模電課設(shè)—溫度控制系統(tǒng)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)說明書目 錄1.原理電路的設(shè)計(jì)11.1總體方案設(shè)計(jì)11.1.1簡單原理敘述11.1.2設(shè)計(jì)方案選擇11.2單元電路的設(shè)計(jì)31.2.1溫度信號的采集與轉(zhuǎn)化單元溫度傳感器31.2.2電壓信號的處理單元運(yùn)算放大器41.2.3電壓表征溫度單元51.2.4電壓控制單元遲滯比較器61.2.5驅(qū)動(dòng)單元繼電器71.2.6 制冷部分Tec半導(dǎo)體制冷片81.3完整電路圖102.仿真結(jié)果分析113 實(shí)物展示133.1 實(shí)物焊接效果圖133.2 實(shí)物性能測試數(shù)據(jù)143.2.1制冷測試143.2.2制熱測試173.3.3性能測試數(shù)據(jù)分析194總結(jié)、收獲與體會(huì)20附錄一 元件清單21附

2、錄二 參考文獻(xiàn).22摘 要本課程設(shè)計(jì)以溫度傳感器LM35、運(yùn)算放大器UA741、NE5532P及電壓比較器LM339N為電路系統(tǒng)的主要組成元件，擴(kuò)展適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，制作一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，通過室溫的變化和改變設(shè)定的溫度，來改變電壓傳感器上兩個(gè)輸入端電壓的大小，通過三極管開關(guān)電路控制繼電器的通斷，來控制Tec制冷片的工作。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)。學(xué)會(huì)查詢文獻(xiàn)資料，撰寫論文的方法，并提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)成品。關(guān)鍵詞：溫度；測量；控制。Abstract This course is designed to a temperature sensor LM35,

3、 an operational amplifier UA741，NE5532P and a voltage comparator LM339N circuit system of the main components. Extending the appropriate interface circuit, make a temperature control system. By changing the temperature changes and set the temperature to change the size of the two input ends of the v

4、oltage on the voltage sensor, an audion tube switch circuit to control the on-off relay to control Tec cooling piece work. This cycle of performing such a periodic motion, thus controlling the temperature in a certain range. Learn to query the literature, writing papers, and submitted to the curricu

5、lum design report and experimental products. Key words: temperature ; measure ;control溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.原理電路的設(shè)計(jì)1.1總體方案設(shè)計(jì)1.1.1簡單原理敘述 先采集室內(nèi)溫度信號，將其轉(zhuǎn)化為電壓或者電流信號，并線性放大再用萬用表測取，可以直接線性反映溫度值。對于提取出的溫度值，輸入比較器與我們所設(shè)定的電壓進(jìn)行比較，高于設(shè)定，控制Tec制冷；低于設(shè)定，控制Tec制熱。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)。1.1.2設(shè)計(jì)方案選擇方案一采用有熱敏電阻、tec半導(dǎo)體制冷片和溫度控制電路

6、構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。通過將熱敏電阻探測的阻值變化轉(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。溫度傳感溫度控制溫度采集圖1-1-1 方案一原理框圖其中，溫度采集部分為熱敏電阻，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，它作為傳感器探測溫控箱內(nèi)部溫度，并將溫度轉(zhuǎn)換為自身的電阻變化，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)換精度決定了測溫的精度，所以需要差分放大電路來對熱敏電阻測溫阻值轉(zhuǎn)換后的電壓值進(jìn)行放大，然后由溫度控制電路改變制冷量對制冷片進(jìn)行制冷或停止制冷，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攝氏

7、度以上）阻值變化平緩（10k到0），而在025范圍內(nèi)，阻值從30k到10k變化，趨勢較陡。其阻值與溫度的變化關(guān)系可用公式表示為 RT=RT0expB(1/T-1/T0) (B為熱敏電阻材料系數(shù))。優(yōu)點(diǎn)：便與集成，工作溫度范圍寬，簡單易行。缺點(diǎn)：不穩(wěn)定，精度不夠。方案二：采用溫度傳感器LM35或AD590采集溫度。LM35其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式如式：0時(shí)輸出為0V，每升高1，輸出電壓增加10mV，且常溫下不需要額外的校準(zhǔn)處理器，可達(dá)到±¼的準(zhǔn)確率。AD590是一種測溫用的集成電路溫度傳感器，輸出電流正比于K氏溫度，數(shù)值為1A/K,工作電源電壓為430V，它只

8、需要一種電源（4.524V）即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在終端使用一只取樣電阻，即可實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。它使用方便，并且電流型比電壓型的測量精度高，但其價(jià)格較高。將采集的溫度轉(zhuǎn)換成電信號后，再與基準(zhǔn)溫度（以電信號表征）比較，Tec置于橋式推挽功率放大電路中，利用放大的差模信號輪流推挽，利用流過BTL電流大小和反向控制Tec制冷速率以及冷端和熱端的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)。 溫度控制溫度比較溫度傳感器信號處理測量溫度 圖1-1-2 方案二原理框圖優(yōu)點(diǎn)：可以控制Tec制冷速率，能對不同溫度變化產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。缺點(diǎn)：Tec的電壓電流較大，實(shí)際中參數(shù)難以調(diào)整，BTL上電流方向變化頻繁。方案三

9、利用LM35采集室內(nèi)溫度，直接將溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。由于LM35轉(zhuǎn)化成的電壓信號較小，因此用運(yùn)算放大器將信號進(jìn)行無損放大，并用反相比例器反向輸出的電壓值即為與我們設(shè)定的溫度對應(yīng)的值。對于提取的溫度值，輸入遲滯比較器與我們所設(shè)定的電壓（設(shè)定溫度對應(yīng)的電壓）進(jìn)行比較，同時(shí)用單刀雙擲開關(guān)進(jìn)行換線，將溫度以電壓的形式在表頭上顯示。進(jìn)行比較后，若高于所設(shè)定的電壓，則控制制冷的繼電器通過三極管開關(guān)電路打開，Tec裝置開始制冷；若低于所設(shè)定的電壓，控制制熱的繼電器通過三極管開關(guān)電路打開，Tec裝置開始制熱。從而達(dá)到控制溫度的目的。比較器Tec調(diào)節(jié)三極管開關(guān)電路（繼電器觸發(fā)）溫度電壓轉(zhuǎn)換器溫度顯示提取溫度

10、值溫度信號圖1-1-3 方案三原理框圖優(yōu)點(diǎn)：精度較好，可行性較好；缺點(diǎn)：實(shí)際中LM35輸出不太穩(wěn)定。考慮到AD590價(jià)格較高，采用LM35采集溫度；橋式推免電路在大功率、大電流的情況下難以做出成品。綜合經(jīng)濟(jì)、經(jīng)驗(yàn)、自身情況等，我選擇方案三。1.2單元電路的設(shè)計(jì)1.2.1溫度信號的采集與轉(zhuǎn)化單元溫度傳感器1.溫度傳感器的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以測量并控制0到室溫的溫度，精度達(dá)到±1。故要求傳感器可以測量0到室溫的溫度，并具有很好的穩(wěn)定性。常用的傳感器有LM35和AD590，但是AD590價(jià)格較高，單價(jià)接近30元。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

11、器在-55150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)候保持的比較好。因此，LM35在理論上完全符合要求，故采用之。2.溫度信號的采集與轉(zhuǎn)化原理圖 圖1-2-1溫度信號的采集與轉(zhuǎn)化原理圖 在仿真中直接用200mV直流電模擬20下LM35的輸出電壓，后接一個(gè)電壓跟隨器將轉(zhuǎn)化而成的電壓與之后的電路隔離，防止之后的電路對信號采集電路的影響。1.2.2電壓信號的處理單元運(yùn)算放大器1.元器件的選擇本設(shè)計(jì)對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。因此通用型運(yùn)放UA741即可滿足要求。為了使電路

12、的輸出驅(qū)動(dòng)能力提高，也可采用NE5532。NE5532是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器。 相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備，儀器和控制電路和電話通道放大器。2.該部分電阻阻值的計(jì)算LM35的輸出電壓很小，很難檢測。所以需要將它無損的放大一定的倍數(shù)。因控制量或測量溫度在30攝氏度的時(shí)候，LM35輸出電壓為300mV，溫度在0攝氏度時(shí)輸出為0mV。經(jīng)計(jì)算：Vmax*AV12V，Vmin*AV0V 所以有 0AV40 ?？紤]到計(jì)算的方便，以及最后輸出測量的方便，放大倍數(shù)30倍為宜

13、。因此選擇電阻R2=10K,R3=300K。3.電壓信號的處理原理圖圖1-2-2電壓信號的處理原理圖由于初級放大電路是反相比例放大器，所以輸出電壓為負(fù)。因此在放大電路后面再加一級反相比例器，使之成為正電壓，再將其輸出。1.2.3電壓表征溫度單元圖1-2-3電壓表征溫度單元原理圖（藍(lán)色方框內(nèi)為該部分電路） 本電路采用一個(gè)內(nèi)阻為3.7k歐（萬用表測得）的電壓表表頭顯示溫度，采用單刀雙擲開關(guān)切換所顯示的是設(shè)定的溫度或是實(shí)際的溫度。 由于溫度傳感器LM35的特性是溫度每變化1，電壓值變化10mV，而放大器將其放大了30倍，又分壓電阻R16=7.4k，所以表頭所顯示的值為溫度/10， 即 溫度值（）=表

14、頭顯示值（V）*10 表頭接在電壓跟隨器的輸出端與地之間，當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與電位器接通時(shí)，所測的值*10為設(shè)定的溫度；當(dāng)單刀雙擲開關(guān)與反相比例電路輸出端接通時(shí)，所測的值*10為實(shí)際的溫度。 電位器及電阻阻值的選擇，要使控制電壓可調(diào)范圍為09V，由于VCC=12V，選取R9=5k，電位器可調(diào)范圍為025k。1.2.4電壓控制單元遲滯比較器 經(jīng)由反相比例器得到的輸出電壓要與設(shè)定電壓進(jìn)行大小比較后來確定是制冷還是制熱，此處采用一個(gè)遲滯比較器。 通常用作比較器的運(yùn)放有LM311、LM339等，由于LM339的特點(diǎn)如下： 工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源： 236V，

15、雙電源：±1±18V；具有非常高的壓擺率 ；消耗電流小， Icc=1.3mA； 輸入失調(diào)電壓小， VIO=±2mV； 共模輸入電壓范圍寬， Vic=0Vcc-1.5V等優(yōu)點(diǎn)，故決定用LM339作為比較器。設(shè)計(jì)原理圖如下：圖1-2-4比較器設(shè)計(jì)原理圖遲滯比較器的電壓傳輸特性如下：圖1-2-5遲滯比較器的電壓傳輸特性根據(jù)圖中所示，假定設(shè)定溫度為20攝氏度，則電壓變化上下限為5.8V和6.2V，則從反相比例器輸出的電壓逐漸升高，若大于6.2V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

16、關(guān)，啟動(dòng)TEC，開始制冷，直至制冷后的溫度降至低于5.8V則電壓向上翻轉(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+R7)+(UREF*R7)/(R8+R7)UL=-(UO*R8)/(R8+R7)+(UREF*R7)/(R8+R7)計(jì)算得，R7=59R8，在此，取R8=1k，R9=59k。因?yàn)橄Ｍp極性參考電平為±6V，所以穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓應(yīng)略大于6V。1N4734A的導(dǎo)通壓降為6.2V，故采用此型號穩(wěn)壓管。1.2.5驅(qū)動(dòng)單元繼電器 通過遲滯比較器和穩(wěn)壓管后，輸出控制三極管開關(guān)電路的電壓，這個(gè)啟

17、動(dòng)后續(xù)裝置的開關(guān)由繼電器愛充當(dāng)，設(shè)計(jì)中的繼電器如下圖：圖1-2-6驅(qū)動(dòng)單元原理圖 這里三極管用作開關(guān)，對其要求不是很高，并且三極管的VBE一般都在0.6V-0.7V之間。同時(shí)在三極管導(dǎo)通時(shí)，集電極電流Ic相對較大，普通的三極管S8050和S8550符合要求。 當(dāng)比較器輸出-6V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，直到溫度降到所設(shè)置的溫度下限，電壓向上翻轉(zhuǎn)，比較器輸出+6V的電壓，另一個(gè)繼電器的開關(guān)閉合，TEC反向?qū)ǎ_始制熱。就這樣，達(dá)到溫控的效果。 值得注意的是，繼電器線圈上并聯(lián)有二極管。繼電器在截?cái)嗔鬟^負(fù)載的電流時(shí)（晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)時(shí)）會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢（楞次定律）。這時(shí)產(chǎn)生

18、的電壓非常大，晶體管可能會(huì)被擊穿。所以，在繼電器線圈上并聯(lián)1N4007二極管。1.2.6 制冷部分Tec半導(dǎo)體制冷片圖1-2-7 Tec半導(dǎo)體制冷片 半導(dǎo)體致冷器(ThermoelectricCooler)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（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

19、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決定。一對電偶產(chǎn)生的熱電效應(yīng)很小，故在實(shí)際中都將上百對熱電偶串聯(lián)在一起，所有的冷端集中在一邊，熱端集中在另一邊，這樣生產(chǎn)出用于實(shí)際的致冷器。如果在應(yīng)用中需要的制冷或加熱量較大，可以使用多級半導(dǎo)體致冷器，對于常年運(yùn)行的設(shè)備，增大致冷元件的對數(shù)，盡管增加了一些初成本，但可以獲得較高的制冷系數(shù)?？紤]價(jià)格和效果，本實(shí)驗(yàn)用TEC1-12706。TEC1-12706主要參數(shù)：內(nèi)部阻值：2.12.4（環(huán)境溫度23±1，1kHz Ac測試）最大溫差：Tmax（Qc=0）67以上工作電流：Imax=44.6A（

20、額定12V時(shí)）額定電壓：12V（Vmax：15V啟動(dòng)電流5.8A）制冷功率：Qcmax50-60W工作環(huán)境：溫度范圍-55831.3完整電路圖圖1-3完整電路圖2.仿真結(jié)果分析 由于multisim中沒有TEC，故用小燈泡代替。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21攝氏度，實(shí)際溫度為20攝氏度時(shí)（即輸入電壓為200mV）仿真結(jié)果如下：圖2-1制冷時(shí)仿真結(jié)果分析輸入電壓經(jīng)過30倍放大，以6V輸入比較器。調(diào)節(jié)設(shè)定電壓約為2.1V,則設(shè)定端以6.3V電壓輸入，經(jīng)過電壓比較器后，輸出正電壓，制熱端三極管導(dǎo)通，制熱端繼電器開啟，小燈

21、泡點(diǎn)亮（代表TEC制熱）。2. 設(shè)定溫度為19攝氏度，實(shí)際溫度為20攝氏度時(shí)（即輸入電壓為200mV）圖2-2制熱時(shí)仿真結(jié)果分析 輸入電壓經(jīng)過30倍放大，以6V輸入比較器。調(diào)節(jié)設(shè)定電壓約為1.9V,則設(shè)定端以5.7V電壓輸入，經(jīng)過電壓比較器后，輸出負(fù)電壓，制冷端三極管導(dǎo)通，制冷端繼電器開啟，小燈泡熄滅（代表TEC制冷）。3 實(shí)物展示3.1 實(shí)物焊接效果圖正面圖：圖3-1 實(shí)物正面圖加上所有外設(shè)：圖3-2 實(shí)物正面圖背面圖：圖3-3 實(shí)物背面圖3.2 實(shí)物性能測試數(shù)據(jù)3.2.1制冷測試用LM35采集溫度，直接用萬用表測量其輸出電壓：圖3-2-1 LM35輸出電壓經(jīng)過運(yùn)放電路后輸電壓：圖3-2-2

22、經(jīng)過運(yùn)放后輸出的電壓（放大30倍）設(shè)定溫度為10，用表頭顯示如下：（溫度值（）=表頭顯示值（V）*10）圖3-2-3 表頭顯示的設(shè)定溫度此時(shí)，溫度設(shè)定端（比較器同相輸入端）電壓值：圖3-2-4溫度設(shè)定端（比較器同相輸入端）電壓值表頭實(shí)際溫度檔位顯示的電壓：（溫度值（）=表頭顯示值（V）*10）圖3-2-5表頭實(shí)際溫度檔位顯示的電壓比較器輸出電壓值：圖3-2-6 比較器輸出電壓制冷端三極管開關(guān)電路打開，繼電器開啟，測試時(shí)用萬用表蜂鳴檔測試，下圖用繼電器導(dǎo)通后，兩端的阻止約為0表示：圖3-2-7 制冷端繼電器開啟所測制冷端正負(fù)極電位差：圖3-2-8 冷端正負(fù)極電位差制冷端負(fù)極與地的電位差：圖3-2

23、-9制冷端負(fù)極與地的電位差：此時(shí)，連接TEC，TEC制冷。3.2.2制熱測試設(shè)定溫度為10，用表頭顯示如下：（溫度值（）=表頭顯示值（V）*10）圖3-2-10表頭顯示的設(shè)定溫度此時(shí)，溫度設(shè)定端（比較器同相輸入端）電壓值：圖3-2-11溫度設(shè)定端（比較器同相輸入端）電壓值比較器輸出端電壓值：圖3-2-12比較器輸出端電壓值制熱端三極管開關(guān)電路打開，繼電器開啟，測試時(shí)用萬用表蜂鳴檔測試，下圖用繼電器導(dǎo)通后，兩端的阻止約為0表示：圖3-2-13制熱端繼電器開啟制熱端正負(fù)極電位差：圖3-2-14制熱端正負(fù)極電位差制熱端正極與地的電位差：圖3-2-15制熱端正極與地的電位差此時(shí)，連接TEC，TEC制熱

24、。3.3.3性能測試數(shù)據(jù)分析1.經(jīng)過運(yùn)放放大后的電壓為8.022V，輸入電壓的30倍為8.22V，在電路中略有損耗，原因在于走的錫線有電阻，且運(yùn)放不能無衰減的放大。此時(shí)，實(shí)際溫度端在表頭上顯示為2.05V，相較于理論值2.674有較大誤差，原因在于所用表頭量程過大，且其本身性能不好，不是精密儀器。2.設(shè)定的電壓為3.085V，此時(shí)，設(shè)定溫度在表頭上顯示為1V，在誤差允許范圍內(nèi)。3. 比較器輸出電壓、制冷端兩端電壓差、制冷端負(fù)極與地電位差均正常。4.調(diào)節(jié)設(shè)定溫度使其制熱時(shí)，比較器輸出電壓較小，導(dǎo)致接上TEC后，三極管導(dǎo)通狀態(tài)不穩(wěn)定，制熱效果不好。4總結(jié)、收獲與體會(huì)通過這次模擬電路的設(shè)計(jì)與制作，提

25、升了我的電子電路設(shè)計(jì)的思想，掌握了電子電路設(shè)計(jì)、調(diào)試的方法，對之前書本上、課堂上學(xué)習(xí)的理論知識有了更深的理解。電子技術(shù)綜合訓(xùn)練不僅幫助我們更好的理解理論知識，而且將理論與實(shí)際結(jié)合起來，提高了我們的動(dòng)手能力。回想整個(gè)過程，真是痛并快樂著。在這次課設(shè)之前所進(jìn)行的電子設(shè)計(jì)都是實(shí)驗(yàn)室一些簡單的小實(shí)驗(yàn)，剛拿到這個(gè)題目時(shí)，自己感到很茫然，不知從何下手，但是通過圖書館、互聯(lián)網(wǎng)查找多方面的資料，對電路有了基本的構(gòu)想，從調(diào)試方便和成本角度出發(fā)，選擇了一個(gè)較為理想的方案。然后畫電路圖，進(jìn)行仿真，為了使電路性能、電路布局盡力做到比較好，我一共修改了七個(gè)版本，最終設(shè)計(jì)出自己較為滿意的版本。因?yàn)橹白鲞^較多的焊接訓(xùn)練，在焊接過程中并沒有出現(xiàn)什么問題，整個(gè)過程很順利，沒有出現(xiàn)虛焊漏焊現(xiàn)象。但剛開始準(zhǔn)備調(diào)試時(shí)，卻不知從何