溫度監(jiān)控裝置課程設計

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark3 o Current Document 1緒論11.1背景11.2簡介1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.3應用前景1 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 2系統(tǒng)方案設計2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.1設計任務及要求2 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 2.1.1設計任務2 HYPERLINK l bookmark

2、18 o Current Document 2.1.2設計要求2 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 2.2設計思想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設計方案選擇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單元電路的設計計算、元器件選擇及電路圖5 HYPERLINK l bookmark60 o Current Docum

4、ent 4.1測溫單元5 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 4.2信號處理單元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9 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 6設計小結10 HYPER

5、LINK l bookmark92 o Current Document 6.1成果的評價10 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 6.2本設計的特點10 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 6.3存在的問題和改進的意義10 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 總結11附錄錯誤！未定義書簽。 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document 參考文獻121緒論1.1背景冬暖夏涼是人們對溫度的第一感覺，而如果要對溫度

6、進行精確的測量，則要進行利用 儀器進行測量，這就要用到溫度測量和控制系統(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，最主要的就是價格昂貴，反應速度慢或者是精度不高等。這些缺點使得溫度 控制部分成為整個系統(tǒng)中的一個污點。本設計通過本人自身的所學知識，以及所考慮到的 問題，盡量設計比較完美的溫度控制系統(tǒng)，希望通過設計這樣一個簡單而價格便宜的溫度 控制系統(tǒng)達到拋磚引玉的目的。當然，現(xiàn)今應該是存在比我的系統(tǒng)更加完美的設計，如果 可能，僅希望提供另外一種設計思路，也許會有某些火花的碰撞。具有體積小，可靠性能 高，對溫度進行精確的測量功能等特點，溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產，生活娛樂，儀器運行 等很多方面

7、都有著廣泛的應用。1.2簡介通過本人自身的所學知識，以及所考慮到的問題，盡量設計比較完美的溫度控制系統(tǒng)， 希望通過設計這樣一個簡單而價格便宜的溫度控制系統(tǒng)1.3應用前景溫度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產、氣象預報、物資倉儲等都起著極其重 要的作用。在許多場合，及時準確獲得目標的溫度信息是十分重要的，近年來，溫度測控 領域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術的發(fā)展，溫濕度的測控芯片也相應的登上歷史的舞臺， 能夠在工業(yè)、農業(yè)等各領域中廣泛使用。2系統(tǒng)方案設計2.1設計任務及要求2.1.1設計任務根據(jù)技術要求和所給條件，完成對溫度控制系統(tǒng)的設計，裝配與調試。2.1.2設計要求設計任務利用溫度傳感器件、集

8、成運算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半導體致冷 器)等設計一個溫度控制器。要求設計要求：溫度測量范圍15-30C，分辨率為0.05C溫度控制范圍：205C，夏天使用，有本裝置驅動冷風機，交流接觸器線圈的 工作電流100微安。報警指示，當溫度高于25C時，用紅燈報警。發(fā)揮部分(1)測溫和控溫范圍：15-30C2.2設計思想本次設計使用溫度傳感器收集當前密室的溫度，然后經(jīng)過各部分電路處理，與所要控 制的電路進行比較。電路根據(jù)比較的結果決定是否對密室空氣進行降溫，如果需要制冷會 自動開啟半導體制冷片。當溫度低于所控制的溫度后，控制部分要斷開制冷電路。在不制 冷的情況下

9、，密室會自動升溫，當溫度上升到控制溫度以下的時候電路就會依照以前的步 驟重新來一遍，然后對密室進行降溫，然后循環(huán)往復執(zhí)行這樣一個周期性的動作，從而達 到把溫度控制在一定范圍內的目的。3選定方案的論證及整體電路的工作原理3.1設計方案選擇3.1.1可行方案：方案：利用集成運放在非線性工作區(qū)（即飽和區(qū)）的輸出端電壓為正負電源電壓的特性，構 造溫度比較器，將溫度信號離散成為高電平和低電平，高電平時制冷，低電平時加熱，從 而實現(xiàn)對溫度的控制。其中功放采用乙類雙電源互補對稱功率放大電路。測溫部分方案同 方案一。方案二：通過集成運放構成的比例器，把溫度傳感器獲得的信號放大，再將信號傳輸給功放， 帶動半導體

10、制冷片工作，從而實現(xiàn)對溫度的控制。功放采用乙類雙電源互補對稱功率放大 電路。測溫部分通過測溫度傳感器輸出端與基準端的電壓，在轉化為相應的溫度值。其中， 基準端的電壓有事先調試好。方案三：用半導體制冷片分別實現(xiàn)制冷功能，該方案中同樣用比較器將溫度信號離散為高電平 和低電平，高電平時制冷片工作，低電平時，加熱器工作，這樣就可也實現(xiàn)對溫度的控制。 其中功放電路采用兩個獨立的二級放大電路，且只用正電源。測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變?yōu)殡x散的高電平和低電平，通過功放的作用， 從而實現(xiàn)對溫度的控制。但是半導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，所以會造成資源浪費，電路也相對復雜。方案二可行，可是存在著許多缺點，如反應慢，且溫度相近時，靈敏度也降低了。方案三可以很好得實現(xiàn)對溫度的控制和測量，雖然方案三使用的電子器件較多且繁 雜，電路也較復雜，但是對于控制電路來說更加準確，迅速，因為不需要對電路進行加熱， 則這個電路是不錯的。綜合考慮之后，采用方案三作為具體實現(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)設計要求，可以測量并控制15到室溫的溫度，精度要達到土0.5C。也就是說基 本要求為傳感器可以測量15到室溫的溫度，并且具有很好的穩(wěn)定性。再結合性能以及價 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攝氏度以內是非常穩(wěn)定的。當它的工作電壓在4到20v 之間是可以在每攝氏度變化的時候輸出變化10mv。它的線性度也可以在高溫的時候保持得 非常好。因此LM35完全符合設計要求。3.2.2選定繼電器的論證繼電器是低壓控制高壓的部分，它的開啟電壓以及穩(wěn)定性相當重要。因為選用的電源 電壓是12V的，所以繼電器的開啟電壓應當適當?shù)陀?2V當接近它，因此選用開啟電壓為 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選定運算放大器的論證本設計對

13、放大器的要求只是有較好的虛短和虛斷特性，作為比較器時輸出可以接近電 源電壓。因此通用型的運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計的總體思想是測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，主要是電壓 信號。這個由傳感器所采集到的信號是非常微弱的，因此設計了一個信號處理單元，主要 作用是對信號無損放大。放大后的信號就可以送到溫度比較單元了。這個單元將處理后的 信號與預訂值進行比較，從而決定是否進行加熱。顯示部分用來顯示所測的密室和所要控 制的溫度。4單元電路的設計計算、元器件選擇及電路圖4.1測溫單

14、元溫度傳感器需要放入水中，所以應該在電路中引出一個出口來接溫度傳感 器。LM35有三個引腳，其中0接正電源，2接地，這樣在1腳就會輸出隨溫度而 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。信號采集單元 電路如圖4.1.1所示。4.2信號處理單元LM35輸出端的電壓因溫度改變1攝氏度而改變10mv，很難檢測。所以必須 經(jīng)過一定的處理方可成為測量以及控制部分所使用的信號。處理方法也就是將它 無損的放大一定的倍數(shù)。因控制或測量溫度在30攝氏度的時候，LM35輸出電壓為300mv。溫度 在0攝氏度的時候輸出為0mv。經(jīng)下面計算：maxxAv 0V0V AV 12Vvmax即 0 Av

15、40考慮計算的方便，以及最后輸出測量的方便，放大倍數(shù)為30為宜。電路如圖4.2.1。圖4.2.1信號處理單元電路圖4.3溫度顯示單元溫度顯示單元承擔兩個主要的任務，主要是顯示當前以及控制的溫度， 如果沒有它就不知道自己到哪里了。溫度顯示實質上就是電壓顯示，主要是設計一個可以表征溫度的電壓表。因 低溫區(qū)的電壓比較小，因此為了提高測量和控制的精度，需要設置兩個量程。電阻選擇計算：已知：萬用表內阻Ro=25Q滿量程為Vg=0.25V所以若使其測量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因此可以通過設置一個開關來達到改變量程的目的。另外控制和測量溫度都需要使用一個表頭來顯示。如圖4.3.1當單刀雙擲開關S2打到左邊的時候，可以通過調節(jié)電位器R7來調整控制電 壓，具體的會在控制單元中說明。當開關S2打到右邊的時候，表頭用來顯示當 前傳感器傳過來的經(jīng)過處理的信號，也就是表征溫度的電壓量。路圖I顯示單元電電壓會變成負電壓。所以，4.4控制單元因此控制電路處的比較基準電壓應該 電位器選擇計算：人負電為了使電位器在阻值最小的時候電路中電流在1. 為2k。雖然控制溫度需要達到30攝氏度，但是為、5mA以下選擇固定電阻R 適應實際萌時以防被毀，控制電壓設置最大為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接收來自傳感器器處理后的信號，判別是否需要對當前 的水體進行加熱。因為初級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比較器，如圖4.4.2所示。輸出為正負12V,而繼電器沒有正負， 所以必須使比較器輸出負電壓的時候繼電器截止，因此把繼電器和一個二極管串 聯(lián)，這樣當電壓為負的時候繼電器就會很快地斷開了。繼電器內部是一個磁線圈，在斷電的時候會有很大的電流，為了保護電路需 要在繼電器兩端并聯(lián)一個二極管，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元件及器件明細元件及器件明細如表6.3.1所示表6.3.1元件及器件明細元件器件明細繼電器1個，9V開啟，28A二極管 1N40074個LM351個，每1攝氏度輸出變化10mVLED3個，2個黃，1個紅uA7413個電位器1 個，10k6設計小結6.1成果的評價在電路的設計和制作中，使我無形中加深了對模擬電子技術基礎的理解和運 用能力，對課本及以前學過的知識有了一個更好的總結。在電路的實物連接中出 現(xiàn)了一些問題，需要不斷的解決，所以這幾周下來，我對問題的排查能力有了很 大的提高；再次，通過此次

19、課程設計，我對設計所用到的集成塊有了更加深刻地 了解，這對我們以后的工作和學習的幫助都很有用處。在這次的溫度控制系統(tǒng)設計中，實物的測試還在進行中。我認為對電子電路 知識的學習應該認真和謹慎，并保持一個積極的心態(tài)去面對它，要不怕苦不怕累。 我們知道，理論知識學起來有時很枯燥，但我們不能就此放棄，而應該問老師、 同學或者查資料把不懂的知識融會貫通，讓自己的電子電路知識豐富起來。6.2本設計的特點本設計中采用的是價格便宜且又有較好的線性度的溫度傳感器LM35,并 采用運算放大器幾乎無損放大，非常準群反映了所測量的溫度。另外由于比較器 比較好的開關特性。6.3存在的問題和改進的意義溫度的調控能力和傳感器的反應速度有非常大的關系。如果溫度傳感器對溫 度的敏感速度非常低，控制器就無法及時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的反應速度也不是非常快，當我用熱水進行試驗 的時候，溫度滯后可以達到3到4度。于是我使其貼附在散熱片上，這樣它對溫 度的反應速度才提高到控制精度為1度以內。然而，如果控制的密室溫度上升速度再快點，或者密室再大點，控制的精度 就又會降下來的。因此，在溫度傳感器方面必須進行改進。我的改進意見是加大 傳感器的表面積，或者是跟換效果更好的傳感器，這樣就會在更苛