溫度監(jiān)控裝置課程設(shè)計(jì)

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark3 o Current Document 1緒論11.1背景11.2簡(jiǎn)介1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.3應(yīng)用前景1 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 2.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)2 HYPERLINK l bookmark

2、18 o Current Document 2.1.2設(shè)計(jì)要求2 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 2.2設(shè)計(jì)思想2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3選定方案的論證及整體電路的工作原理3 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 3.1設(shè)計(jì)方案選擇3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.1.1可行方案：3方案一：3方案一.3: . . HYPERLINK l bookmark45 o Current

3、 Document 方案三：3 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.1.2方案的討論與選擇：3 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 選定方案的論證 3 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3.2.1選定溫度傳感器的論證33.3整體電路的工作原理4 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 4單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、元器件選擇及電路圖5 HYPERLINK l bookmark60 o Current Docum

4、ent 4.1測(cè)溫單元5 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 4.2信號(hào)處理單元5溫度顯示單元74.4控制單元8 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 5整體電路圖、元件及器件明細(xì)9 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 5.1整體電路圖9 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 5.2元件及器件明細(xì)9 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 6設(shè)計(jì)小結(jié)10 HYPER

5、LINK l bookmark92 o Current Document 6.1成果的評(píng)價(jià)10 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 6.2本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)10 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 6.3存在的問(wèn)題和改進(jìn)的意義10 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 總結(jié)11附錄錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document 參考文獻(xiàn)121緒論1.1背景冬暖夏涼是人們對(duì)溫度的第一感覺(jué)，而如果要對(duì)溫度

6、進(jìn)行精確的測(cè)量，則要進(jìn)行利用 儀器進(jìn)行測(cè)量，這就要用到溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)。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(diǎn)，最主要的就是價(jià)格昂貴，反應(yīng)速度慢或者是精度不高等。這些缺點(diǎn)使得溫度 控制部分成為整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)污點(diǎn)。本設(shè)計(jì)通過(guò)本人自身的所學(xué)知識(shí)，以及所考慮到的 問(wèn)題，盡量設(shè)計(jì)比較完美的溫度控制系統(tǒng)，希望通過(guò)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單而價(jià)格便宜的溫度 控制系統(tǒng)達(dá)到拋磚引玉的目的。當(dāng)然，現(xiàn)今應(yīng)該是存在比我的系統(tǒng)更加完美的設(shè)計(jì)，如果 可能，僅希望提供另外一種設(shè)計(jì)思路，也許會(huì)有某些火花的碰撞。具有體積小，可靠性能 高，對(duì)溫度進(jìn)行精確的測(cè)量功能等特點(diǎn)，溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)，生活?yuàn)蕵?lè)，儀器運(yùn)行 等很多方面

7、都有著廣泛的應(yīng)用。1.2簡(jiǎn)介通過(guò)本人自身的所學(xué)知識(shí)，以及所考慮到的問(wèn)題，盡量設(shè)計(jì)比較完美的溫度控制系統(tǒng)， 希望通過(guò)設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單而價(jià)格便宜的溫度控制系統(tǒng)1.3應(yīng)用前景溫度的測(cè)量和控制對(duì)人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、物資倉(cāng)儲(chǔ)等都起著極其重 要的作用。在許多場(chǎng)合，及時(shí)準(zhǔn)確獲得目標(biāo)的溫度信息是十分重要的，近年來(lái)，溫度測(cè)控 領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫濕度的測(cè)控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺(tái)， 能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)技術(shù)要求和所給條件，完成對(duì)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，裝配與調(diào)試。2.1.2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)任務(wù)利用溫度傳感器件、集

8、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。要求設(shè)計(jì)要求：溫度測(cè)量范圍15-30C，分辨率為0.05C溫度控制范圍：205C，夏天使用，有本裝置驅(qū)動(dòng)冷風(fēng)機(jī)，交流接觸器線圈的 工作電流100微安。報(bào)警指示，當(dāng)溫度高于25C時(shí)，用紅燈報(bào)警。發(fā)揮部分(1)測(cè)溫和控溫范圍：15-30C2.2設(shè)計(jì)思想本次設(shè)計(jì)使用溫度傳感器收集當(dāng)前密室的溫度，然后經(jīng)過(guò)各部分電路處理，與所要控 制的電路進(jìn)行比較。電路根據(jù)比較的結(jié)果決定是否對(duì)密室空氣進(jìn)行降溫，如果需要制冷會(huì) 自動(dòng)開(kāi)啟半導(dǎo)體制冷片。當(dāng)溫度低于所控制的溫度后，控制部分要斷開(kāi)制冷電路。在不制 冷的情況下

9、，密室會(huì)自動(dòng)升溫，當(dāng)溫度上升到控制溫度以下的時(shí)候電路就會(huì)依照以前的步 驟重新來(lái)一遍，然后對(duì)密室進(jìn)行降溫，然后循環(huán)往復(fù)執(zhí)行這樣一個(gè)周期性的動(dòng)作，從而達(dá) 到把溫度控制在一定范圍內(nèi)的目的。3選定方案的論證及整體電路的工作原理3.1設(shè)計(jì)方案選擇3.1.1可行方案：方案：利用集成運(yùn)放在非線性工作區(qū)（即飽和區(qū)）的輸出端電壓為正負(fù)電源電壓的特性，構(gòu) 造溫度比較器，將溫度信號(hào)離散成為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷，低電平時(shí)加熱，從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。其中功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。測(cè)溫部分方案同 方案一。方案二：通過(guò)集成運(yùn)放構(gòu)成的比例器，把溫度傳感器獲得的信號(hào)放大，再將信號(hào)傳輸給功放， 帶動(dòng)半導(dǎo)體

10、制冷片工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大 電路。測(cè)溫部分通過(guò)測(cè)溫度傳感器輸出端與基準(zhǔn)端的電壓，在轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值。其中， 基準(zhǔn)端的電壓有事先調(diào)試好。方案三：用半導(dǎo)體制冷片分別實(shí)現(xiàn)制冷功能，該方案中同樣用比較器將溫度信號(hào)離散為高電平 和低電平，高電平時(shí)制冷片工作，低電平時(shí)，加熱器工作，這樣就可也實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。 其中功放電路采用兩個(gè)獨(dú)立的二級(jí)放大電路，且只用正電源。測(cè)溫部分方案同方案一。3.1.2方案的討論與選擇：方案一可行，它將變化的溫度信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的高電平和低電平，通過(guò)功放的作用， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。但是半導(dǎo)體制冷片一直工作在較大功率條件下，耗能較多，且

11、加 熱器和制冷器始終有其一在工作中，所以會(huì)造成資源浪費(fèi)，電路也相對(duì)復(fù)雜。方案二可行，可是存在著許多缺點(diǎn)，如反應(yīng)慢，且溫度相近時(shí)，靈敏度也降低了。方案三可以很好得實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制和測(cè)量，雖然方案三使用的電子器件較多且繁 雜，電路也較復(fù)雜，但是對(duì)于控制電路來(lái)說(shuō)更加準(zhǔn)確，迅速，因?yàn)椴恍枰獙?duì)電路進(jìn)行加熱， 則這個(gè)電路是不錯(cuò)的。綜合考慮之后，采用方案三作為具體實(shí)現(xiàn)方案。3.2選定方案的論證3.2.1選定溫度傳感器的論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以測(cè)量并控制15到室溫的溫度，精度要達(dá)到土0.5C。也就是說(shuō)基 本要求為傳感器可以測(cè)量15到室溫的溫度，并且具有很好的穩(wěn)定性。再結(jié)合性能以及價(jià) 格方面的原因，選擇了集成溫度

12、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。3.2.2選定繼電器的論證繼電器是低壓控制高壓的部分，它的開(kāi)啟電壓以及穩(wěn)定性相當(dāng)重要。因?yàn)檫x用的電源 電壓是12V的，所以繼電器的開(kāi)啟電壓應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)陀?2V當(dāng)接近它，因此選用開(kāi)啟電壓為 9V的比較適合。另外，由于加熱部分的電流比較大，所以繼電器的承受電流要大，一般 1000W的加熱裝置電流為4.5A，選擇4.5AX2=9A以上的比較適合。3.2.3選定運(yùn)算放大器的論證本設(shè)計(jì)對(duì)

13、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ua741.3.3整體電路的工作原理電路設(shè)計(jì)的總體思想是測(cè)溫一一比較一一控溫如圖3.1所示加熱傳感器采用封裝形式，將其放入欲控制系統(tǒng)中。收集溫度所表征的信號(hào)，主要是電壓 信號(hào)。這個(gè)由傳感器所采集到的信號(hào)是非常微弱的，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)處理單元，主要 作用是對(duì)信號(hào)無(wú)損放大。放大后的信號(hào)就可以送到溫度比較單元了。這個(gè)單元將處理后的 信號(hào)與預(yù)訂值進(jìn)行比較，從而決定是否進(jìn)行加熱。顯示部分用來(lái)顯示所測(cè)的密室和所要控 制的溫度。4單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、元器件選擇及電路圖4.1測(cè)溫單

14、元溫度傳感器需要放入水中，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接正電源，2接地，這樣在1腳就會(huì)輸出隨溫度而 現(xiàn)行變化的電壓。具體是每變化1攝氏度，輸出電壓變化10mV。信號(hào)采集單元 電路如圖4.1.1所示。4.2信號(hào)處理單元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(guò)一定的處理方可成為測(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：maxxAv 0V0V AV 12Vvmax即 0 Av

15、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。電路如圖4.2.1。圖4.2.1信號(hào)處理單元電路圖4.3溫度顯示單元溫度顯示單元承擔(dān)兩個(gè)主要的任務(wù)，主要是顯示當(dāng)前以及控制的溫度， 如果沒(méi)有它就不知道自己到哪里了。溫度顯示實(shí)質(zhì)上就是電壓顯示，主要是設(shè)計(jì)一個(gè)可以表征溫度的電壓表。因 低溫區(qū)的電壓比較小，因此為了提高測(cè)量和控制的精度，需要設(shè)置兩個(gè)量程。電阻選擇計(jì)算：已知：萬(wàn)用表內(nèi)阻Ro=25Q滿量程為Vg=0.25V所以若使其測(cè)量10V電壓，串聯(lián)電阻R1需要滿足:R1 + R 0 =匕R0Vo帶入數(shù)據(jù)可算出R1 =10 k若使其測(cè)量5V電壓，串聯(lián)電阻R2需要滿足：R 2 + R 0

16、= 5k因此可以通過(guò)設(shè)置一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到改變量程的目的。另外控制和測(cè)量溫度都需要使用一個(gè)表頭來(lái)顯示。如圖4.3.1當(dāng)單刀雙擲開(kāi)關(guān)S2打到左邊的時(shí)候，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R7來(lái)調(diào)整控制電 壓，具體的會(huì)在控制單元中說(shuō)明。當(dāng)開(kāi)關(guān)S2打到右邊的時(shí)候，表頭用來(lái)顯示當(dāng) 前傳感器傳過(guò)來(lái)的經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)，也就是表征溫度的電壓量。路圖I顯示單元電電壓會(huì)變成負(fù)電壓。所以，4.4控制單元因此控制電路處的比較基準(zhǔn)電壓應(yīng)該 電位器選擇計(jì)算：人負(fù)電為了使電位器在阻值最小的時(shí)候電路中電流在1. 為2k。雖然控制溫度需要達(dá)到30攝氏度，但是為、5mA以下選擇固定電阻R 適應(yīng)實(shí)際萌時(shí)以防被毀，控制電壓設(shè)置最大為50攝氏度。Vo =

17、 500mV0= 1因此電位器選擇10k為宜具體電路圖如圖4.4.控制單元的作用是通過(guò)接收來(lái)自傳感器器處理后的信號(hào)，判別是否需要對(duì)當(dāng)前 的水體進(jìn)行加熱。因?yàn)槌跫?jí)放大電路是反向放大電路，圖4.4.1控制單元電路圖控制電路是一個(gè)比較器，如圖4.4.2所示。輸出為正負(fù)12V,而繼電器沒(méi)有正負(fù)， 所以必須使比較器輸出負(fù)電壓的時(shí)候繼電器截止，因此把繼電器和一個(gè)二極管串 聯(lián)，這樣當(dāng)電壓為負(fù)的時(shí)候繼電器就會(huì)很快地?cái)嚅_(kāi)了。繼電器內(nèi)部是一個(gè)磁線圈，在斷電的時(shí)候會(huì)有很大的電流，為了保護(hù)電路需 要在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，以使繼電器斷電后它的保留電流可以在二極管 和電阻中快速消完。圖4.4.2繼電器使用電路圖5整

18、體電路圖、元件及器件明細(xì)5.1整體電路圖電路如圖5.1.1所示圖5.1.1水溫控制系統(tǒng)整體電路圖5.2元件及器件明細(xì)元件及器件明細(xì)如表6.3.1所示表6.3.1元件及器件明細(xì)元件器件明細(xì)繼電器1個(gè)，9V開(kāi)啟，28A二極管 1N40074個(gè)LM351個(gè)，每1攝氏度輸出變化10mVLED3個(gè)，2個(gè)黃，1個(gè)紅uA7413個(gè)電位器1 個(gè)，10k6設(shè)計(jì)小結(jié)6.1成果的評(píng)價(jià)在電路的設(shè)計(jì)和制作中，使我無(wú)形中加深了對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的理解和運(yùn) 用能力，對(duì)課本及以前學(xué)過(guò)的知識(shí)有了一個(gè)更好的總結(jié)。在電路的實(shí)物連接中出 現(xiàn)了一些問(wèn)題，需要不斷的解決，所以這幾周下來(lái)，我對(duì)問(wèn)題的排查能力有了很 大的提高；再次，通過(guò)此次

19、課程設(shè)計(jì)，我對(duì)設(shè)計(jì)所用到的集成塊有了更加深刻地 了解，這對(duì)我們以后的工作和學(xué)習(xí)的幫助都很有用處。在這次的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)物的測(cè)試還在進(jìn)行中。我認(rèn)為對(duì)電子電路 知識(shí)的學(xué)習(xí)應(yīng)該認(rèn)真和謹(jǐn)慎，并保持一個(gè)積極的心態(tài)去面對(duì)它，要不怕苦不怕累。 我們知道，理論知識(shí)學(xué)起來(lái)有時(shí)很枯燥，但我們不能就此放棄，而應(yīng)該問(wèn)老師、 同學(xué)或者查資料把不懂的知識(shí)融會(huì)貫通，讓自己的電子電路知識(shí)豐富起來(lái)。6.2本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)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，非常準(zhǔn)群反映了所測(cè)量的溫度。另外由于比較器 比較好的開(kāi)關(guān)特性。6.3存在的問(wèn)題和改進(jìn)的意義溫度的調(diào)控能力和傳感器的反應(yīng)速度有非常大的關(guān)系。如果溫度傳感器對(duì)溫 度的敏感速度非常低，控制器就無(wú)法及時(shí)得在欲控制溫度處停止降溫，這樣就起 不到控制溫度的目的了。LM35的反應(yīng)速度也不是非?？?，當(dāng)我用熱水進(jìn)行試驗(yàn) 的時(shí)候，溫度滯后可以達(dá)到3到4度。于是我使其貼附在散熱片上，這樣它對(duì)溫 度的反應(yīng)速度才提高到控制精度為1度以內(nèi)。然而，如果控制的密室溫度上升速度再快點(diǎn)，或者密室再大點(diǎn)，控制的精度 就又會(huì)降下來(lái)的。因此，在溫度傳感器方面必須進(jìn)行改進(jìn)。我的改進(jìn)意見(jiàn)是加大 傳感器的表面積，或者是跟換效果更好的傳感器，這樣就會(huì)在更苛