溫度控制電路

1、電子技術課程設計報告學 院：電氣與電子工程學院專業(yè)班級：學生姓名：指導教師：林喜榮完成時間： 2013.12 .23成 績：溫度捽制電路設計報告捱淵耍果：計一溫度控制電路，用電阻模擬溫度傳感器，用不同顏色的LED燈的亮滅對 應不同溫度(1) .(2) .(3) .用電阻模擬溫度傳感器，。通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)電壓，與串聯(lián)分壓電路 的電壓進行比較。要有一個放大電路，調(diào)節(jié)電壓與串聯(lián)分壓的結果通過放大電路來輸出。上 級的輸出通過開環(huán)電壓比較器，來決定開環(huán)電壓比較器輸出高低電平。,測試各電路功能。不同顏爸的發(fā)光二極管燈的調(diào)節(jié)電位器，觀雷耳|襦二極管交替點亮，通過憚*勺電路圖分析工作 原理，驗證實驗1.、

2、亮滅對應不同溫度。(4).在實驗前，通過電腦軟件進行仿真，確認實驗通過測試，才可以進行實 際實驗；.設計的作用、目的作用：簡易溫度控制器是采用熱敏電阻作為溫度傳感器，由于溫度的變化而引起電壓的變化，再利用比較運算放大器與設置的溫度值對應的電壓進行比較， 輸出高 或低電平從而對控制對象即加熱器進行控制。其電路可分為三大部分：測溫電路, 比較/顯示電路，控制電路。目的：本次課程設計是對于我們所學的傳感器原理知識所進行的一次實際運用，通過自主的課程設計和實際操作， 可增加我們自身的動手能力。特別是對溫 度傳感這方面的知識有了實質(zhì)性的了解， 對進一步學習傳感器課程起到很大的作 用。目的：1,鞏固加深對

3、數(shù)字電子技術基礎知識的理解，提高綜合運用所學知識的能 力。2 ,通過查找資料、定方案、設計電路、仿真和調(diào)試、等環(huán)節(jié)的訓練，培養(yǎng) 我們獨立分析問題、解決問題的能力。3 .熟悉幾種常用集成數(shù)字芯片的功能和應用，并掌握其工作原理。4 .培養(yǎng)認真嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和實事求是的工作態(tài)度。三.設計的具體實現(xiàn)1 . 系統(tǒng)概述溫度控制電路要求電路對系統(tǒng)的溫度變化有著靈敏的反應， 將溫度信號轉(zhuǎn)化 為電信號，需要在溫度的變化超過一定界限時進行報警。 因此可知此電路應包含 溫度傳感電路、電信號處理電路、溫度控制報警電路。本系統(tǒng)由溫度傳感器電路即熱敏電阻，電信號處理比較電路即電壓比較器 LM324D及附力電阻，溫度控制報

4、警電路即三極管 2SC1815及紅綠LED發(fā)光二極 管各一盞。其溫度傳感控制系統(tǒng)如下圖：環(huán)境溫度溫度傳感器信號處理報警控制溫度控制電路框圖比較電位這樣設計的系統(tǒng)結構簡單易于搭建和仿真，可行性更高。所采用的元件都是常 見方便使用的，因此更適合實驗使用。通過主要執(zhí)行的功能不同可以分為三個功 能塊，分別是溫度傳感、信號處理和報警控制。溫度傳感部分使用最為常見的熱敏電阻，其阻值近似隨著環(huán)境溫度的變化而 線性變化。在實驗過程中可以使用滑動變阻器來代替熱敏電阻。這樣在實驗過程中更易于操作電阻的變化和電壓比較器輸出的信號。 從而控制LED發(fā)光二極管的 交替發(fā)亮。溫度控制電路在工作過程中，在環(huán)境溫度高于設定的

5、溫度時，熱敏電阻將溫 度信號轉(zhuǎn)換為電信號，觸發(fā)電壓比較器，使比較器輸出高電平，三極管導通，短 路綠色LED發(fā)光二極管，導通紅色LED發(fā)光二極管。當溫度低于設定溫度時，熱敏電阻將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，該電壓信號 低于設定的電壓，電壓比較器輸出低電平，三極管不導通，綠色LED發(fā)光二極管導通發(fā)亮，紅色LED發(fā)光二極管截止。2 .單元電路設計(或仿真)與分析溫度控制電路分為三個單元，分別是溫度傳感單元、信號處理單元和 溫度控制報警單元，下面詳細分析各個單元電路器件的選擇、設計和工作原理的 分析、仿真，包括有關參數(shù)的計算及元器件參數(shù)的選擇。(1) .溫度傳感單元此單元主要由溫度傳感器構成。 在溫度傳感器

6、的選擇上，常有兩種方案。一 是選用阻值隨溫度變化的熱敏電阻，二是選用數(shù)字集成芯片如LM35正溫度系數(shù)熱敏電阻器也稱PTC®熱敏電阻器，屬于直熱式熱敏電阻器，其主要特性是電 阻值與溫度變化成正比例關系，即當溫度升高時，電阻隨之增大。LM35是美國國家半導體公司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器系列產(chǎn)品之一，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝氏溫度成線性關系。因而，從使 用角度來說，LM35與開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優(yōu)越之粗， LM35無 需外部校準或微調(diào)，可以提供常用的室溫精度。 為了實驗和設計的方便，在溫度 傳感器的選擇上，本次設計采用熱敏電阻器。在仿真模擬

7、電路和實驗搭建電路的過程中，由于直接控制溫度變化而使熱敏 電阻發(fā)生變化較為困難，因此采用阻值可以線性變化的滑動變阻器來近似代替熱 敏電阻，二者在輸出電阻方面性質(zhì)方面幾乎一致， 采用滑動變阻器可以使實驗過 程更為方便，誤差和變化更小。溫度傳感單元需要將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號， 在熱敏電阻即滑動變阻器一 側(cè)串聯(lián)一電阻，并接入直流穩(wěn)壓電源，則可以通過串聯(lián)分壓將電阻信號轉(zhuǎn)換為電 壓信號。如圖所示：定值電阻阻值可以選擇R3=2千歐，滑動變阻器選擇R1=5千歐。(2) .信號處理單元此單元主要由同相比例放大器和附加電阻構成。通過電阻串聯(lián)分壓，滑動 變阻器一端輸出微小的電壓信號，而這樣微小的電壓信號是不足以

8、點亮 LED發(fā)光 二極管的，因此要在它的輸出端接入同相比例放大器。經(jīng)過放大的電壓信號輸入電壓比較器，與設定的電壓對比而產(chǎn)生高低電平來控制三極管的導通。其電路如圖所示：K13VA：10k0 ：R5 ：VW- 璃， -Wv- :2kfi：5%；：為了獲得更大的放大系數(shù) ，取R5=R6=2©, R9=R13=10©。(3),溫度控制報警單元雖然傳感器的輸出信號經(jīng)過放大器進行了放大，但如果直接點亮二極管就 無法起到對設定的上限溫度或設定的下限溫度進行判斷的作用，從而分別點亮不同顏色的二極管。在此，可以選擇電壓比較器來對輸出電壓和某特定電壓進行比 較，這個比較電壓可以根據(jù)電阻分壓電路

9、的輸出電壓和溫度特性，以及放大后的信號和電阻分壓電路的輸出信號的關系得出， 進而起到設定的上限溫度或下限溫 度的作用。放大器輸出的電壓信號與比較器另一端輸入的電壓信號進行比較，分別輸 出高電平與低電平。當輸入電壓大于設定電壓時，輸出高電平，LED2被點亮，三極管導通，使得LED1被短路，因而不亮。當輸入電壓小于設定電壓時，輸出 低電平，LED2被截止，不能被點亮，三極管同樣截止，相當于斷路，因而 LED1 導通。當輸入電壓等于設定電壓時，電壓比較器輸出為零，此時三極管導通，LED1 被截止，不亮；LED2所在電路電流不足以使LED2導通，同樣發(fā)光二極管LED2 也不回被點亮。具體的溫度控制報警

10、單元電路圖如下圖所示在參數(shù)的選擇上，為了使輸出高電平時三極管不被燒壞，應串聯(lián)較大電阻， 取R10=R8=1CkQ R7=2kQ。為了使LED發(fā)光二極管不被燒壞，應在每個發(fā)光二 極管一側(cè)串聯(lián) R11=R12=200 Q電壓比較器使用LM324D每個芯片內(nèi)集成四個電壓比較器。使用其中一個 用聯(lián)電阻組成信號處理單元的電壓比較器，另一個作為溫度控制報警電路中的電壓比較器。三極管采用2SC1815采用TO-92封裝方式?？傠娐穲D如下 H1JWV：10kmVCC(3) 路的安裝與調(diào)試指導教師所給元件:廳P名稱型號數(shù)量備注1LM324D22電阻42k?電阻10k?電阻2200?3三極管2SC181514電位

11、器15電源1+5V6彩燈2溫度控制電路主要由以上器件 LM324D運放，三極管，電阻，電位器，繼電 器等組成.溫度控制電路的安裝過程如下：(1)把所需元器件找齊全,準備好面包板。(2)用萬能表測試各個電阻阻值，把電阻分類放好。(3)按照仿真電路圖連接好各個器件。在調(diào)試時遇到的主要問題及原因：在實驗的過程中，主要面因為臨初次使用無焊面包板而對電路連接不熟悉。 在連接電路過程中，對LM324D的每個引腳所代表的功能不熟悉造成我們在連 接過程當中接觸不良，管腳連接出錯，出現(xiàn)二極管不亮，通過仔細檢查電路糾正 了錯誤，再次來回旋轉(zhuǎn)電位器旋鈕，可以觀察到兩盞二極管燈交替點亮。電路連接好之后，應該會在電位器

12、旋轉(zhuǎn)在一個特定角度時， 兩盞二極管燈發(fā) 生亮與滅的交換變化。此時說明電路連接沒有失誤，工作正常。電位器是在近似代替熱敏電阻，電位器的旋轉(zhuǎn)代表著著外界環(huán)境溫度變化導致熱敏電阻阻值發(fā)生 變化。環(huán)境溫度大于設定溫度時，熱敏電阻分到的電壓經(jīng)放大器放大后大于設定 的電壓，紅色二極管燈點亮，綠色二極管燈熄滅。當溫度小于設定溫度時，熱敏 電阻分到的電壓經(jīng)放大器放大后小于設定的電壓，紅色二極管燈熄滅，綠色二極管燈點亮。由此可知溫度控制電路的工作原理以及工作性能的測試方法。四.心得體會、存在問題和進一步的改進意見等這次課程設計給我的第一感覺就是繁雜，因為第一次進行這種工作量很大 的工作，但仔細回顧設計的過程，收

13、獲頗多。通過這次實驗提高了我們連接電路的實際動手能力。對每個芯片與器件的 功能更加了解，在連接的過程中可以知道在實際焊接電路中可能會遇見的問題。因此在理論學習過程中安排實踐是非常有必要而且有意義的， 可以在實踐過 程中提高動手能力，提高在實際生活中理論應用的能力， 可以發(fā)現(xiàn)自己理論和實 踐的不足之處，然后可以進一步改進。本次設計是通過上網(wǎng)查閱資料，參考所學書本內(nèi)容，獨立思考設計完成的雖然在設計的過程中遇到不少的困難和困惑，如原理圖太過復雜而不知道該怎么 畫，電路圖的數(shù)量太多，不知道某個物理量如何求得以及設計書的文本格式要求 復雜等等，但是這些都沒有阻擋我完成設計的腳步。相反，通過這次設計，讓我

14、 對電子技術的相關知識進行了復習鞏固，加深了對word、wps和multisim等軟件的了解和運用，真正做到了學以致用。除此之外，本次設計還培養(yǎng)了我的耐心， 獨立思考能力，知識的運用能力以及認真仔細的做事態(tài)度。五.附錄。三極管三極管，全稱應為半導體三極管，也稱雙極型晶體管 ，晶體三極管，是一種電 流控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成輻值較大的電信號，也用作無觸點開關。1三極管的發(fā)明1947年12月23日，美國新澤西州墨累山的貝爾實驗室里，3位科學家一一巴 丁博士、布菜頓博士和肖克萊博士在緊張而又有條不紊地做著實驗。他們在導體電路中正在進行用半導體晶體把聲音信號放大的實驗。3位科學家驚

15、奇地發(fā)現(xiàn)，在他們發(fā)明的器件中通過的一部分微量電流， 竟然可以控制另一部分流過的大得 多的電流，因而產(chǎn)生了放大效應。 這個器件，就是在科技史上具有劃時代意義的 成果一一晶體管。因它是在圣誕節(jié)前夕發(fā)明的，而且對人們未來的生活發(fā)生如此 巨大的影響，所以被稱為“獻給世界的圣誕節(jié)禮物”。另外這3位科學家因此共 同榮獲了 1956年諾貝爾物理學獎。晶體管促進并帶來了 “固態(tài)革命”，進而推動了全球范圍內(nèi)的半導體電子工業(yè)。 作為主要部件，它及時、普遍地首先在通訊工具方面得到應用， 并產(chǎn)生了巨大的 經(jīng)濟效益。由于晶體管徹底改變了電子線路的結構，集成電路以及大規(guī)模集成電 路應運而生，這樣制造像高速電子計算機之類的

16、高精密裝置就變成了現(xiàn)實。2工作原理篥電結工N 集電區(qū)P -基區(qū)N -發(fā)射區(qū)發(fā)射極e晶體三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：錯管和硅管。而每一種又有 NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和錯PNP兩種三極管，（其 中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由 電子導電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導電）。兩者除了電源極性 不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發(fā)射區(qū) 與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射結，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結稱為集電結, 三條引線分別稱

17、為發(fā)射極e、基極b和集電極co當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于 b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Eboo在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結正偏， 發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結 互相向?qū)Ψ綌U散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結的電流基本上是 電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結進入集 電區(qū)而形成集電集電流Ic,只剩下很

18、少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合， 被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源 Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電 流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic這就是說，在基極補充一個很小的Ib,就可以在集電極上得到一個較大的Ic,這 就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即：B 1=Ic/Ib式中：B 1-稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量 Ic與基極電流的變化量 Ib之比為：B = AIc/AIb式中B -稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時 B 1和B的數(shù)值相差不大，所以有 時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，B值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利

19、用三極管的電流放大作用， 通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?.三極管放大時管子內(nèi)部的工作原理1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子電源Ub經(jīng)過電阻Rb加在發(fā)射結上，發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子 （自由電 子）不斷地越過發(fā)射結進入基區(qū)，形成發(fā)射極電流Ie。同時基區(qū)多數(shù)載流子也向 發(fā)射區(qū)擴散，但由于多數(shù)載流子濃度遠低于發(fā)射區(qū)載流子濃度，可以不考慮這個 電流，因此可以認為發(fā)射結主要是電子流。2）基區(qū)中電子的擴散與復合電子進入基區(qū)后，先在靠近發(fā)射結的附近密集， 漸漸形成電子濃度差，在濃度差 的作用下，促使電子流在基區(qū)中向集電結擴散， 被集電結電場拉入集電區(qū)形成集 電極電流Ic。也有很小一部分電子（因為基區(qū)很?。┡c基區(qū)

20、的空穴復合，擴散的 電子流與復合電子流之比例決定了三極管的放大能力。（3）集電區(qū)收集電子由于集電結外加反向電壓很大，這個反向電壓產(chǎn)生的電場力將阻止集電區(qū)電子向 基區(qū)擴散，同時將擴散到集電結附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流 Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子（空穴）也會產(chǎn)生漂移運動，流向基區(qū)形成反向 飽和電流，用Icbo來表示，其數(shù)值很小，但對溫度卻異常敏感。3 .三極管的分類：a.按材質(zhì)分：硅管、錯管b.按結構分：NPN 、 PNP。c.按功能分：開關管、功率管、達林頓管、光敏管等.貼片三極管d.按功率分：小功率管、中功率管、大功率管e.按工作頻率分：低頻管、高頻管、超頻管f.按結構工藝分

21、：合金管、平面管g.按安裝方式：插件三極管、貼片三極管插件三極管4 .晶體三極管的三種工作狀態(tài)截止狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結的電壓小于 PN結的導通電壓，基極電流為零， 集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時失去了電流放大作用，集電極和發(fā) 射極之間相當于開關的斷開狀態(tài)，我們稱三極管處于截止狀態(tài)。放大狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結的電壓大于 PN結的導通電壓，并處于某一恰當 的值時，三極管的發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置，這時基極電流對集電極電 流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，具電流放大倍數(shù) B=AIc/AIb, 這時三極管處放大狀態(tài)。飽和導通狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結的電壓大于 PN結的導通

22、電壓，并當基極電 流增大到一定程度時，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大， 而是處于某 一定值附近不怎么變化，這時三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的 電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當于開關的導通狀態(tài)。 三極管的這種狀態(tài)我們 稱之為飽和導通狀態(tài)。根據(jù)三極管工作時各個電極的電位高低，就能判別三極管的工作狀態(tài)，因此， 電 子維修人員在維修過程中，經(jīng)常要拿多用電表測量三極管各腳的電壓， 從而判別 三極管的工作情況和工作狀態(tài)。5 .三極管的基本放大電路t-A放大電路 T直流:電源放大電路結構示意圖基本放大電路是放大電路中最基本的結構，是構成復雜放大電路的基本單元。 它利用雙極型半導體三極管

23、輸入電流控制輸出電流的特性，或場效應半導體三極管 輸入電壓控制輸出電流的特性，實現(xiàn)信號的放大。本章基本放大電路的知識是進 一步學習電子技術的重要基礎。基本放大電路一般是指由一個三極管或場效應管組成的放大電路。從電路的角度來看，可以將基本放大電路看成一個雙端口網(wǎng)絡。放大的作用體現(xiàn)在如下方面： 1）放大電路主要利用三極管或場效應管的控制作用放大微弱信號，輸出信號在 電壓或電流的幅度上得到了放大，輸出信號的能量得到了加強。2）輸出信號的能量實際上是由直流電源提供的，只是經(jīng)過三極管的控制，使之 轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負載。共射組態(tài)基本放大電路的組成共射組態(tài)基本放大電路是輸入信號加在加在基極和發(fā)射極之間

24、，耦合電容器C1和Ce視為對交流信號短路。輸出信號從集電極對地取出，經(jīng)耦合電容器C2隔除直流量，僅將交流信號加到負載電阻 RL之上。放大電路的共射組態(tài)實際上是 指放大電路中的三極管是共射組態(tài)。在輸入信號為零時，直流電源通過各偏置電阻為三極管提供直流的基極電流和直 流集電極電流，并在三極管的三個極間形成一定的直流電壓。由于耦合電容的隔直流作用，直流電壓無法到達放大電路的輸入端和輸出端。當輸入交流信號通過耦合電容 C1和Ce加在三極管的發(fā)射結上時，發(fā)射結上的 電壓變成交、直流的疊加。放大電路中信號的情況比較復雜， 各信號的符號規(guī)定 如下：由于三極管的電流放大作用，ic要比ib大幾十倍，一般來說，只

25、要電路 參數(shù)設置合適，輸出電壓可以比輸入電壓高許多倍。uCE中的交流量 有一部分經(jīng)過耦合電容到達負載電阻，形成輸出電壓。完成電路的放大作用。由此可見，放大電路中三極管集電極的直流信號不隨輸入信號而改變，而交流信號隨輸入信號發(fā)生變化。在放大過程中，集電極交流信號是疊加在直流信號上的， 經(jīng)過耦合電容，從輸出端提取的只是交流信號。因此，在分析放大電路時，可以 采用將交、直流信號分開的辦法，可以分成直流通路和交流通路來分析。4.放大電路的組成原則:1）保證放大電路的核心器件三極管工作在放大狀態(tài)，即有合適的偏置。也就 是說發(fā)射結正偏，集電結反偏。2）輸入回路的設置應當使輸入信號耦合到三極管的輸入電極，形成變化的基 極電流，從而產(chǎn)生三極管的電流控制關系，變成集電極電流的變化。3）輸出回路的設置應該保證將三極管放大以后的電流信號轉(zhuǎn)變成負載需要的 電量形式（輸出電壓或輸出電流）。本實驗用到的 2SC1815三極管2SC1815 ,采用TO-92封裝方式。晶體管極性:NPN電壓，Vceo:50V截止頻率ft,典型值:80MHz功耗，Pd:400mW集電極直流電流：0.15A直流電流增益 hFE:120封裝