電子溫度控制器

1、遼寧工業(yè)大學模擬電子技術(shù)基礎 課程設計（論文）題目：電子溫度控制器院（系）：專業(yè)班級：學 號：學生姓名：指導教師： （簽字）起止時間：本科生課程設計（論文）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： 電子信息教研室號 學設計 目課程設計（論文）任務指 的繁 案 ，逐 左 構(gòu)路 能行性 結(jié) 可 電 ，、 定 單元 向、 性 敲 或單 流 求 進 ， 統(tǒng) 的 要 先 源 號 要 的 來 系 信 課題 路 的 干子 按 析課 電 件 若干 是 分 。 以 器 常 分圖，慮成通 控 。 。 繪 案 比 整為 合 明 度 。 標 ， 種方 合 化整 上 說 溫 源 80 指 案 種

2、綜 案 紙 的 子 電 + 能 方 各 作 方案 圖 要 電 壓 性 體 。對 面 體方 的 必 精 流 25 明 種總 案 等方 ?？?幅 標出 高 直 各 方 易 。 定 并 能 的 ： ， 出 體 難 電路 一 ， 作 需 圍 。 求 思 總 的 元電 在 路 制 所 范 要 構(gòu) 的 作 單元 。 電 ： 并 路 度 1 ： 計 ， 理 制 各單 統(tǒng) 各 數(shù) 計 電 溫 求 設 路 合 及 計各 系 放 參 設 計 作 度 要 析 思 定 低 設計 成 擺 計 現(xiàn) 設 工 精 計 分 開 確 高 設 組 律 設 12 34 設 1 廣 2 的 3 4 規(guī)進程計劃） 天） 天2 1（）。

3、。 天 能 求 2 性 要 .（ 統(tǒng) 制 ） 系 控 天 析 的 2 分 制 （ 電 數(shù) 控 源 參 度。）電件 溫路天壓器） 子 電 2 穩(wěn) 定 天 電測（流確1 握 檢 直 ， （ 掌度。的真 解溫路需仿。 理計電所行文 ，設統(tǒng)統(tǒng)進論 料，系系統(tǒng)計 資式制制系設 閱方控控制程 查測動度控課 ，檢自溫度印 務度度子溫打 任溫溫電子、 置定立計電寫 布確建設對撰 123456指導教師評語及成績?nèi)赵?字年 辯導 答指 ：績 時成 平總注：成績：平時 20% 論文質(zhì)量 60% 答辯 20% 以百分制計算本科生課程設計（論文）摘要溫度控制系統(tǒng)在人們的日常生活中有著非常廣泛的應用，它在冰箱、空調(diào)、 電

4、腦等電氣電子設備中占著尤為重要的地位。如果一個電器的某個關(guān)鍵系統(tǒng)溫度 過高，就會導致電器的燒毀，這就是需要溫度監(jiān)控器的原因。隨著電子科技的發(fā) 展，溫度監(jiān)控器不僅在家電領域中起作用，更是涉及到現(xiàn)代自動化機械生產(chǎn)、醫(yī) 療、核研究、宇宙探測等各個不同領域。如果沒有準確對儀表溫度進行檢測，會 導致難以預計的后果。這就需要溫度監(jiān)控設備的支持，可見溫度監(jiān)控電路的作用 至關(guān)重要。本設計中采用 MF58熱敏電阻接收當前系統(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，溫度控制系統(tǒng)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， 決定是否加熱升溫或冷卻降溫。 直流穩(wěn)

5、壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成，選用三端集 成穩(wěn)壓器 LM78XX電路。差動放大電路和滯回比較器電路采用 uA741集成運算放大 器，通過控制繼電器來控制加熱絲加熱或風扇散熱來調(diào)節(jié)溫度的變化。關(guān)鍵詞： 溫度；放大；穩(wěn)壓電源；繼電器II本科生課程設計（論文）目錄第 1 章 緒論 11.1 電子溫度控制器的應用意義 11.2 電子溫度控制器的設計要求及設計參數(shù) 11.2.1 設計要求 11.2.2 設計參數(shù) 2第 2 章 方案設計和分析 32.1 方案比較 32.1.1 方案一 32.1.2 方案二 32.2 總體設計方案框圖及分析 4第 3 章 電子溫度控制器的各單元電路設

6、計 53.1 溫度監(jiān)測及控制電路的設計 53.1.1 測溫電橋的設計 53.1.2 差動放大電路的設計 63.1.3 調(diào)溫電路 73.1.4 滯回比較器的設計 73.1.5 三極管及外圍控制電路的設計 93.2 12V直流穩(wěn)壓電源的設計 . 9第 4 章 電子溫度控制器的整體電路設計 114.1 整體電路圖及工作原理圖 114.2 電路參數(shù)計算 114.3 整機電路性能仿真驗證 124.4 整體電路性能分析 13第 5 章 課程設計總結(jié) 14附錄參考文獻 15附錄電路圖 16III本科生課程設計（論文）附錄：器件清單 17IV本科生課程設計（論文）第1章 緒論溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)，生活娛樂，

7、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(nèi)，才能保證所制造的 產(chǎn)品的質(zhì)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。1.1 電子溫度控制器的應用意義溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)，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(nèi)，才能保

8、證所制造的 產(chǎn)品的質(zhì)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。 如今， 溫度控制器的運用越來越廣泛，象電冰箱、空調(diào)、鍋爐等都得用到。日常經(jīng)常用 到的溫度控制器主要分為機械式和電子式。傳統(tǒng)多為機械式控制器，但機械式較 易損壞且不精確。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子控制電路在日常生活中得到了 更為廣泛的應用，因為它使用更方便且相當精確，對人們的生活起到了深遠的影 響。1.2 電子溫度控制器的設計要求及設計參數(shù)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(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 . 確定合理的總體方案。

9、對各種方案進行比較，以電路的先進性、結(jié)構(gòu)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，并標出必要的說明。1本科生課程設計（論文）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+804. 精度 1本科生課程設計（論文）18B20第2章 方案設計和分析2.1 方案比較2.1.1 方案一采用 AT89S52作為電路的控制核

10、心 ,使用 12 位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD574A 進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 ,控制電路部分采用 PWM 控制可控硅的通斷以實行對溫度的連續(xù)控 制 ,此方案精度相對較高，但價格昂貴，電路結(jié)構(gòu)也相對復雜。如圖2.1.1 所示，如用于本設計，顯得浪費資源。LCD1602外圍溫度控制圖 2.1.1 電子溫度控制器方案一2.1.2 方案二該方案也是通過熱敏電阻將溫度信號進行采集，然后將溫度的電壓信號進行差動放大，再經(jīng)過滯回比較器進行比較，其次再利用滯回比較器產(chǎn)生的信號控制 三極管的導通與截止，最后通過三極管的導通與截止控制繼電器或者外圍加熱或 降溫措施。而比較的參考電壓是通過多檔位電阻分壓。如圖 2.1.2 所

11、示。優(yōu)點： 相對于方案一，制造成本低，電路相對簡單，利于廣泛應用。因此采用方案二。本科生課程設計（論文）圖 2.1.2 電子溫度控制器方案二2.2 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(jīng)測量放大器放大后由滯回比較器輸出“加熱”與“停止”信號，經(jīng) 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(chǎn)生參考的電壓信號。總體方案框圖如圖 2.2 所示。圖 2.2 總體方案設計框圖本科生課程設計(論文)1N4

12、735AUaUb第3章電子溫度控制器的各單元電路設計3.1 溫度監(jiān)測及控制電路的設計3.1.1 測溫電橋的設計圖 3.1.1 測溫電橋電路如圖3.1.1 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(guān)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(guān)。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)。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 3.1.1

13、 所示。表 3.1.1 MF58 熱敏電阻阻值隨溫度變化表溫度/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）100kR4Uo1R5VCC10k10k3.1.2 差動放大電路的設計圖3.1.2 差動放大電路差動放大電路如圖 3.1.2 所示。由A1及外圍電路組成的差動放大電路，將測溫電橋輸出電壓U按比例放大。其輸出電壓UO1R7 RW2R4R4 R7 RW2R4R6R5 R6UB當 R4 R5 ，(R7 RW2) R6時UO1R7RW2R4其中RW3用于差動放大器調(diào)零

14、。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 3.1.2 所示。表3.1.2 差動放大電路輸出電壓隨溫度變化溫度/253035404550556065707580電阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16UBA /mV020365161707884899296100U O1/V023.65.16.17.07.88.48.99.29.610.0本科生課程設計(論文)3.1.3 調(diào)溫電路VCC12VR1020kUo2Rw4100kKey=A圖3.1.3 調(diào)溫電路調(diào)溫電路是通過改

15、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 3.1.3 所示，該電路主要是通過改 變滑動變阻器 Rw4的阻值得到參考電壓的阻值，改變 Rw4阻值溫度的變化范圍從 2580之間變化。3.1.4 滯回比較器的設計圖3.1.4(a) 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本科生課程設計(論文)RFR2 +RFR2uii R2 RFUOH當 ui 減小到使 u HU R 時，即uiUTLR2 RFRFURR2RFUOH為UOH ，輸出低電平為 U OL ，參考電壓 UR加在反相輸入端當輸出為高電平 UO

16、H 時，運算放大器同相輸入端電位此后，只要 ui 稍有減小，輸出就從高電平跳變?yōu)榈碗娖?當輸出為低電平 UOL 時，運算放大器同相輸入端電位RFR2u LuiUOLL R2+RF i R2 RF OL當 ui 增大到使 uL U R 時，即uiUTHR2RFRFR2RFU OL此后，只要 ui 稍有增加，輸出就從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。因此，U TL和U TH為輸出電平跳變時對應的輸入電平， 常稱UTH 為下門限電平， U TL為上門限電平， 而兩者的差值為 UT UTR UTL R2 RF UOH UOL 。 UT 稱 為門限寬度，其大小可通過調(diào)節(jié) R2 RF 的比值來調(diào)節(jié)。圖 3.1.4(b)

17、 電壓傳輸特性由上述分析可見差動放大器輸出電壓 u01 經(jīng)分壓后，在 A2 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。通過發(fā)光二極管 LED1的發(fā)光 情況，可見負載的工作狀態(tài)為加熱。反之，為同相輸入信號小于反相輸入端電壓 時， A2輸出負飽和電壓，三極管 Q2飽和導通， LED2熄滅，負載的工作狀態(tài)為制 冷。調(diào)節(jié) RW4可改變參考電平， 也同時調(diào)節(jié)了上下門限電平， 從而達到設定溫度的本科生課程設計（論文）目的。3.1.5 三極管及外圍控制電路的設計K3Uo3R112M3k11R2N37

18、022N3702N27122EDR201A05K4EDR201A05電熱絲風扇12V圖 3.1.5 三極管及外圍控制電路的設計電路差動放大器輸出電壓 UO1經(jīng)分壓后 A2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

19、都截止， LED1和LED2都熄 滅，負載的工作狀態(tài)為停止。3.2 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。該電路具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。電源變壓器是將電網(wǎng)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(wǎng)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)壓器采用 LM78， LM79（美國），78系列穩(wěn)壓器輸出固定的正電本科生課程設計（論文）壓， 79系列穩(wěn)壓器輸出的為負電壓V1220 Vrms5

20、0 Hz0TS1N4007MISC_VIRTUALD2D11N40076C810FD31N4007D4C2680FLINE VREGVOLTAGECOMMONCOMMONVOLTAGELINE VREGC60.1FC50.1 FU1LM7812CTU2LM7912CTC4C71C030F0.1FC8100F0.1F圖 3.2 12V 直流穩(wěn)壓電源電路圖中元件選擇： T1 為次級雙路 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 680uf 的電解電容， C3、C4為緩沖負載突變，選取大小為 100F

21、 的電解電容， C5、C5、 C7、C8的作用為消除三端穩(wěn)壓器可能發(fā)生的自激，應選無極性的金屬膜或獨石電 容，一般取大小為 0.1 F。對于三端固定式集成穩(wěn)壓器 U1、 U2選用 LM7812C，T LM7912CT，可得到 12V 的直流電壓。10本科生課程設計（論文）第4章電子溫度控制器的整體電路設計4.1 整體電路圖及工作原理圖1N4735ARW1100k10%10kKey=A50%R1R220k100%Key=AA1741R6Rw2100k1M220R 5R7910kRw4100kKey=A50%R1020kR810kLED1電熱絲EDR201A05K2R121kR131kK1Rw31

22、00k2R91M371741Q2Q1K風扇EDR201A051kKey=A圖 4.1 整體電路圖2N3702 2N2712R112M370237023702工作原理：它是由負溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC 元件）Rt為一臂組成測溫電 橋的，其輸出經(jīng)測量放大器放大后由滯回比較器輸出“加熱”和“停止”信號， 經(jīng)三極管放大后控制加熱器的“加熱”和“停止”動作。改變滯回比較器的比較 電壓 UR，即改變控溫的范圍，而控溫的精度由滯回比較器的滯回寬度確定。4.2 電路參數(shù)計算測溫電橋部分，當 Rt 滑到最下端，即熱敏電阻在室溫環(huán)境時，差模電壓最小值U BAmin RW1 R2 R3VCC 12V 12V 0R

23、1 Rt 2k 20k 220 100k 1k 當 Rt滑到最上端，即熱敏電阻在高溫環(huán)境時，差模電壓最大值11本科生課程設計(論文)VCC VCC 12V 12VU BAmax100mVBAmax RW1 R2 R3 R1 Rt 2k 20k 220 100k 160 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)VCC 12Vmax 120max UBAmax 100mv因此我們選擇放大倍數(shù)為 100 倍，即R7 RW2 100R4因此我們選擇 100k電位器， 910k和 10k電阻對于調(diào)溫電

24、路滑動電阻阻值如下表所示：表4.2 調(diào)溫電阻阻值溫度/253035404550556065707580阻值/K0203651617078848992961004.3 整機電路性能仿真驗證假設需要控制溫度在 50，則需要將滑動變阻器 Rw4調(diào)到 70K。調(diào)節(jié)電位器 Rt 使它在 1K，即熱敏電阻在溫度為 25的環(huán)境中， 用電壓表測量電壓 Uo1，得 到電壓如圖 4.3(a) 所示，并且 LED2亮, LED 1滅；調(diào)節(jié)電位器 Rt使它在 0.41K， 即熱敏電阻在溫度為 50的環(huán)境中，用電壓表測量電壓 Uo1，得到電壓如圖 4.3(b) 所示，并且 LED2 滅,LED1亮。圖 4.3(a) 2

25、5 環(huán)境電路電壓 UO112本科生課程設計(論文)圖 4.3(b) 50 環(huán)境電路電壓 UO1經(jīng)過本次的仿真實驗可知，設計電路時的理論值與仿真實驗所得的實際值誤 差較小，基本能達到所要控制溫度的范圍。綜上所述，本次設計的溫度控制電路符合了設計要求。4.4 整體電路性能分析本設計由測溫電橋、差動放大電路、滯回比較器、外圍溫度控制器、直流穩(wěn) 壓電源六部分組成。測溫電橋采用 MF58熱敏電阻， 將溫度信號轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號， 經(jīng)過差分 放大電路將信號進行放大，避免信號太弱滯回比較器無法比較，然后通過滯回比 較器將放大后的電壓信號與所要電壓進行比較，從而滯回比較器輸出高電平或者 是低電平，更方便控制

26、外圍溫度控制器中三極管導通或截止，從而決定了繼電器 的閉或者開，達到對溫度的實時控制。13本科生課程設計（論文）第 5章 課程設計總結(jié)本次的課程設計主要是設計一個將溫度控制在 25 80的溫度控制器 。本設 計由測溫電橋、差動放大電路、滯回比較器、外圍溫度控制器、直流穩(wěn)壓電源六 部分組成的電路。測溫電路的熱敏電阻根據(jù)所要控制的溫度范圍通過書本和上網(wǎng) 查閱資料我選用 MF58熱敏電阻。放大電路選用 uf741 和外圍電路構(gòu)成差分放大電 路，滿足放大的倍數(shù)。外圍溫度控制器對于如何控制風扇和發(fā)熱絲工作也是一難 點，因為這都是要高電壓控制的，本電路電壓遠遠達不到要求，通過查找資料知 道繼電器能采用實現(xiàn)

27、這一功能，繼電器采用常閉繼電器，通過對三極管的控制達 到控制繼電器的開或者閉，達到控制控制風扇和發(fā)熱絲的工作。對于直流穩(wěn)壓電 源開始并未有采用三端集成穩(wěn)壓器 LM78XX電路，然而通過 multisim 軟件仿真時 電壓輸出電壓比 12V大點并且波形有一定的波動并沒有平穩(wěn)，然后通過查找資料 知道了三端集成穩(wěn)壓器 LM78XX電路能輸出穩(wěn)定 12V 電壓，用 multisim 連好電 路后通過仿真輸出電壓的波形與電壓值果然達到理想中的效果，直流穩(wěn)壓電路就 確定了。這個設計方案要實現(xiàn)溫度監(jiān)測還是很困難的， 總是受到很多雜亂信號的干擾， 最后查了很多資料終于成功排掉其他無效信號的干擾，從而提高了信號

28、精度。這次的課程設計讓我學會了很多東西， 特別是對 Multisim 軟件的使用， 相信 在以后的專業(yè)課學習當中會經(jīng)常用到它的。我不僅熟練掌握了模擬電子技術(shù)理論 的知識，而且也擁有了一定的實際設計的能力。設計過程中，每部分都需要精心 計算，電路圖的設計也需要潛心的琢磨。14本科生課程設計（論文）附錄參考文獻1 康華光編著 模擬電子技術(shù)基礎 高等教育出版社 2006.1.2 周惠潮編著 常用電子元件及典型應用 電子工業(yè)出版社 2005.3 胡圣堯等編著 模擬電路應用設計 科學出版社 2009.8.4 程勇，劉純悅編著 實用穩(wěn)壓電源 DIY 福建科學技術(shù)出版社 2003.10.5 王連英編著 基于 Multisim10 的電子仿真與實驗設計 北京郵電大學出版社 2009.8.6 魯保春，王景利，劉毅，關(guān)維國等編著 電