閉環(huán)溫度控制器

1、課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 閉環(huán)溫度控制器設(shè)計(jì) 學(xué) 期：2014-2015學(xué)年第2學(xué)期專(zhuān) 業(yè)： 智能電網(wǎng)信息工程 班 級(jí)： 電網(wǎng)12-1 姓 名： 任中元 學(xué) 號(hào)： 1205080114 指導(dǎo)教師： 李季 遼寧工程技術(shù)大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 成 績(jī) 評(píng) 定 表評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格不合格單元電路及整體設(shè)計(jì)方案合理性正確性創(chuàng)新性仿真或?qū)嵺`是否進(jìn)行仿真或?qū)嵺`技術(shù)指標(biāo)或性能符合設(shè)計(jì)要求有完成結(jié)果設(shè)計(jì)報(bào)告格式正確內(nèi)容充實(shí)語(yǔ)言流暢標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明：以上三大項(xiàng)指標(biāo)中，每大項(xiàng)中有兩小 項(xiàng)或三小項(xiàng)合格，視為總成績(jī)合格?？偝煽?jī)?nèi)掌谀?月 日課程任務(wù)設(shè)計(jì)書(shū)一、設(shè)計(jì)題目 閉環(huán)溫度控制器設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù) 1

2、.恒定溫度T的設(shè)定在一定范圍內(nèi)可調(diào)。2.用燈泡模擬加熱系統(tǒng)，在設(shè)定溫度T1以下燈泡自動(dòng)亮（加熱），達(dá)到T2時(shí)燈泡自動(dòng)滅。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃電子課程設(shè)計(jì)共一周第1天：查找資料，方案論證第2天：設(shè)計(jì)單元電路第3天：設(shè)計(jì)單元電路第4天：撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第5天：校訂修改，上交說(shuō)明書(shū)四、設(shè)計(jì)要求1系統(tǒng)工作原理說(shuō)明。2畫(huà)出整個(gè)系統(tǒng)電路原理圖。3電路圖必須電腦繪制，圖形符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。4心得體會(huì)，發(fā)展方向。5設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)符合格式規(guī)范。指導(dǎo)教師：李季 時(shí)間： 2014 年 6月 30 日摘要溫度是我們生活中非常重要的一個(gè)物理量，它在日常生活中的應(yīng)用很廣，為了提高溫度控制的精度，使控制更加方便簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)出性能更好更優(yōu)越

3、的閉環(huán)溫度控制器。本設(shè)計(jì)采用燈泡模擬加熱系統(tǒng)，利用含有熱敏電阻的電橋電路實(shí)現(xiàn)溫度傳感，由放大電路和滯回比較器的組合，控制加熱系統(tǒng)的加熱與否。令系統(tǒng)在溫度T1以下燈泡自動(dòng)點(diǎn)亮（加熱），溫度上升到T2時(shí)燈泡自動(dòng)熄滅（停止加熱），如此將溫度控制在T1到T2范圍內(nèi)。利用此電路，可根據(jù)燈泡的亮與滅判斷系統(tǒng)是否進(jìn)行加熱，方法簡(jiǎn)單易行。同時(shí)，本設(shè)計(jì)需要提供特電壓定電源，故附加了電源設(shè)計(jì)部分。 關(guān)鍵詞：閉環(huán)溫度控制器；燈泡；熱敏電阻；橋式電路；滯回比較器；電源目錄綜述11 方案設(shè)計(jì)與分析21.1溫度傳感器的選擇21.2放大器電路的選擇21.3比較器的選擇21.4加熱電路設(shè)計(jì)2電磁繼電器的工作原理：32 電路設(shè)

4、計(jì)框圖及功能描述42.1 測(cè)量放大器42.1.1 測(cè)量電橋電路52.1.2 閉環(huán)放大電路72.2 控制電路92.3驅(qū)動(dòng)電路.92.4 加熱模塊104 電源設(shè)計(jì)125 仿真運(yùn)行136 心得體會(huì)16遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 綜述溫度是我們生活中非常重要的一個(gè)物理量，它在日常生活中的應(yīng)用很廣，如空調(diào)，冰箱，電熱水器等等，對(duì)它的測(cè)量和控制更有著十分重要的意義。尤其隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，溫度的控制和檢測(cè)變得愈加重要。常用的溫度傳感器通常有熱敏電阻和熱電偶，通過(guò)比較分析本設(shè)計(jì)采用熱電偶作為溫度傳感器，最后用閉環(huán)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量和控制，其核心元件是比較器。在眾多

5、比較器中，本設(shè)計(jì)選用了具有滯回特性、抗干擾能力較好的滯回比較器。通過(guò)查閱資料，設(shè)計(jì)出了一個(gè)包括加熱電路、滯回比較器、放大器和電橋電阻的閉環(huán)溫度控制電路。1 方案設(shè)計(jì)與分析通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，有PID閉環(huán)控制電路和用加熱電路，由滯回比較器、放大器、電橋電阻組成的閉環(huán)控制電路，這兩種電路都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。 雖然PID閉環(huán)溫度控制電路雖測(cè)量、控制精度高，操作、控制較為方便，但需要依靠單片機(jī)，而單片機(jī)成本上百元。所以選用精度稍差但成本低廉的方案，即由滯回比較器、放大器、電橋電阻組成的閉環(huán)控制電路。1.1溫度傳感器的選擇常用的溫度傳感器有熱敏電阻和熱電偶溫度傳感器，由于熱電偶溫度傳感器靈敏度比較

6、低，熱敏電阻的靈敏度較高，且本實(shí)驗(yàn)本著經(jīng)濟(jì)原則，利用熱敏的組作為溫度傳感器。1.2放大器電路的選擇為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的某種運(yùn)算關(guān)系，運(yùn)算電路中的集成運(yùn)放應(yīng)該工作在線(xiàn)性區(qū)，因而電路中必須引入負(fù)反饋。通常應(yīng)用反相比例運(yùn)算電路和加減運(yùn)算電路。查閱資料可知，反相比例運(yùn)算電路為單輸入復(fù)雜電路，故不宜采用；加減運(yùn)算電路不但具有計(jì)算電壓差，還可以進(jìn)行放大預(yù)算，電路簡(jiǎn)單。所以采用加減運(yùn)算電路。1.3比較器的選擇比較器是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路。在測(cè)量和控制中有著廣泛的應(yīng)用。比較器的種類(lèi)有：?jiǎn)蜗揠妷罕容^器、滯回比較器、窗口比較器。根據(jù)各電路特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用滯回

7、比較器。1.4加熱電路設(shè)計(jì)加熱電路首要考慮開(kāi)關(guān)控制方式?？蛇x用的方案有三極管和繼電器，通過(guò)比較分析，繼電器易于控制，實(shí)行簡(jiǎn)單，故電燈開(kāi)關(guān)由繼電器控制。電磁繼電器的工作原理：繼電器是一種電控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)輸入量（如電壓、電流、溫度等）達(dá)到規(guī)定值時(shí)，繼電器所控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開(kāi)。 繼電器具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)、遙控、測(cè)量和通信等裝置中。2

8、 電路設(shè)計(jì)框圖及功能描述 控制電路 測(cè)量放大器 驅(qū)動(dòng)電路 加熱模塊 傳感器圖2-1 閉環(huán)溫度控制框圖該電路設(shè)定一個(gè)初始溫度值，與之對(duì)應(yīng)的電壓電流值為初設(shè)值，將此初設(shè)電壓電流值傳輸給測(cè)量放大器，經(jīng)放大器對(duì)電壓放大并將電流傳輸給控制電路（此為滯回比較器），滯回比較器的輸出電壓值在一定范圍內(nèi)保持不變，但若輸入的電壓超過(guò)此范圍，就會(huì)影起滯回比較器輸出電壓的變化。當(dāng)電流流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，使電路中的發(fā)熱元件（此為燈泡）發(fā)熱，從而溫度升高。溫度的升高由熱敏電阻Rt接收，再由溫度傳感器傳輸給電壓比較器，與初設(shè)值比較，使電壓輸入量減少，從而減少發(fā)熱元件的發(fā)熱，使溫度降下來(lái)。若發(fā)熱元件發(fā)熱不足，溫度傳感器傳輸給電壓

9、比較器的電壓值就變小，使得輸入電壓變大，增加發(fā)熱元件的發(fā)熱，是溫度上升。如此循環(huán)，就能使溫度處于一定的范圍內(nèi)，達(dá)到對(duì)溫度的控制。2.1 測(cè)量放大器本設(shè)計(jì)用到的測(cè)量放大電路由測(cè)量電橋電路和閉環(huán)放大電路組成。2.1.1 測(cè)量電橋電路 5vRwR2R1VaVbR3Rt 圖2-1-1 a 測(cè)量橋式電路圖如上測(cè)量電阻電橋電路是由不同阻止的電阻和熱敏電阻Rt組成的，通過(guò)改變Rw的值可調(diào)節(jié)該電橋電路的輸出電壓。Rw的值確定后，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻Rt就會(huì)有很大的變化，使得電橋電路輸出電壓發(fā)生很大變化，從而對(duì)后面電路的效果產(chǎn)生影響。如上電橋電路，其電橋平衡條件為： R3/(R2+R3)=Rt/(Rt+R

10、1+Rw) （2-1） 當(dāng)電橋平衡時(shí) VA=VB （2-2） 熱敏電阻器Rt是敏感元件的一類(lèi)，按照溫度系數(shù)不同可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的特點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，在不同的溫度下表現(xiàn)出不同的阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時(shí)電阻越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時(shí)電阻越小，它們都屬于半導(dǎo)體器件。熱敏指數(shù)B是熱敏電阻的材料常數(shù)，是熱敏電阻的重要指標(biāo)。B值越大，熱敏電阻器越靈敏，即受溫度影響后阻值的變化越大。本設(shè)計(jì)采用的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC），其阻值計(jì)算方法為： Rt=Ro*eB*(1/T-1/To) （2-3） 式中

11、Rt為溫度為T(mén)時(shí)熱敏電阻的阻值，Ro為室溫To下熱敏電阻的阻值，B為熱敏指數(shù)，一般在2000K6000K之間，其計(jì)算式為： B=T1*T2/(T2-T1)ln（RT1/RT2） （2-4）T、To、T1、T2均為開(kāi)爾文溫度（即T=273.15+攝氏度）。RtT 圖2-1-1 b 熱敏電阻Rt的特性曲線(xiàn)含有熱敏電阻的橋式電路在整個(gè)系統(tǒng)中起到了溫度傳感的重要作用。2.1.2 閉環(huán)放大電路閉環(huán)放大電路由兩部分組成，一部分是由兩個(gè)電壓跟隨器構(gòu)成的電壓緩沖器，對(duì)電壓進(jìn)行緩沖，保證后面的電路更好的運(yùn)行；另一部分是一個(gè)用于電壓放大的電壓放大器，使后面的電路有明顯的反應(yīng)。 A2 A1 VaVcR4R5VdR6

12、 Vb圖2-1-2 a 電壓緩沖器電路圖 R9 A3R7 VcUi VdR8R10 圖2-1-2 b 電壓放大器電路圖 A1 A3 VaR9 A3 A3 A2 A3R4R7R5UiR8R6R10 Vb 圖2-1-2 c 測(cè)量放大器電路圖2.2 控制電路滯回比較器是一種電壓控制器件，用它做控制器，可以解決單限比較器抗干擾能力差和差分比較器受干擾產(chǎn)生誤翻轉(zhuǎn)的問(wèn)題。 A4R11 UiR13Ve5vR12 R14Dz 圖2-2-1 滯回比較器電路圖 如圖2-2-1 為滯回比較器的電路圖，可以看出其傳輸特性具有線(xiàn)性滯回的特點(diǎn)。設(shè)其輸出高低電平電壓分別為UoH和UoL，則兩個(gè)門(mén)限電壓UT1，UT2分別為：

13、UT1=Vcc*R12/（R12+R14）+UoL*R14/（R12+R14） （2-5）UT2=Vcc*R12/（R12+R14）+UoH*R14/（R12+R14） （2-6）UT2與UT1的差值稱(chēng)為滯后電平，其值為：UT2-UT1=R14（UoH-UoL）/（R12+R14） （2-7）其中UoL=-UDZ，UoH=UDZ由此可見(jiàn)，滯后電平可以用R12和R14來(lái)調(diào)節(jié)，選擇合適的值，則可以消除干擾。2.3 驅(qū)動(dòng)電路 Ve 12v 直線(xiàn)繼電器D KAR15 KT U 圖2-3 驅(qū)動(dòng)電路（直線(xiàn)左），加熱電路（直線(xiàn)右）如圖2-3 左半部分為驅(qū)動(dòng)電路，其中KA為繼電器。設(shè)當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的輸入電壓為U1

14、時(shí)，三極管T導(dǎo)通，繼電器KA工作，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合（K閉合），燈泡被點(diǎn)亮，開(kāi)始加熱；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓為U2時(shí)，三極管T截止，繼電器KA停止工作，其動(dòng)合觸點(diǎn)斷開(kāi)（K斷開(kāi)），燈泡熄滅，停止加熱。2.4 加熱模塊如圖2-3 右半部分，用燈泡模擬加熱系統(tǒng)，當(dāng)開(kāi)關(guān)K閉合時(shí)，燈泡被點(diǎn)亮，開(kāi)始加熱；當(dāng)開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)時(shí)，燈泡熄滅，停止加熱。3 電路原理設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算+5V +12V A1 R9 KADRwR4 R7K A3R11 A4 R13 R15R1 R2R5TR8220v R6R10 +5V R12Rt R3 A2 R14 Dz 圖3-1 閉環(huán)溫度控制電路如上圖，為電路原理圖。通過(guò)Rw和對(duì)溫度的設(shè)置，控制A

15、1、A2的輸入電壓（熱敏電阻Rt的存在會(huì)使其數(shù)值改變），當(dāng)電壓發(fā)生變化時(shí)，A1、A2將變化的電壓傳輸給A3，A3將所得電壓放大再交給滯回比較器A4處理，當(dāng)A4所得輸入電壓能夠使其輸出電壓對(duì)后面的電路產(chǎn)生影響時(shí)，即將原來(lái)截止的三極管T變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，將原來(lái)熄滅的燈泡點(diǎn)亮，進(jìn)行加熱；或者將原來(lái)導(dǎo)通的三極管T變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，將原來(lái)點(diǎn)亮的燈泡熄滅，停止加熱。例如，當(dāng)溫度升高為T(mén)2時(shí)，電壓值達(dá)到閥值電壓UT2，滯回比較器的輸出電壓為Uo=+UDZ，使加熱電路停止加熱，燈泡熄滅。當(dāng)溫度下降到T1時(shí)，電壓值達(dá)到閥值電壓UT1，滯回比較器輸出電壓為Uo= UDZ，使加熱電路開(kāi)始加熱，燈泡點(diǎn)亮。電路中的參數(shù)： R1

16、=570 R2=R3=R7=R8=R11=R12=R15=10K R4=R5=R6=1K R9=R10=R14=100K R13=2K Rt=1K（通常為25攝氏度下） Rw=1K UDZ=6V代入以上數(shù)據(jù)有： UT1=4V，UT25.1V設(shè)B=2000K，將溫度控制在30（T1）到40（T2）攝氏度之間，e取2.72，則 RT1=1000*2.722000*(1/(30+273.15)-1/(25+273.15)909.1 RT2=1000*2.722000*(1/(40+273.15)-1/(25+273.15)666.74 電源設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)需要特定電壓電源（+5v，+12v），現(xiàn)對(duì)電源設(shè)計(jì)

17、做出說(shuō)明。 電路圖如圖4-1所示：圖4-1 直流穩(wěn)壓電源電路圖5 仿真運(yùn)行用multisim軟件進(jìn)行仿真，下圖為仿真電路圖 圖4-1 閉環(huán)溫度控制器仿真電路圖此時(shí)萬(wàn)用表伏特檔示數(shù)如圖，為2.415V。用Rt兩端電壓值的變化來(lái)體現(xiàn)溫度的變化。打開(kāi)運(yùn)行開(kāi)關(guān)后，軟件開(kāi)始仿真，此時(shí)由于還是室溫下，低于T1，所以燈泡被點(diǎn)亮，開(kāi)始加熱，如下圖，燈泡被點(diǎn)亮 圖4-2 開(kāi)始運(yùn)行的電路圖由上圖可見(jiàn)，繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，燈泡被點(diǎn)亮，圖中顯示為變黃，加熱開(kāi)始。隨著溫度的升高，Rt的阻值將會(huì)減小，由于multisim中沒(méi)有熱敏電阻，故用在Rt兩端并聯(lián)電阻的方式表示其電阻值變小，用串聯(lián)電阻的方式表示其電阻值變大。如下圖

18、 圖4-3 溫度上升到T2時(shí)的仿真狀態(tài)如圖表示溫度上升到T2時(shí)的電路狀態(tài)，熱敏電阻因溫度升高而電阻值減小，影響了橋式電路的輸出電壓，使得繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)斷開(kāi)，燈泡熄滅，停止加熱，即燈泡再次顯示為白色，此時(shí)Rt兩端的電壓值減小為1.593V。當(dāng)溫度下降到T1時(shí)，熱敏電阻因溫度下降而電阻值再次升高，影響橋式電路的輸出電壓，使得繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，燈泡被再次點(diǎn)亮，開(kāi)始加熱，即圖中燈泡再次顯示為黃色，此時(shí)熱敏電阻的端電壓變大為3.257V，如下圖 圖4-4 溫度下降到T1時(shí)的仿真狀態(tài)這樣，整個(gè)電路如此循環(huán)，就能將溫度控制在T1到T2之間，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。6 心得體會(huì)1、通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。2、在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。 3、我沉得做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。 4，本課題在選題及研究過(guò)程中得到李季老師的悉心指導(dǎo)，使實(shí)驗(yàn)得意順利完成！在此深深的表達(dá)我的謝意！平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且還可以