課程設(shè)計(jì)（論文）溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目:溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 初始條件：ntc熱敏電阻 tec lm339運(yùn)算放大器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(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）利用溫度傳感器件、集成運(yùn)算放大器和tec(thermoelectric cooler，即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器。（1）控制密閉容器內(nèi)空氣溫度（2）容器容積5cm*5cm*5cm（3）測(cè)溫和控溫范圍： 0室溫（4）控溫精度1時(shí)間安排：第18周理論講解。第19周理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室安裝調(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

2、）指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要隨著信息時(shí)代的到來(lái),傳感器技術(shù)得到了快速發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,對(duì)其要求越來(lái)越高,需求越來(lái)越迫切.傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一.因此,了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的.通過(guò)平日的學(xué)習(xí)，我們了解了運(yùn)算放大器，了解了btl（推挽互補(bǔ)輸出電路）。將我們已學(xué)的東西加以運(yùn)用，組成了今天的這個(gè)電路。這個(gè)裝置可以用來(lái)控制系統(tǒng)提供的溫度，使得系統(tǒng)溫度一直保持在使用者所想要溫度點(diǎn)附近（因?yàn)榭刂频臏囟炔豢赡芫_地一直保持在固定的溫度點(diǎn)，但是可以在溫控器上設(shè)定恒溫范圍的大小數(shù)值）,使用者

3、可以利用調(diào)整設(shè)定來(lái)控制溫控器，可以用很多方法來(lái)設(shè)計(jì)溫控器，也可以使用各種不同的感溫元件來(lái)測(cè)量溫度。本文用熱敏電阻來(lái)感應(yīng)溫度，通過(guò)tec來(lái)調(diào)節(jié)溫度。本文也詳細(xì)介紹了溫度控制模塊的系統(tǒng)組成及工作原理,分析了tec控制電路結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞： 傳感器；tec：溫度控制 abstractwith the arrival of the information age,sensor-based technology,as a means of obtaining information,has made remarkable progress.applied in more fields with higher

4、 demands and more urgent needs,sensor-based technology has become one of the important marks of measuring the development of science and technology in a country.therefore,it is essential to understand and grasp the basic structures,working theories and characteristics of all kinds of sensors.through

5、 our daily study, we have known something about operational ampliflers and btl .using the knowledge we have, we make up the following source. athermostatis adevicefor regulating thetemperatureof asystemso that the systems temperature is maintained near a desiredsetpointtemperature.the article talk a

6、bout the each parts of temperature control system,and analysis the control source of tec.key words: sensor；tec； temperature control目 錄第一章 系統(tǒng)方案論證61.1 總體方案設(shè)計(jì)6第二章 元器件選擇與單元電路設(shè)計(jì)102.1 tec原理102.2 溫度改變電路112.3 溫度采樣電路112.4 溫控電路13第三章 仿真結(jié)果與分析14第四章 心得體會(huì)15第五章 元器件清單16第六章 參考文獻(xiàn)17第一章 系統(tǒng)方案論證1.1 總體方案設(shè)計(jì)方案一薄膜鉑電阻將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，

7、經(jīng)溫度采集電路放大、濾波后，送a/d轉(zhuǎn)換器采樣、量化，量化后的數(shù)據(jù)送單片機(jī)做進(jìn)一步處理；當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度數(shù)據(jù)經(jīng)pid算法得到溫度控制數(shù)據(jù)；控制數(shù)據(jù)經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器得到控制電壓，經(jīng)功率放大后供半導(dǎo)體致冷器加熱或制冷，從而實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。 系統(tǒng)大致可以分為：傳感、單片機(jī)處理、控制及溫控箱。圖1.1溫度傳感系統(tǒng)換能部分采用了電壓電路，這主要考慮了電壓信號(hào)不容易受干擾、容易與后續(xù)電路接口的優(yōu)勢(shì)；經(jīng)過(guò)鉑電阻特性分析，在要求的溫度范圍內(nèi)鉑電阻的線性較好，所以不必要增加非線性校正電路；采樣電壓再經(jīng)過(guò)高精度電壓放大電路和隔離電路之后輸出；另外，由于高精度的需要，電路對(duì)電源要求較高，所以采用穩(wěn)壓電源電路

8、的輸出電壓，并且需要高精度運(yùn)放。因?yàn)闇囟茸兓⒉皇呛芸?，所以電路?duì)濾波器的要求并不高，這里采用了一階濾波即可滿足要求。溫度控制系統(tǒng) 溫度控制系統(tǒng)需要完成的功能為：d/a轉(zhuǎn)換器輸出的電壓控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓放大，再通過(guò)功率單元提高輸出功率后，控制半導(dǎo)體制冷器件加熱或制冷。故此子系統(tǒng)可分為電壓放大、功率輸出兩部分。 d/a轉(zhuǎn)換器輸出的電壓控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓放大、功率放大后，給兩片半導(dǎo)體制冷器件供電。另外單片機(jī)還輸出一個(gè)用來(lái)控制是加熱還是制冷的控制信號(hào)。 功率放大電路采用lm33穩(wěn)壓芯片，可承受高輸出電流，且vout端輸出電壓與vadj端的電壓差保持不變的特點(diǎn)，可將控制信號(hào)利用運(yùn)放方向放大后，輸入至穩(wěn)壓

9、芯片的vadj端，輸出信號(hào)的電壓范圍和功率放大至合適的大小。具體設(shè)計(jì)為d/a輸出的控制信號(hào)，經(jīng)上述處理，在vout端利用繼電器，由單片機(jī)輸出的加熱制冷控制信號(hào)控制繼電器的閉合方向，改變半導(dǎo)體器件的電流方向，從而控制加熱或制冷。優(yōu)點(diǎn)：溫度控制精確方案二 圖1.2下述采用adn8830設(shè)計(jì)一種高效率的tec溫度控制器,設(shè)計(jì)要求電源工作電壓為5v, tec最大工作電壓為3. 0v,最大工作電流1a的溫度控制系統(tǒng)。a.功率驅(qū)動(dòng)h橋的設(shè)計(jì)電路中采用mosfet功率管h橋輸出驅(qū)動(dòng)替代常用的線性調(diào)整功率管驅(qū)動(dòng),這是降低功耗的關(guān)鍵部分。由于采用低導(dǎo)通電阻的mosfet功率管,輸出驅(qū)動(dòng)消耗在驅(qū)動(dòng)器上的無(wú)用功耗就

10、大大減少。同時(shí),采用h橋可以在不增加負(fù)電源的情況下,靈活地調(diào)整加在tec上的電流極性,使tec工作于制冷狀態(tài)還是制熱狀態(tài)。如圖2所示，tec制冷器設(shè)置在h橋的中間,當(dāng)n2a開(kāi)關(guān)管有效導(dǎo)通、n2b開(kāi)關(guān)管有效關(guān)閉、n3b常通、n3a常閉時(shí),電流從tec的“+”端經(jīng)tec流向“-”端。當(dāng)n2a開(kāi)關(guān)管有效關(guān)閉、n2b開(kāi)關(guān)管有效導(dǎo)通、n3b常閉、n3a常通時(shí),電流從tec的“-”端經(jīng)tec流向“+”端。設(shè)計(jì)時(shí),為了提高電源效率、擴(kuò)展散熱渠道以及使用靈活性和保護(hù)adn8830,控制器采用外接mosfet功率管h橋。選用導(dǎo)通電阻小于60毫歐的fdw2520c互補(bǔ)功率mosfet組建h橋,此互補(bǔ)mosfet器

11、件單個(gè)封裝里同時(shí)具有p溝道和n溝道功率mos管。散熱條件良好的情況下,連續(xù)工作電流可達(dá)4a以上,超出設(shè)計(jì)要求的1a要求,且只需兩只封裝器件即可組建h橋,使用非常方便。設(shè)計(jì)的h橋如圖2所示。圖1.3優(yōu)點(diǎn)：利用良好的溫控器使tec更好地發(fā)揮出其特點(diǎn)方案三目前很多小型半導(dǎo)體激光器都集成半導(dǎo)體制冷器(tec),必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路才能使它工作,體積小易集成的溫度控制電路更適用于小型光通信系統(tǒng)中使用。使用單個(gè)lm224放大器設(shè)計(jì)了一種高精度tec溫度控制電路,通過(guò)將熱敏電阻探測(cè)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。溫度控制原理：溫度控制系統(tǒng)一般是由熱敏電阻、tec熱制冷器

12、和溫度控制電路構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。集成的熱敏電阻一般采用的是高靈敏度的負(fù)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(cè)溫控箱內(nèi)部溫度,并將溫度轉(zhuǎn)化為自身電阻的變化,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(cè)溫的精度,所以需要差分放大電路來(lái)對(duì)熱敏電阻測(cè)溫阻值轉(zhuǎn)換后的電壓值進(jìn)行放大,然后由溫控電路改變制冷量對(duì)激光器進(jìn)行制冷或放大,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以上)阻值變化平緩(10 k到0),而在025范圍內(nèi),阻值從30 k到10 k變化,趨勢(shì)較陡。其阻值與溫度的變化關(guān)系可用公式表示為rt= rt0expb(1/t-1/t

13、0) b為熱敏電阻材料系數(shù),當(dāng)測(cè)到t0時(shí)的阻值rl時(shí),即可以求出溫度t時(shí)的阻值rt。溫度控制溫度采集溫度傳感 圖1.4優(yōu)點(diǎn)：具有精度高、工作溫度范圍寬、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。我選方案三第二章 元器件選擇與單元電路設(shè)計(jì)2.1 tec原理tec(themoelectric cooling modules)即半導(dǎo)體制冷器4,它的工作原理是基于珀?duì)栙N效應(yīng)(j.c.a.peltier在1834年發(fā)現(xiàn)),即當(dāng)電流以不同方向通過(guò)雙金屬片所構(gòu)成的結(jié)時(shí)能對(duì)與其接觸的物體制冷或加熱。兩個(gè)電偶臂分別用p型和n型半導(dǎo)體材料制成,然后上下分別用金屬橋連接,由于電子在金屬中的能量要低于在n型半導(dǎo)體中的能量,故在p型電偶臂和n型

14、電偶臂兩端加上電壓后,電子從金屬流到n型半導(dǎo)體需吸收能量,而從n型半導(dǎo)體流到金屬中需放出能量,這樣a端是電子從金屬流向n型半導(dǎo)體,故為吸熱端,而b端是電子從n型半導(dǎo)體流向金屬故為放熱端;反之,當(dāng)在電偶臂兩端加上反向電壓時(shí),此時(shí)a端則為放熱端,而b端則為吸熱端。由此可知,若將a端與某物體接觸,通過(guò)改變回路中電壓極性和電流的大小即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的制冷與加熱。圖2.1 tec結(jié)構(gòu)2.2 溫度改變電路電阻r1與電位器r2并聯(lián)，此時(shí)1節(jié)點(diǎn)的電位確定。 圖2.22.3 溫度采樣電路r4為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻圖2.3兩單元電路組合成如圖2.4的電路，由節(jié)點(diǎn)1確定一標(biāo)準(zhǔn)電位，然后與節(jié)點(diǎn)2上的熱敏電阻的電位通過(guò)

15、一個(gè)單門限電壓比較器進(jìn)行比較輸出。若u2u1，輸出為負(fù)；若u2u1，輸出為正。圖2.42.4 溫控電路r5為一個(gè)tec，當(dāng)通過(guò)tec的電流自左向右時(shí)，tec加熱；反之，當(dāng)通過(guò)的電流自右向左時(shí)，tec降溫。圖2.5a2為一個(gè)射擊跟隨器，a3為一個(gè)反相比例器，放大倍數(shù)為-1。若通過(guò)a1輸出為正，通過(guò)a2然后接到的推挽互補(bǔ)電路左端為正，通過(guò)a3接到的右端為負(fù)，可以得到通過(guò)tec的電流方向?yàn)閺淖笙蛴?；同理可得，?dāng)通過(guò)a1輸出為負(fù)時(shí)，通過(guò)tec的電流從右向左。由于r4是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，所以當(dāng)溫度升高時(shí)，r4電阻減小，u2電位降低，低于標(biāo)準(zhǔn)電位u1，輸出為負(fù)，則通過(guò)tec的電流從右向左，tec降溫；

16、當(dāng)溫度降低時(shí)，r4阻值變大，u2電位升高，高于標(biāo)準(zhǔn)u1，輸出為正，通過(guò)tec的電流自左向右，tec加熱；這樣達(dá)到控制溫度的目的。第三章 仿真結(jié)果與分析通過(guò)multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，在tec兩端接上萬(wàn)用表，測(cè)量?jī)啥穗妷赫?fù)，測(cè)量比較u1，u2電位的高低。由于ntc熱敏電阻在0-25c時(shí)電阻由30k-10k變化，當(dāng)取r4為10k時(shí)，得tec兩端電壓為負(fù)值，即電位左低右高。此時(shí)u1電位為圖3.1u2電位為圖3.2即u1小于u2。當(dāng)r4為30k時(shí)，得tec兩端電壓為正值，即電位左高右低。tec兩端電壓為圖3.3u1電位為圖3.4u1u2.由以上結(jié)果可得，電路可以正常運(yùn)行，能達(dá)到溫度控制的作用。第四章 心得體會(huì)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)使我基本了解了溫度控制系統(tǒng)的基本工作原理和組成；并進(jìn)行仿真研究；掌握了如何使用仿真軟件，并且了解了如何用仿真的結(jié)果來(lái)分析電路的正確以及可行性。再還有很重要的一點(diǎn)就是讓我學(xué)會(huì)如何利用學(xué)校的資源。圖書(shū)館有各種各樣的信息資源，平時(shí)都沒(méi)有好好利用，這次課設(shè)也讓我更進(jìn)一步走進(jìn)圖書(shū)館，查閱各種資料，這對(duì)于我以后做畢業(yè)設(shè)計(jì)是有相當(dāng)大幫助的。這次課設(shè)對(duì)于我來(lái)說(shuō)真的是受益匪淺。第五章 元器件清單ntc熱敏電阻 1個(gè)電阻 若干（詳見(jiàn)電路圖）電容 若干（詳見(jiàn)電路圖）電位器50k 1個(gè)tec（半導(dǎo)體制冷器） 1個(gè)lm339放大器