在1.5mA以下,選擇固定電阻R為2k?？刂茰囟刃枰_(dá)到30攝氏度，而溫度傳感器是將1°的溫度裝換為10mV的電壓，而經(jīng)過放大器后，又電壓放大20倍，所以最后輸出電壓值為6V,比較器比較的電壓也為-6V。Vo=300mVX20=6V因此電位器選擇10k為宜。具體電路圖如圖4.4.1AR30"倔因此電位器選擇10k為宜。具體電路圖如圖4.4.1AR30"倔￡MD5DIODEKJJtELAY-SPST圖4.4.1控制單元控制電路是一個(gè)比較器，如圖4.4.1所示。輸出為6V,而繼電器沒有正負(fù)，所以必須使比較器輸出負(fù)電壓的時(shí)候繼電器截止，因此把繼電器和一個(gè)二極管串聯(lián)，這樣當(dāng)電壓為負(fù)的時(shí)候繼電器就會(huì)很快地?cái)嚅_了。繼電器內(nèi)部是一個(gè)磁線圈，在斷電的時(shí)候會(huì)有很大的電流，為了保護(hù)電路需要在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)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。單元電路的仿真及結(jié)果信號(hào)放大電路在輸入電壓為0.1V在輸入電壓為0.1V時(shí)在輸入電壓為0.4V時(shí)圖5.1.1信號(hào)放大電路仿真圖輸出電壓為2.035V，輸出電壓為8.062V，如圖5.1.2所示圖5.1.2輸入電壓為0.1V和0.4V時(shí)，輸出電壓的值所以，放大電路實(shí)現(xiàn)了放大20倍的功能?？刂齐娐房販貫?0度，所以比較電壓為-6V，與放大器輸出的電壓相加，放大器輸出大于6V,就輸出負(fù)電壓，負(fù)電壓的大小由穩(wěn)壓管兩端的電壓大小決定，放大器輸出的電壓小于6V,就輸出正電壓。圖5.2.1正式放大器輸出電壓小于6V時(shí)，比較器輸出電壓為19.98V。

圖5.2.1圖5.2.1控制電路仿真圖仿真時(shí)，輸入電壓為0.1V時(shí)，輸出值為20.79V;輸入電壓為0.4V時(shí)，輸出值為-20.97V。結(jié)果如圖523所示。圖5.2.3輸入電壓為0.1v和0.4V時(shí)的輸出結(jié)果仿真結(jié)果與實(shí)際值相符5.3隔離及指示電路隔離電路是一個(gè)射極跟隨器，輸入阻抗很大，能將前后級(jí)電路分開，以免后面的指示電路影響控制電路的輸出電壓。由于發(fā)光二級(jí)管的只有在1.1-1.3V電壓和0.5mA電流下才能正常工作，所以需要一個(gè)保護(hù)電阻。總體電路如圖5.3.1所示，電壓表測得是二極管兩段的電壓，達(dá)到了預(yù)定值。輸入電壓為0.1V時(shí)，表示室溫為10°，低于30°，此時(shí)要控制加熱裝置發(fā)熱，并且加熱時(shí)指示燈發(fā)光，由仿真圖5.3.1可以看出，此時(shí)二極管發(fā)光，復(fù)合預(yù)期結(jié)果。

輸入電壓為0.4V時(shí)，表示室溫為40°，高于30°，此時(shí)要控制加熱裝置制冷，并且制冷時(shí)指示燈不發(fā)光，由仿真圖5.3.1可以看出，此時(shí)二極管不發(fā)光，復(fù)合預(yù)期結(jié)果。圖5.3.1輸入電壓為0.1V時(shí)電路仿真圖圖5.3.2輸入電壓為0.4V電路仿真圖整體電路圖、元件及器件明細(xì)6.1整體電路圖電路如圖6.1.1所示圖6.1.1溫度控制系統(tǒng)整體電路圖元件及器件明細(xì)元件及器件明細(xì)如表6.2.1所示表6.2.1元件及器件明細(xì)元件器件明細(xì)繼電器1個(gè)，9V開啟，28A二極管1N40074個(gè)LM351個(gè)，每1攝氏度輸出變化10mVLED3個(gè)，2個(gè)黃，1個(gè)紅uA7413個(gè)電位器1個(gè)，10k普通開關(guān)1個(gè)電阻(10kQ,100kQ,5kQ,1kQ,2kQ……)若干，有的需要串并聯(lián)得到設(shè)計(jì)小結(jié)7.1成