電子溫度控制器課程設計

1、-遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目：電子溫度控制器電子溫度控制器院（系）：院（系）： 電子與信息工程學院電子與信息工程學院專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字）起止時間：起止時間： 2014.6.30-2014.7.112014.6.30-2014.7.11本科生課程設計（論文）I課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：電子與信息工程學院 教研室： 學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計題目電子溫度控制器電子溫度控制器課程設計（論文）任務設計參數(shù)：1.

2、現(xiàn)設計并制作能高精度電子溫度控制器。2.設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。設計要求：1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環(huán)境等，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構的繁簡、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，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。進程計劃第 1 天：集

3、中學習；第 2 天：收集資料；第 3 天：方案論證；第 4 天：選擇器件進行單元電路設計；第 5 天：單元電路設計及仿真；第 6 天：整體電路設計并仿真；第 7 天：電路焊接制板；第 8 天：焊接調試；第 9 天：完善設計；第 10 天：答辯。指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日本科生課程設計（論文）II注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算本科生課程設計（論文）III摘 要溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產，生活娛樂，儀器運行等很多方面都有著廣泛的應用。一些工業(yè)上的自動化設備需要將溫度控制在一定范圍內，才能保證所制造的產品的質量。電子

4、溫度控制系統(tǒng)一般由溫度測量部分、溫度控制部分和直流穩(wěn)壓電源部分組成。溫度測量部分主要用來接收當前系統(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，本設計采用 MF58 熱敏電阻；溫度控制系統(tǒng)主要是用來控制外部調溫系統(tǒng)的，它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行比較，從而決定是否加熱升溫或冷卻降溫；直流穩(wěn)壓電源部分主要是用來給電子溫度控制器供電，一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路構成，而我選擇使用三端集成穩(wěn)壓器 LM78電路。差動放大電路和滯回比較器部分電路采用集成 uA741 運算放大器，而溫度控制我們通過控制繼電器來控制加熱絲加熱或風扇散

5、熱。經過了 multisim 仿真，驗證了工作溫度范圍：25+80、精度1指標，基本滿足設計要求。關鍵詞：溫度；放大；電源；繼電器。本科生課程設計（論文）IV目 錄第 1 章 緒論 .11.1 電子溫度控制器概況 .11.2 本文研究內容 .11.2.1 設計要求 .11.2.2 設計參數(shù) .1第 2 章 電子溫度控制器電路設計.22.1 總體設計方案框圖及分析.22.2 具體電路設計.22.2.1 測溫電橋的設計.22.2.2 差動放大電路的設計.32.2.3 多級調溫電路.42.2.4 滯回比較器的設計.52.2.5 三極管及外圍控制電路的設計.62.3 12V 直流穩(wěn)壓電源的設計 .72

6、.4 電子溫度控制器的整體電路設計.82.4.1 整體電路圖.82.4.2 電路參數(shù)計算.92.4.3 整機電路性能仿真驗證.9第 3 章 課程設計總結 .11參考文獻 .12附錄：器件清單 .13本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒論1.1 電子溫度控制器概況溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產，生活娛樂，儀器運行等很多方面都有著廣泛的應用。一些工業(yè)上的自動化設備需要將溫度控制在一定范圍內，才能保證所制造的產品的質量。因此，溫度測量控制系統(tǒng)有提高自動化設備性能的重要意義。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

7、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、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備安全運行。1.2 本文研究內容1.2.1 設計要求1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環(huán)境等，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構的繁簡、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 .設計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設計。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，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路

8、，并標出必要的說明。1.2.2 設計參數(shù)1.現(xiàn)設計并制作能高精度電子溫度控制器。2.設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。本科生課程設計（論文）2第 2 章 電子溫度控制器電路設計2.1 總體設計方案框圖及分析電子溫度控制器是由負溫度系數(shù)電阻特性的熱敏電阻為一臂組成的測溫電橋的，其輸出經測量放大器放大后由滯回比較器輸出“加熱”與“停止”信號，經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行分壓產生參考的電壓信號?？傮w方案框圖如圖 2.1

9、 所示。圖 2.1 總體方案設計框圖2.2 具體電路設計2.2.1 測溫電橋的設計Rt1kKey=A50 %Rw110kKey=A50 %R1100kR220kR3220VCC12V3Dz1N4735AVCC012UAUB圖 2.2 測溫電橋電路本科生課程設計（論文）3如圖2.2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系且具有負溫度系數(shù)，而溫度又與流過它的工作電流有關。為了穩(wěn)定Rt的工作電流，以達到穩(wěn)定其溫度系數(shù)的目的，電路中設置了穩(wěn)壓管DZ。RW1可決定測溫電橋的平衡。熱敏電阻Rt采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)。負溫度系數(shù)

10、的熱敏電阻又分為普通型、穩(wěn)壓用、溫度檢測用、溫度控制用等多類，根據(jù)設計要求需要檢測溫度，因此采用溫度檢測型NTC熱敏電阻。又根據(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2.2所示。表 2.2 MF58 熱敏電阻阻值隨溫度變化表2.2.2 差動放大電路的設計410kR510kR61MRw2100kKey=A50 %Rw3100kKey=A50 %14VCC12VVCC0VEE-12VVEEVEER7910k23675UAUBUo1圖2.3 差動放大電路差動放大電路如圖2.3所示。由A1及外圍電路組成的差動放大電路，將測

11、溫電橋輸出電壓U按比例放大。其輸出電壓72472614456WWOABRRRRRRUUURRRR 溫度/253035404550556065707580電阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16本科生課程設計（論文）4當，時45RR726()WRRR7214WOBARRUUUR其中RW3用于差動放大器調零。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2.3所示。表2.3 差動放大電路輸出電壓隨溫度變化2.2.3 多級調溫電路S1S2S3S4Ra866Rb1.37kRc2.5kRd

12、2.74kRe3.01kRf3.9kRg4.32kRh7.15kRi4.64kRj4kRl4.32kRm4.53kRn3.32Ro2.74kRp2.15kRq1.3kRr1.87kRs2.49kRu1.43kRv1kRw41kKey=A50 %Rk5kVCC12VUo2 圖2.4 多級調溫電路溫度/253035404550556065707580電阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16/mVBAU020365161707884899296100/V1OU023.65.16.17.07.88.48.99.29.610.0本科生課程設

13、計（論文）5調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 2.4 所示，該電路主要是通過電阻進行分壓調節(jié)。為了可以進行多檔位調節(jié)，我們選擇了撥碼開關 S1，S2，S3，S4當作開關來使用，進行電阻變換。即從左向右依次對應 2530, 3035,3540, 4045, 4550, 5055, 5560, 6065, 6570, 7075, 7580,共 11 個檔位。調節(jié)電位器 RW4即可在該檔位內進行調節(jié)。2.2.4 滯回比較器的設計A27413247651R91MR810kVCC12VVEE-12V2VCCVEE153Uo2Uo1U

14、T圖2.5 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。OHUOLU當輸出為高電平時，運算放大器同相輸入端電位OHU222+FHiOHFFRRuuURRRR當減小到使時，即iuHRuU22FiTLROHFFRRRuUUURR此后，只要稍有減小，輸出就從高電平跳變?yōu)榈碗娖健u當輸出為低電平時，運算放大器同相輸入端電位OLU222+FLiOLFFRRuuURRRR本科生課程設計（論文）6當增大到使時，即iuLRuU22FiTHROLFFRRRuUUURR此后，只要稍有增加，輸出就從低電平跳變?yōu)楦唠娖健

15、u因此，和為輸出電平跳變時對應的輸入電平，常稱為下門限電平，TLUTHUTHU為上門限電平，而兩者的差值為。稱TLU2TTRTLFOHOLUUURRUUTU為門限寬度，其大小可通過調節(jié)的比值來調節(jié)。調節(jié) RW4可改變參考電平，2FRR也同時調節(jié)了上下門限電平，從而達到設定溫度的目的。2.2.5 三極管及外圍控制電路的設計R102MR121kQ12N2712LED1VCC12V3KK1EDR201A054Q22N3702201R111kLED26KK2EDR201A05VCC578910UT絲 絲 絲絲 絲圖2.6 三極管及外圍控制電路的設計電路如圖2.6所示，差動放大器輸出電壓UO1經分壓后A

16、2組成的滯回比較器，與反相輸入端的參考電壓UR相比較。當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飽和導通，三極管Q2反相截止；當同相輸入端的電壓信號小于反相輸入端的電壓時，A2輸出負飽和電壓，三極管Q2飽和導通，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，可見負載的工作狀態(tài)為加熱或制冷。當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，負載的工作狀態(tài)為停止。本科生課程設計（論文）72.3 12V 直流穩(wěn)壓電源的設計集成穩(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

17、能穩(wěn)定、結構簡單等優(yōu)點。電源變壓器是將電網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)壓器的作用是當電網電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。三端穩(wěn)壓器常見的產品有CW78，CW79（國產） ，LM78，LM79（美國） ，78系列穩(wěn)壓器輸出固定的正電壓，79系列穩(wěn)壓器輸出的為負電壓。V1220 Vrms 50 Hz 0 D21N4007D31N4007D41N4007D51N4007C11mFC21FC3100nFC4100nFU1LM7912CTLINEVREGCOM

18、MONVOLTAGEU2LM7812CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC51mFC61mFC7100nFC8100nFT1TS_PQ4_126543928100圖 2.7 12V 直流穩(wěn)壓電源電路圖中元件選擇：T1為 TS-PQ4-12V 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 1mF的電解電容，C5、C6為緩沖負載突變，選取大小為 100nF 的電解電容，C3、C4、C5、C6的作用為消除三端穩(wěn)壓器可能發(fā)生的自激。對于三端固定式集成穩(wěn)壓器 U1、U2選用 LM7812，LM7912，可得

19、到12V 的直流電壓，這樣就得到了（12V,1A）、（12V,1A）兩組電源。本科生課程設計（論文）82.4 電子溫度控制器的整體電路設計2.4.1 整體電路圖D11N4735AR1100kRt1kKey=A50%0R310kKey=A50%R420kR5220R610kR710kR8100kKey=A50%R91M10910kR11100kKey=A50%R1210kA27413247651R132MR141MLED1R151kLED2R161kQ22N2712Q12N3702KK1EDR201A05KK2EDR201A05V1220 Vrms 50 Hz 0 D2

20、1N4007D31N4007D41N4007D51N4007C11mFC21mFC3100nFC4100nFU1LM7912CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU2LM7812CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC51mFC61mFC7100nFC8100nFR175kR184.32kR194.53kR203.32kR212.74kR222.15kR231.3kR241.87kR252.49kR261.43kR271kS1Key = SpaceS2Key = SpaceR281kKey=A50%S3Key = SpaceS4Key = SpaceR29866R301.37k

21、R312.5kR322.74kR333.01kR343.9kR354.32kR367.15kR374.64kR394k002457131723222526272829313233353637383940414243444547484950515253545556570581546391021605924T1TS_PQ4_1201211116148本科生課程設計（論文）9 2.4.2 電路參數(shù)計算測溫電橋部分，當 Rt 滑到最上端，即熱敏電阻在室溫環(huán)境時，差模電壓最小值min1231121202202201001BAWtVCCVCCVVURRRRRkkkk當 Rt 滑到最下端，即熱敏電阻在高溫環(huán)

22、境時，差模電壓最大值max12311212100220220100160BAWtVCCVCCVVUmVRRRRRkkk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該在-12V到+12V 之間。假設放大的最大電壓為 12V，則最大放大倍數(shù)maxmax12120100BAVCCVUmv因此我們選擇放大倍數(shù)為 100 倍，即724100WRRR因此我們選擇 100k 電位器，910k 和 10k 電阻。對于多級調溫電路電阻阻值的計算，可以先設同一檔位的電阻分別為xk,yk，中間電位器 RW4的電阻選擇為 1k 時，則可以得到下面的方程：min12max1211VtxxyVtxxy通

23、過該方程組就可以得到多級調溫電阻阻值，具體阻值如表 2.5 所示。表2.5 多級調溫電阻阻值位置RkRlRmRnRoRpRqRrRsRuRv阻值/K54.324.533.322.742.151.31.872.491.431位置RaRbRcRdReRfRgRhRiRj阻值/K0.8661.372.52.743.013.94.327.154.6442.4.3 整機電路性能仿真驗證假設需要控制溫度在 53，則需要將撥碼開關從左向右第 6 個開關閉合，電本科生課程設計（論文）10路就接入了電阻 Re 和 Rp，調節(jié) RW4使溫度控制在 53左右。調節(jié)電位器 Rt 使它在 1K，即熱敏電阻在溫度為 25

24、的環(huán)境中，用電壓表測量電壓 Uo1，得到電壓如圖 2.8 所示，并且 LED1亮, LED2滅；調節(jié)電位器 Rt 使它在 0.25K，即熱敏電阻在溫度為 65的環(huán)境中，用電壓表測量電壓 Uo1，得到電壓如圖 2.9 所示，并且 LED1滅,LED2亮。圖 2.8 25環(huán)境電路電壓 UO1圖 2.9 65環(huán)境電路電壓 UO1本科生課程設計（論文）11第 3 章 課程設計總結電子溫度控制系統(tǒng)一般由溫度測量部分、溫度控制部分和直流穩(wěn)壓電源部分組成。溫度測量部分主要用來接收當前系統(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，本設計采用 MF58 熱敏電阻；溫度控制系統(tǒng)主要是用

25、來控制外部調溫系統(tǒng)的，它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行比較，從而決定是否加熱升溫或冷卻降溫；直流穩(wěn)壓電源部分主要是用來給電子溫度控制器供電，一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路構成，而我選擇使用三端集成穩(wěn)壓器 LM78電路和LM79電路，輸出電壓約為 12.5V。差動放大電路和滯回比較器部分電路采用集成 uA741 運算放大器，差動放大器將測溫電橋輸出電壓 U 按比例放大。調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。滯回比較器通過改變參考電平來控制溫度，溫度控制我們通過控制繼電器來控制加熱絲加熱或風扇散熱。經過了 multisim 仿真，驗證了工作溫度范圍：25+80、精度1指標，基本滿足設計要求。本科生課程設計（論文）12參考文獻1 康華光主編.電子技術基礎（模擬部分）.第五版.北京：高等教育出版社,2005.2 華成英主編.模擬電子技術基本教程. 北京：清華大學出版社，2009.8.3 李杰等編著.電子技術基礎.北京：清華大學出版社，200