簡(jiǎn)易溫度控制器的設(shè)計(jì)

頁(yè)U2=5×(100Ω/2100Ω)VU0=（U1-U2）R2/R1=K(U1-U2)(其中K=R2/R1)=5K×[(100OΩ+0.386Ω/℃t)/(2100Ω+0.386Ω/℃t)-100Ω/2100Ω]V≈5K×0.386Ω/℃t/(2100Ω+0.386Ω/℃t)≈5K×0.386t/2100令t=100℃時(shí),U0=5V,則K=54.4,故有R2/R1=54.4,取R1=5.6KΩ，則有R2=304.64KΩ，故有R1=R2=5.6KΩ，取R2=R4=300KΩ。工作原理是當(dāng)鉑電阻阻值改變時(shí),會(huì)給運(yùn)放部分一個(gè)較小的電壓，這個(gè)電壓再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后輸出一個(gè)電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)是隨鉑電阻阻值變化即溫度值而變化。這個(gè)輸出電壓為后面的比較電路提供一個(gè)比較值,從而控制顯示電路和加熱電路。3.1.2電路仿真圖2圖2則為在設(shè)計(jì)軟件下仿真的截圖，在末端可以加裝電壓表，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可以使輸出電壓改變，于是可以得出其已經(jīng)具備將溫度值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的能力[3]。用滑動(dòng)變阻器代替熱敏電阻，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器模擬熱敏電阻阻值隨溫度的變化，由公式R=100+0.386tΩ可以得30℃、40℃、50℃、70℃80℃以及低于30℃和高于80℃水溫對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)變阻器的阻值，從而控制輸出電壓。3.1.3、元器件的選擇及參數(shù)的確定為了獲得比較高的測(cè)量精度，電阻可以選用1%的五環(huán)金屬膜電阻；或者采用電位器調(diào)節(jié)得到兩只匹配的300k電阻，使阻值盡可能實(shí)現(xiàn)匹配，提高電路的共模抑制比，A1和A2要選擇輸入電阻較大的運(yùn)算放大器，如TL082，A3要選擇精度較高的，輸入電阻較大，共模抑制比較高的運(yùn)算放大器，如OP07，LF412等[6]。3.2比較/顯示電路3.2.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理圖3圖3為比較/顯示電路，其中A4,A5兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成窗口比較器，連接兩個(gè)滑動(dòng)變阻器,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)設(shè)定40℃和70℃相對(duì)應(yīng)的電壓值。假設(shè)UR1和UR2分別對(duì)應(yīng)40℃和70℃水溫，則UR1和UR2可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R1和R2設(shè)定。另一方面，UR1和UR2實(shí)際大小可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。對(duì)水加熱，使得在水溫為100℃時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓為5V，然后測(cè)得水溫為40℃時(shí)A3輸出電壓UO即為UR1，水溫為70℃時(shí)的輸出電壓即為UR2。顯示電路由兩個(gè)三極管和紅、綠發(fā)光二極管及其電阻組成。當(dāng)UR2>U0>UR1時(shí)，即水溫在40度到70度之間時(shí),窗口比較器輸出為高電平，綠發(fā)光二極管點(diǎn)亮，紅發(fā)光二極管熄滅，指示水溫正常。否則綠發(fā)光二極管熄滅，紅發(fā)光二極管電亮，處于報(bào)警狀態(tài)。3.2.2電路仿真圖4電路仿真如圖4所示當(dāng)U0在UR1和UR2之間時(shí)即水溫在40℃和70℃之間，綠發(fā)光二極管點(diǎn)亮，表示水溫正常。在U1和U2的范圍外時(shí)亮紅燈，因此符合要求。3.2.3元件的選擇及參數(shù)的確定此部分為了比較電壓大小運(yùn)放可以選取LM339，兩個(gè)電位器可以選10k大小，運(yùn)放的電壓為正負(fù)12v，滑動(dòng)變阻器的上邊電壓接5v，兩個(gè)三極管使用2sc1815,構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路,更重要的一點(diǎn)兩個(gè)比較器還需要兩個(gè)3.3k的上拉電阻以保證三極管的正常運(yùn)行。3.3、溫度控制單元電路3.3.1電路結(jié)構(gòu)及工作原理圖5如圖5所示控制電路由兩個(gè)LM339運(yùn)放，晶體三極管，電位器，繼電器，加熱器及電阻組成。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)改變電壓，從而控制加熱器。設(shè)UR3和UR4分別對(duì)應(yīng)50℃和60℃的水溫，則UR3和UR4可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)設(shè)定。另一方面，UR3和UR4的大小可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。利用加熱電路對(duì)水進(jìn)行加熱，使得水溫為100℃時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0為5V，然后測(cè)得水溫為50℃時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0即為UR3，水溫為60℃時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0即為UR4。當(dāng)U0<UR3時(shí)，即水溫小于50度，兩個(gè)繼電器常開觸點(diǎn)閉合，加熱器H1和H2都工作。UR3<U0<UR4時(shí)即水溫在50到60度之間,繼電器K2的常開觸點(diǎn)閉合，加熱器H2工作，H1斷開。當(dāng)U0>UR4時(shí)兩個(gè)繼電器都斷開,兩個(gè)加熱器都停止工作[5]。3.3.2溫度控制單元仿真電路圖6[2]由圖6仿真電路可得當(dāng)U0的電壓小于3v且大于2.5v時(shí)只有一個(gè)加熱電路工作，當(dāng)U0小于2.5v時(shí)，兩個(gè)加熱電路都會(huì)工作，當(dāng)電壓U0大于3v時(shí)兩個(gè)加恩電路將會(huì)停止工作。上圖為大于3v時(shí)的仿真圖。由仿真圖可以看出，水溫小于50℃時(shí)，兩個(gè)加熱器同時(shí)對(duì)水進(jìn)行加熱；水溫在50℃和60℃之間時(shí)，只有一個(gè)加熱器工作；水溫高于60℃時(shí)，兩個(gè)加熱器都停止加熱。因此電路設(shè)計(jì)符合題目要求。3.4電源部分圖7[2]如圖7所示直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電源。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定[7]。濾波電容為C1、C2選用較大值電容，要求不高的地方可以選用較小的電容；且選用三端集成穩(wěn)壓器來(lái)輸出穩(wěn)定的直流電源；整流電路采用橋式連接方式[4]。系統(tǒng)仿真[2]仿真截圖圖8由電壓表讀數(shù)2.57ｖ可知其電壓在3.5ｖ和2ｖ之間的檢測(cè)電路故應(yīng)該亮綠燈，2.57v也在3v在2.5v之間，故只有一個(gè)加熱電路工作。進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí),用滑動(dòng)變阻器代替熱敏電阻,在控制電路部分用兩個(gè)發(fā)光二極管代替繼電器和加熱器。當(dāng)兩個(gè)發(fā)光二極管同時(shí)發(fā)光,則表示兩個(gè)加熱器同時(shí)工作；有一個(gè)發(fā)光則表示一個(gè)加熱器工作；兩個(gè)均不發(fā)光則兩個(gè)加熱器都關(guān)閉[6]。結(jié)論通過(guò)仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，其結(jié)果與電路要求相符合。再通過(guò)電路板的焊接及其調(diào)試，能完全實(shí)現(xiàn)電路功能。用滑動(dòng)變阻器模擬熱敏電阻，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變輸出電壓，再利用比較器與設(shè)置溫度值對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行比較，從而對(duì)后邊電路進(jìn)行控制。水溫小于40攝氏度時(shí)，紅色發(fā)光二極管發(fā)出報(bào)警信號(hào)且H1和H2兩個(gè)加熱器同時(shí)加熱；水溫在40至60攝氏度之間時(shí)，綠色發(fā)光二極管指示水溫正常，且一個(gè)加熱器工作，另一個(gè)加熱器關(guān)閉；水溫在60到70攝氏度之間時(shí)，綠燈亮且兩個(gè)加熱器都停止工作。顯示電路和加熱電路完全按照測(cè)溫電路的溫度變化而有規(guī)律的變化，滿足設(shè)計(jì)要求。致謝電子技術(shù)綜合訓(xùn)練為我們提供了一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的平臺(tái)，使我們從掌握單純的理論知識(shí)到學(xué)會(huì)用理論知識(shí)分析解決問(wèn)題，通過(guò)這兩周時(shí)間的努力學(xué)習(xí)，通過(guò)老師和同學(xué)的幫助順利完成老師布置的任務(wù)，同時(shí)這次訓(xùn)練也使我們的知識(shí)更加豐富，而且開拓了我們的思維，培養(yǎng)了獨(dú)立實(shí)踐、創(chuàng)新精神。參考文獻(xiàn)[1]《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》北京:高等教育出版社董詩(shī)白[2]《電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)（第三版）》北京:機(jī)械工業(yè)出版社畢滿清[3]《電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試（第二版）》北京:高等教育出版社謝自美[4]《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》北京:高等教