1、武漢理工大學模擬電子技術基礎課程設計說明書課程設計任務書學生姓名： 張亞男 專業班級： 通信1104班 指導教師： 李政穎 工作單位： 信息工程學院 題 目: 溫度控制系統的設計 初始條件：TEC半導體制冷器、UA741 運算放大器、LM339N電壓比較器 、穩壓管、LM35溫度傳感器、繼電器要求完成的主要任務: 一、設計任務：利用溫度傳感器件、集成運算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半導體致冷器)等設計一個溫度控制器。二、設計要求：（1）控制密閉容器內空氣溫度 （2）控制容器容積>5cm*5cm*5cm （3）測溫和控溫范圍0室溫 （4）控溫精度±

2、;1 三、發揮部分：測溫和控溫范圍： 0（室溫+10） 時間安排： 19周準備課設所需資料，弄清各元件的原理并設計電路。 20周在仿真軟件multisim上畫出電路圖并進行仿真。 21周周五前進行電路的焊接與調試，周五答辯。 指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日溫度控制系統的設計1.溫度控制系統原理電路的設計.3 1.1 溫度控制系統工作原理總述.3 1.2 方案設計.3 2.單元電路設計.42.1 溫度信號的采集與轉化單元溫度傳感器.4 2.2 電壓信號的處理單元運算放大器.5 2.3 電壓值表征溫度單元萬用表.7 2.4 電壓控制單元遲滯比較器.8 2.5 驅動

3、單元繼電器.10 2.6 TEC裝置.11 2.7 整體電路圖.12 3.電路仿真.12 3.1 multisim仿真.12 3.2 仿真分析.14 4.實物焊接.15 5.總結及體會.16 6.元件清單.18 7.參考文獻.191.溫度控制系統原理電路的設計1.1 溫度控制系統工作原理總述 一、原理框圖溫度顯示提取溫度值溫度電壓轉 換器溫度信號 TEC調節繼電器觸發 裝置比較器 二、簡單原理敘述先采集室內溫度信號，將其轉化為電壓或者電流，并線性放大再用萬用表測取，可以直接線性反映溫度值。對于提取出的溫度值，輸入比較器與我們所設定的電壓(設定溫度對應的電壓)進行比較，若高于所設定電壓，則TEC

4、裝置開始制冷；若低于所設定的電壓值，則TEC裝置開始加熱。這樣循環往復執行這樣一個周期性的動作，從而把溫度控制在一定范圍內。1.2 方案設計方案一：想要讓電路正常穩定的工作，必須要有一個關于溫度的準確信號值，為了使信號輸出誤差很小，可以選用橋式測壓電路，這樣可以得出較為準確的與溫度相對應的電壓值。關于比較部分可以選用比較器LM339構成遲滯比較器，再利用電位計來調節上下限電壓，將輸出電壓值與設定的電壓值（與設定的溫度值相對應）進行比較來控制三極管，從而控制繼電器的開閉以達到控制TEC裝置的目的。方案二：用溫度傳感器LM35采集室內溫度，直接將溫度信號轉化成電壓信號。由于LM35轉化成的電壓信號

5、較小，因此用運算放大器將信號進行無損放大，并用反相比例器反向輸出的電壓值即為與我們設定的溫度對應的值。對于提取出的溫度值，輸入遲滯比較器與我們所設定的電壓(設定溫度對應的電壓)進行比較，若高于所設定電壓，則用TEC裝置開始制冷；若低于所設定的溫度，則用TEC裝置開始加熱，從而達到控制溫度的目的。分析得出，方案一和方案二都可行。但是，方案一中獲取電壓信號的電路比較復雜，方案二中的溫度傳感器可以直接將溫度信號轉化為電壓信號，再進行無損放大，相對較方便。綜合考慮，我選擇方案二。2.單元電路設計2.1 溫度信號的采集與轉化單元溫度傳感器 一、溫度傳感器的選擇： 根據設計要求，可以測量并控制0到室溫的溫

6、度，精度要達到±1。也就是說基本要求為傳感器可以測量0到室溫的溫度，并且具有很好的穩定性。常用的傳感器有LM35和AD590兩種，但是AD590價格較貴。綜合性能及價格各方面的原因，我選擇了集成溫度傳感器LM35。 LM35溫度傳感器在-55150攝氏度以內是非常穩定的。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。二、溫度信號的采集與轉化原理圖：Vcc 圖1.溫度信號采集與轉化原理圖 溫度傳感器需要放入密閉容器內，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

7、接正電源，2接地，這樣在1腳就會輸出隨溫度而線性變化的電壓。具體是每變化1攝氏度，輸出電壓變化10mV。信號采集與轉化單元電路如圖1所示。后面接一個電壓跟隨器將轉化而成的電壓跟隨出去，防止后面電路對信號采集電路的影響。2.2電壓信號的處理單元運算放大器 一、 元器件的選擇：1、本設計對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ua741.2、LM35輸出端的電壓因溫度改變1攝氏度而改變10mv，很難檢測。所以必須經過一定的處理方試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。 因控制

8、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。經下面計算：得 即0< Av < 40 考慮計算的方便，以及最后輸出測量的方便，放大倍數為30 為宜。因此選擇電阻R1=10k，R3=300k。二、電壓信號的處理原理圖：圖2.電壓信號的處理原理圖由于初級放大電路是反向放大電路，所以電壓會變成負電壓。因此在放大電路后面再加一級反向比例器，使之成為正電壓。但是仿真過程中發現信號采集并放大后馬上就影響到了信號值，于是就想到了電壓跟隨器。由虛短，虛斷可知輸出電壓=輸入電壓，可以將電壓傳輸到下一級電路中，并且很好的采集信號，而且把后部電路很好的和信

9、號源隔離，排除了后部操作對信號的影響。原理電路見圖2.2.3 電壓值表征溫度單元萬用表 電壓值表征溫度單元主要是用萬用表顯示出經放大器無損放大以后的電壓值，從而反應出當前的溫度值。由于溫度傳感器Ua741的特性是溫度每變化1攝氏度，電壓值變化10mv，而后用放大器將其放大了30倍。因此溫度值與萬用表顯示的電壓值的對應關系如下：溫度值()=萬用表顯示值(V)/0.3萬用表接在第二個電壓跟隨器的輸出端與地之間，測取電壓值，從而顯示溫度。 圖3.電壓值表征溫度原理圖2.4 電壓控制單元遲滯比較器 元器件選取： 經由反向比例器得到的輸出電壓要與設定電壓（即設定溫度對應的電壓）進行大小比較以確定以后部分

10、是制冷還是加熱，所以要用一個比較器。考慮到溫度傳感器的靈敏度，我選擇了用遲滯比較器。 由于比較器需要輸出正負電壓，所以我選擇了型號為LM339N的比較器。LM339N具有失調電壓小，差動輸入電壓范圍較大等優點。 設計的遲滯比較器如下圖： 圖4.遲滯比較器遲滯比較器的電壓傳輸特性曲線如下：5.9V-Uth+UthUo6.1VUi25V 根據圖中所示，假定設定的溫度范圍為20攝氏度，則電壓變化上下限為5.9V和6.1V，則從反相比例器輸出的電壓逐漸升高，若大于6.1V的時候，電壓向下反轉，達到閾值電壓的負值傳輸給繼電器，促使繼電器閉合開關，啟動TEC，開始制冷，直至制冷后的溫度降到低于5.9V則電

11、壓向上翻轉，達到閾值電壓的正值，另一個繼電器閉合，開始加熱。以上的工作過程形成了一個溫度的反饋系統。門限電壓的計算： UH=（Uo*R8）/（R8+R9）+（Uref*R9）/（R8+R9）=上門限電壓 UL=-（Uo*R8）/（R8+R9）+（Uref*R9）/（R8+R9）=下門限電壓根據下面穩壓管的選取，Uo=+6.2V，假設選取的上下限電壓分別為6.1V和5.9V，分別帶入上面兩個式子中聯立方程組求解可得出圖中參數的選取為： R8=10K，R9=10K的電位器若設定控制溫度為20攝氏度，則需調節10k電位計的阻值為5k，使比較電壓為6V，且需調節R9=61 R8。2.5 驅動單元繼電器

12、通過遲滯比較器和穩壓管后，輸出控制開關的電壓，這個啟動后續裝置的開關由繼電器來充當，設計中的繼電器如下圖： 圖5.控制電路原理圖 當比較器輸出-6.2V電壓時，繼電器的開關合攏，啟動制冷設備，開始制冷，直到溫度降到我們所設置的溫度下限，電壓向上翻轉，比較器輸出+6.2V的電壓，另一個繼電器的開關閉合，TEC裝置開始加熱。如此構成了一個控溫的系統。 2.6 TEC裝置 圖6.TEC實物圖Tec(Thermoelectric Cooler)即半導體致冷器。半導體致冷器是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。所謂珀爾帖效應，是指當直流電流通過兩種半導體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現象。重摻雜

13、的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導體材料，碲化鉍元件采用電串聯，并且是并行發熱。TEC包括一些P型和N型對（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個陶瓷電極之間；當有電流從TEC流過時，電流產生的熱量會從TEC的一側傳到另一側，在TEC上產生熱側和冷側，這就是TEC的加熱與致冷原理。 是致冷還是加熱，以及致冷、加熱的速率，由通過它的電流方向和大小來決定。當給TEC元件加正極性電流時，一端加熱，一端制冷。而給TEC元件加負極性的電流時，效果剛好相反，原加熱面制冷，制冷面加熱。 2.8整體電路圖 圖7.溫度控制系統整體電路圖 2. 電路仿真3.1 multisim仿真 由于multisim仿

14、真軟件中未找到TEC裝置，因此用小燈泡代替。小燈泡發光表示實際溫度低于設定值，TEC制熱；小燈泡熄滅表示實際溫度高于設定值，TEC制冷。1.設定溫度為20，輸入溫度為19（即輸入電壓為0.19V）電路仿真如下： 圖8.19時的仿真圖2.設定溫度為20，輸入溫度為20（即輸入電壓為0.2V）電路仿真如下：圖9.20時的仿真圖 3.設定溫度為20，輸入溫度為21（即輸入電壓為0.21V） 電路仿真如下： 圖10.21時的仿真圖 3.2 仿真分析 設定控制溫度為20。1、輸入溫度為19時，輸入電壓為0.19V，經反向放大后電壓應輸出-5.7V，實際輸出-5.675V，在誤差允許范圍內符合要求。輸入反

15、向比例器，反向比例器應輸出5.7V，實際輸出5.676V，在誤差允許范圍內符合要求。 輸入遲滯比較器，低于遲滯比較器的下限電壓，向上翻轉，應輸出正的閾值電壓，并經過穩壓管穩壓成+6.2V，實際輸出+6.546V，在誤差范圍內符合要求。 由于輸出+6.546V，開啟第一個繼電器，開關閉合。實際結果燈泡亮了，符合要求。2、輸入溫度為21時，輸入電壓為0.21V，經反向放大后電壓應輸出-6.2V，實際輸出-6.277V，在誤差允許范圍內符合要求。 輸入反向比例器，反向比例器應輸出6.2V，實際輸出6.278V，在誤差允許范圍內符合要求。輸入遲滯比較器，高于遲滯比較器的上限電壓，向下翻轉，應輸出負的閾

16、值電壓，并經過穩壓管穩壓成-6.2V，實際輸出-6.546V，在誤差范圍內符合要求。由于輸出-6.546V，開啟第二個繼電器，第一個繼電器開關斷開，燈泡不工作。實際結果燈泡熄滅了，符合要求。4.實物焊接正面圖：圖11.實物正面焊接圖反面圖：圖12.實物反面焊接圖5.總結及體會通過這次模擬電路的設計與制作，我掌握了電子電路的設計方法以及一些元件的使用方法，在焊接電路板過程中也掌握了如何正確焊接電路，并對課本及以前學過的知識有了一個更好的認識。電子技術綜合訓練不僅幫助我們對理論知識有了更深的理解，而且也將理論與實踐結合起來，提高了我們的動手能力。在這幾個星期中，我們為了能夠準時完成任務，付出了很大

17、的努力，經常上網或到圖書館去查找相關資料，然后做仿真，也掌握了仿真軟件的使用方法，畫圖，焊接電路。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。但是沒有考慮到溫度傳感器對溫度的敏感程度，所以整個溫度控制系統不太敏感。若換成性能更好的溫度傳感器如AD590，控溫效果會更好。仔細回想一下整個過程，感覺是受益匪淺。從原來的只會理論知識到現在可以用理論知識指導實踐做出實際的模擬電路，從中學到了很多東西。記得老師剛布置了設計題目，自己感到一無所措，不知從何下手，但是通過查找多方面的資料，終于對電路設計有了基本構思，從調試方便和成本角度出發，選擇了一個較為理

18、想的方案，然后畫出了電路圖，掌握其工作原理之后就對電路進行仿真，驗證其功能。但是有些元件在仿真軟件中找不到，只有用其他的代替，導致部分電路不能仿真出來。但是能仿真的那部分都滿足設計要求。接下來就去購買器件和焊接電路板。但是由于所購買的元件特性不理想，導致實物調試不易達到設計要求。模擬電子電路的課程設計為我們提供了一個理論與實踐相結合的平臺，使我們從掌握單純的理論知識到學會用理論知識分析解決問題，從而指導實踐。這次訓練使我們的知識更加豐富，而且開拓了我們的思維，培養了獨立實踐、創新精神。6.元件清單實驗元件型號數量TECTEC1-127061繼電器SRD-12VDC-SL-C2溫度傳感器LM351發光二極管SST-R-3528-85105-C-122比較器LM339N1穩壓管IN4735A2二極管IN40072三極管S80501S855