武漢理工大學(xué)模電課設(shè)-溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 張亞男 專業(yè)班級(jí)： 通信1104班 指導(dǎo)教師： 李政穎 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：TEC半導(dǎo)體制冷器、UA741 運(yùn)算放大器、LM339N電壓比較器 、穩(wěn)壓管、LM35溫度傳感器、繼電器要求完成的主要任務(wù): 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(Thermoelectric Cooler，即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器。二、設(shè)計(jì)要求：（1）控制密閉容器內(nèi)空氣溫度 （2）控制容器容積>5cm*5cm*5cm （3）測(cè)溫和控溫范圍0室溫 （4）控溫精度±

2、;1 三、發(fā)揮部分：測(cè)溫和控溫范圍： 0（室溫+10） 時(shí)間安排： 19周準(zhǔn)備課設(shè)所需資料，弄清各元件的原理并設(shè)計(jì)電路。 20周在仿真軟件multisim上畫出電路圖并進(jìn)行仿真。 21周周五前進(jìn)行電路的焊接與調(diào)試，周五答辯。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.溫度控制系統(tǒng)原理電路的設(shè)計(jì).3 1.1 溫度控制系統(tǒng)工作原理總述.3 1.2 方案設(shè)計(jì).3 2.單元電路設(shè)計(jì).42.1 溫度信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)化單元溫度傳感器.4 2.2 電壓信號(hào)的處理單元運(yùn)算放大器.5 2.3 電壓值表征溫度單元萬(wàn)用表.7 2.4 電壓控制單元遲滯比較器.8 2.5 驅(qū)動(dòng)

3、單元繼電器.10 2.6 TEC裝置.11 2.7 整體電路圖.12 3.電路仿真.12 3.1 multisim仿真.12 3.2 仿真分析.14 4.實(shí)物焊接.15 5.總結(jié)及體會(huì).16 6.元件清單.18 7.參考文獻(xiàn).191.溫度控制系統(tǒng)原理電路的設(shè)計(jì)1.1 溫度控制系統(tǒng)工作原理總述 一、原理框圖溫度顯示提取溫度值溫度電壓轉(zhuǎn) 換器溫度信號(hào) TEC調(diào)節(jié)繼電器觸發(fā) 裝置比較器 二、簡(jiǎn)單原理敘述先采集室內(nèi)溫度信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電壓或者電流，并線性放大再用萬(wàn)用表測(cè)取，可以直接線性反映溫度值。對(duì)于提取出的溫度值，輸入比較器與我們所設(shè)定的電壓(設(shè)定溫度對(duì)應(yīng)的電壓)進(jìn)行比較，若高于所設(shè)定電壓，則TEC

4、裝置開始制冷；若低于所設(shè)定的電壓值，則TEC裝置開始加熱。這樣循環(huán)往復(fù)執(zhí)行這樣一個(gè)周期性的動(dòng)作，從而把溫度控制在一定范圍內(nèi)。1.2 方案設(shè)計(jì)方案一：想要讓電路正常穩(wěn)定的工作，必須要有一個(gè)關(guān)于溫度的準(zhǔn)確信號(hào)值，為了使信號(hào)輸出誤差很小，可以選用橋式測(cè)壓電路，這樣可以得出較為準(zhǔn)確的與溫度相對(duì)應(yīng)的電壓值。關(guān)于比較部分可以選用比較器LM339構(gòu)成遲滯比較器，再利用電位計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)上下限電壓，將輸出電壓值與設(shè)定的電壓值（與設(shè)定的溫度值相對(duì)應(yīng)）進(jìn)行比較來(lái)控制三極管，從而控制繼電器的開閉以達(dá)到控制TEC裝置的目的。方案二：用溫度傳感器LM35采集室內(nèi)溫度，直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。由于LM35轉(zhuǎn)化成的電壓信號(hào)

5、較小，因此用運(yùn)算放大器將信號(hào)進(jìn)行無(wú)損放大，并用反相比例器反向輸出的電壓值即為與我們?cè)O(shè)定的溫度對(duì)應(yīng)的值。對(duì)于提取出的溫度值，輸入遲滯比較器與我們所設(shè)定的電壓(設(shè)定溫度對(duì)應(yīng)的電壓)進(jìn)行比較，若高于所設(shè)定電壓，則用TEC裝置開始制冷；若低于所設(shè)定的溫度，則用TEC裝置開始加熱，從而達(dá)到控制溫度的目的。分析得出，方案一和方案二都可行。但是，方案一中獲取電壓信號(hào)的電路比較復(fù)雜，方案二中的溫度傳感器可以直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再進(jìn)行無(wú)損放大，相對(duì)較方便。綜合考慮，我選擇方案二。2.單元電路設(shè)計(jì)2.1 溫度信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)化單元溫度傳感器 一、溫度傳感器的選擇： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以測(cè)量并控制0到室溫的溫

6、度，精度要達(dá)到±1。也就是說基本要求為傳感器可以測(cè)量0到室溫的溫度，并且具有很好的穩(wěn)定性。常用的傳感器有LM35和AD590兩種，但是AD590價(jià)格較貴。綜合性能及價(jià)格各方面的原因，我選擇了集成溫度傳感器LM35。 LM35溫度傳感器在-55150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。二、溫度信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)化原理圖：Vcc 圖1.溫度信號(hào)采集與轉(zhuǎn)化原理圖 溫度傳感器需要放入密閉容器內(nèi)，所以應(yīng)該在電路中引出一個(gè)出口來(lái)接溫度傳感器。LM35有三個(gè)引腳，其中0

7、接正電源，2接地，這樣在1腳就會(huì)輸出隨溫度而線性變化的電壓。具體是每變化1攝氏度，輸出電壓變化10mV。信號(hào)采集與轉(zhuǎn)化單元電路如圖1所示。后面接一個(gè)電壓跟隨器將轉(zhuǎn)化而成的電壓跟隨出去，防止后面電路對(duì)信號(hào)采集電路的影響。2.2電壓信號(hào)的處理單元運(yùn)算放大器 一、 元器件的選擇：1、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ua741.2、LM35輸出端的電壓因溫度改變1攝氏度而改變10mv，很難檢測(cè)。所以必須經(jīng)過一定的處理方試成為測(cè)量以及控制部分所使用的信號(hào)。處理方法也就是將它無(wú)損的放大一定的倍數(shù)。 因控制

8、或測(cè)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：得 即0< Av < 40 考慮計(jì)算的方便，以及最后輸出測(cè)量的方便，放大倍數(shù)為30 為宜。因此選擇電阻R1=10k，R3=300k。二、電壓信號(hào)的處理原理圖：圖2.電壓信號(hào)的處理原理圖由于初級(jí)放大電路是反向放大電路，所以電壓會(huì)變成負(fù)電壓。因此在放大電路后面再加一級(jí)反向比例器，使之成為正電壓。但是仿真過程中發(fā)現(xiàn)信號(hào)采集并放大后馬上就影響到了信號(hào)值，于是就想到了電壓跟隨器。由虛短，虛斷可知輸出電壓=輸入電壓，可以將電壓傳輸?shù)较乱患?jí)電路中，并且很好的采集信號(hào)，而且把后部電路很好的和信

9、號(hào)源隔離，排除了后部操作對(duì)信號(hào)的影響。原理電路見圖2.2.3 電壓值表征溫度單元萬(wàn)用表 電壓值表征溫度單元主要是用萬(wàn)用表顯示出經(jīng)放大器無(wú)損放大以后的電壓值，從而反應(yīng)出當(dāng)前的溫度值。由于溫度傳感器Ua741的特性是溫度每變化1攝氏度，電壓值變化10mv，而后用放大器將其放大了30倍。因此溫度值與萬(wàn)用表顯示的電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：溫度值()=萬(wàn)用表顯示值(V)/0.3萬(wàn)用表接在第二個(gè)電壓跟隨器的輸出端與地之間，測(cè)取電壓值，從而顯示溫度。 圖3.電壓值表征溫度原理圖2.4 電壓控制單元遲滯比較器 元器件選取： 經(jīng)由反向比例器得到的輸出電壓要與設(shè)定電壓（即設(shè)定溫度對(duì)應(yīng)的電壓）進(jìn)行大小比較以確定以后部分

10、是制冷還是加熱，所以要用一個(gè)比較器?？紤]到溫度傳感器的靈敏度，我選擇了用遲滯比較器。 由于比較器需要輸出正負(fù)電壓，所以我選擇了型號(hào)為L(zhǎng)M339N的比較器。LM339N具有失調(diào)電壓小，差動(dòng)輸入電壓范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)計(jì)的遲滯比較器如下圖： 圖4.遲滯比較器遲滯比較器的電壓傳輸特性曲線如下：5.9V-Uth+UthUo6.1VUi25V 根據(jù)圖中所示，假定設(shè)定的溫度范圍為20攝氏度，則電壓變化上下限為5.9V和6.1V，則從反相比例器輸出的電壓逐漸升高，若大于6.1V的時(shí)候，電壓向下反轉(zhuǎn)，達(dá)到閾值電壓的負(fù)值傳輸給繼電器，促使繼電器閉合開關(guān)，啟動(dòng)TEC，開始制冷，直至制冷后的溫度降到低于5.9V則電

11、壓向上翻轉(zhuǎn)，達(dá)到閾值電壓的正值，另一個(gè)繼電器閉合，開始加熱。以上的工作過程形成了一個(gè)溫度的反饋系統(tǒng)。門限電壓的計(jì)算： UH=（Uo*R8）/（R8+R9）+（Uref*R9）/（R8+R9）=上門限電壓 UL=-（Uo*R8）/（R8+R9）+（Uref*R9）/（R8+R9）=下門限電壓根據(jù)下面穩(wěn)壓管的選取，Uo=+6.2V，假設(shè)選取的上下限電壓分別為6.1V和5.9V，分別帶入上面兩個(gè)式子中聯(lián)立方程組求解可得出圖中參數(shù)的選取為： R8=10K，R9=10K的電位器若設(shè)定控制溫度為20攝氏度，則需調(diào)節(jié)10k電位計(jì)的阻值為5k，使比較電壓為6V，且需調(diào)節(jié)R9=61 R8。2.5 驅(qū)動(dòng)單元繼電器

12、通過遲滯比較器和穩(wěn)壓管后，輸出控制開關(guān)的電壓，這個(gè)啟動(dòng)后續(xù)裝置的開關(guān)由繼電器來(lái)充當(dāng)，設(shè)計(jì)中的繼電器如下圖： 圖5.控制電路原理圖 當(dāng)比較器輸出-6.2V電壓時(shí)，繼電器的開關(guān)合攏，啟動(dòng)制冷設(shè)備，開始制冷，直到溫度降到我們所設(shè)置的溫度下限，電壓向上翻轉(zhuǎn)，比較器輸出+6.2V的電壓，另一個(gè)繼電器的開關(guān)閉合，TEC裝置開始加熱。如此構(gòu)成了一個(gè)控溫的系統(tǒng)。 2.6 TEC裝置 圖6.TEC實(shí)物圖Tec(Thermoelectric Cooler)即半導(dǎo)體致冷器。半導(dǎo)體致冷器是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。所謂珀?duì)柼?yīng)，是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。重?fù)诫s

13、的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導(dǎo)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(duì)（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個(gè)陶瓷電極之間；當(dāng)有電流從TEC流過時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量會(huì)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(lái)決定。當(dāng)給TEC元件加正極性電流時(shí)，一端加熱，一端制冷。而給TEC元件加負(fù)極性的電流時(shí)，效果剛好相反，原加熱面制冷，制冷面加熱。 2.8整體電路圖 圖7.溫度控制系統(tǒng)整體電路圖 2. 電路仿真3.1 multisim仿真 由于multisim仿

14、真軟件中未找到TEC裝置，因此用小燈泡代替。小燈泡發(fā)光表示實(shí)際溫度低于設(shè)定值，TEC制熱；小燈泡熄滅表示實(shí)際溫度高于設(shè)定值，TEC制冷。1.設(shè)定溫度為20，輸入溫度為19（即輸入電壓為0.19V）電路仿真如下： 圖8.19時(shí)的仿真圖2.設(shè)定溫度為20，輸入溫度為20（即輸入電壓為0.2V）電路仿真如下：圖9.20時(shí)的仿真圖 3.設(shè)定溫度為20，輸入溫度為21（即輸入電壓為0.21V） 電路仿真如下： 圖10.21時(shí)的仿真圖 3.2 仿真分析 設(shè)定控制溫度為20。1、輸入溫度為19時(shí)，輸入電壓為0.19V，經(jīng)反向放大后電壓應(yīng)輸出-5.7V，實(shí)際輸出-5.675V，在誤差允許范圍內(nèi)符合要求。輸入反

15、向比例器，反向比例器應(yīng)輸出5.7V，實(shí)際輸出5.676V，在誤差允許范圍內(nèi)符合要求。 輸入遲滯比較器，低于遲滯比較器的下限電壓，向上翻轉(zhuǎn)，應(yīng)輸出正的閾值電壓，并經(jīng)過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓成+6.2V，實(shí)際輸出+6.546V，在誤差范圍內(nèi)符合要求。 由于輸出+6.546V，開啟第一個(gè)繼電器，開關(guān)閉合。實(shí)際結(jié)果燈泡亮了，符合要求。2、輸入溫度為21時(shí)，輸入電壓為0.21V，經(jīng)反向放大后電壓應(yīng)輸出-6.2V，實(shí)際輸出-6.277V，在誤差允許范圍內(nèi)符合要求。 輸入反向比例器，反向比例器應(yīng)輸出6.2V，實(shí)際輸出6.278V，在誤差允許范圍內(nèi)符合要求。輸入遲滯比較器，高于遲滯比較器的上限電壓，向下翻轉(zhuǎn)，應(yīng)輸出負(fù)的閾

16、值電壓，并經(jīng)過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓成-6.2V，實(shí)際輸出-6.546V，在誤差范圍內(nèi)符合要求。由于輸出-6.546V，開啟第二個(gè)繼電器，第一個(gè)繼電器開關(guān)斷開，燈泡不工作。實(shí)際結(jié)果燈泡熄滅了，符合要求。4.實(shí)物焊接正面圖：圖11.實(shí)物正面焊接圖反面圖：圖12.實(shí)物反面焊接圖5.總結(jié)及體會(huì)通過這次模擬電路的設(shè)計(jì)與制作，我掌握了電子電路的設(shè)計(jì)方法以及一些元件的使用方法，在焊接電路板過程中也掌握了如何正確焊接電路，并對(duì)課本及以前學(xué)過的知識(shí)有了一個(gè)更好的認(rèn)識(shí)。電子技術(shù)綜合訓(xùn)練不僅幫助我們對(duì)理論知識(shí)有了更深的理解，而且也將理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，提高了我們的動(dòng)手能力。在這幾個(gè)星期中，我們?yōu)榱四軌驕?zhǔn)時(shí)完成任務(wù)，付出了很大

17、的努力，經(jīng)常上網(wǎng)或到圖書館去查找相關(guān)資料，然后做仿真，也掌握了仿真軟件的使用方法，畫圖，焊接電路。本設(shè)計(jì)中采用的是價(jià)格便宜且又有較好的線性度的溫度傳感器LM35，并采用運(yùn)算放大器幾乎無(wú)損放大。但是沒有考慮到溫度傳感器對(duì)溫度的敏感程度，所以整個(gè)溫度控制系統(tǒng)不太敏感。若換成性能更好的溫度傳感器如AD590，控溫效果會(huì)更好。仔細(xì)回想一下整個(gè)過程，感覺是受益匪淺。從原來(lái)的只會(huì)理論知識(shí)到現(xiàn)在可以用理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐做出實(shí)際的模擬電路，從中學(xué)到了很多東西。記得老師剛布置了設(shè)計(jì)題目，自己感到一無(wú)所措，不知從何下手，但是通過查找多方面的資料，終于對(duì)電路設(shè)計(jì)有了基本構(gòu)思，從調(diào)試方便和成本角度出發(fā)，選擇了一個(gè)較為理

18、想的方案，然后畫出了電路圖，掌握其工作原理之后就對(duì)電路進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其功能。但是有些元件在仿真軟件中找不到，只有用其他的代替，導(dǎo)致部分電路不能仿真出來(lái)。但是能仿真的那部分都滿足設(shè)計(jì)要求。接下來(lái)就去購(gòu)買器件和焊接電路板。但是由于所購(gòu)買的元件特性不理想，導(dǎo)致實(shí)物調(diào)試不易達(dá)到設(shè)計(jì)要求。模擬電子電路的課程設(shè)計(jì)為我們提供了一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的平臺(tái)，使我們從掌握單純的理論知識(shí)到學(xué)會(huì)用理論知識(shí)分析解決問題，從而指導(dǎo)實(shí)踐。這次訓(xùn)練使我們的知識(shí)更加豐富，而且開拓了我們的思維，培養(yǎng)了獨(dú)立實(shí)踐、創(chuàng)新精神。6.元件清單實(shí)驗(yàn)元件型號(hào)數(shù)量TECTEC1-127061繼電器SRD-12VDC-SL-C2溫度傳感器LM351發(fā)光二極管SST-R-3528-85105-C-122比較器LM339N1穩(wěn)壓管IN4735A2二極管IN40072三極管S80501S855