1、模電課程設(shè)計(jì)-溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：工作單位：題目：溫度控制的設(shè)計(jì)初始條件：電阻、二極管、正負(fù)12V電源、UA741、電位器、LED、半導(dǎo)體制冷片，溫度傳感器LM35、開(kāi)關(guān)要求完成的主要任務(wù):(包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求)一、設(shè)計(jì)任務(wù)利用溫度傳感器件、集成運(yùn)算放大器和Tec(ThermoelectrieCooler，即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器。二、要求控制密閉容器內(nèi)空氣溫度容器容積5cm*5cm*5cm測(cè)溫和控溫范圍：0C室溫控溫精度土1C三、發(fā)揮部分測(cè)溫和控溫范圍：0C(室溫+10C)時(shí)間安排：時(shí)間安排：(1)第

2、18周理論講解。第19周理論設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試。地點(diǎn)：鑒主13樓通信工程綜合實(shí)驗(yàn)室、鑒主15樓通信工程實(shí)驗(yàn)室(1)指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任(或責(zé)任教師)簽名模電課程設(shè)計(jì)-溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模電課程設(shè)計(jì)-溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark22 摘要IAbstractII HYPERLINK l bookmark24 1緒論1 HYPERLINK l bookmark28 2設(shè)計(jì)任務(wù)及要求22.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2 HYPERLINK l bookmark36 2.2設(shè)計(jì)思想2 HYPERLINK l bookmark38 3選定方案的

3、論證及整體電路的工作原理3 HYPERLINK l bookmark40 設(shè)計(jì)方案選擇3 HYPERLINK l bookmark42 3.1.1可行方案3 HYPERLINK l bookmark50 方案討論和選擇4選定方案的論證53.2.1選定溫度傳感器的論證53.2.2選定繼電器的論證53.2.3選定運(yùn)算放大器的論證5 HYPERLINK l bookmark52 整體電路的工作原理6 HYPERLINK l bookmark54 4單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、元器件選擇及電路圖7測(cè)溫單元7信號(hào)處理單元8溫度顯示單元9控制單元10 HYPERLINK l bookmark56 5整體電路圖、元

4、件及器件明細(xì)12整體電路圖12實(shí)物圖展示13元件及器件明細(xì)15 HYPERLINK l bookmark58 6設(shè)計(jì)小結(jié)16成果的評(píng)價(jià)16本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)16存在的問(wèn)題和改進(jìn)的意義16參考文獻(xiàn)17摘要控制系統(tǒng)一般由溫度測(cè)量部分和溫度控制部分組成。溫度測(cè)量部分主要用來(lái)接收當(dāng)前系統(tǒng)中的溫度，然后發(fā)送到控制部分；溫度控制系統(tǒng)主要是用來(lái)控制外部降溫系統(tǒng)的，它接受來(lái)自溫度測(cè)量部分的信號(hào)，然后與所要控制的溫度信號(hào)進(jìn)行比較，從而決定是否降溫。本設(shè)計(jì)同樣采用這兩大部分，通過(guò)對(duì)當(dāng)前與控制溫度的對(duì)比決定是否進(jìn)行加熱，從而達(dá)到控制溫度的目的。關(guān)鍵詞：溫度；測(cè)量；控制。AbstractGeneralsystemforte

5、mperatureismadeofthepartofmeasuringtemperatureandthepartofcontrolingtemperature.Thepartofmeasuringistoreceivethesignalofcurrenttemperature.Andthen,itwilltransforthissignaltothepartofcontroling,whichistocontorlifitshouldbeheateduporcooled.Thepartofcontrolingcompareittothecontroledtemperatureafterrece

6、ivingthesignalfromtheforward.Then,itisgoingtodetermineisthesystemneedtobeheateduporcooled.Thisdesignforwatertemperatureisalsomadeoftheseparts.Thissystemcontrolthetemperatureofwaterbycomparingtemperaturetotemperaturetocontroltodecideiftoheatup.Sothatwecangetthedestinationofcontrolingtemperature.Keywo

7、rds:temperature;measure;control1緒論冬暖夏涼是人們對(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)。溫度控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)，生活?yuàn)蕵?lè)，儀器運(yùn)行等很多方面都有著廣泛的應(yīng)用。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

8、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。模電課程設(shè)計(jì)-溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)及要求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)要求一、設(shè)計(jì)任務(wù)利用溫度傳感器件、集成運(yùn)算放大器和Tec(ThermoelectrieCooler,即半導(dǎo)體致冷器)等設(shè)計(jì)一個(gè)溫度控制器。二、要求(1)控制密閉容器內(nèi)空氣溫度容器容積5cm*5cm*5cm測(cè)溫和控溫范圍：0C室溫控溫精度土1C三、發(fā)揮部分(1)測(cè)溫和控溫范圍：0C(室溫+10C)2.2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

9、,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,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。模電課程設(shè)計(jì)-溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選定方案的論證及整體電路的工作原理設(shè)計(jì)方案選擇可行方案：方案一：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

10、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。方案二：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。模電課程

11、設(shè)計(jì)-溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模電課程設(shè)計(jì)-溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的討論與選擇：方案一可行，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。方案二可行，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

12、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0到室溫的溫度，精度要達(dá)到lc。也就是說(shuō)基本要求為傳感器可以測(cè)量0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。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

13、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。選定運(yùn)算放大器的論證本設(shè)計(jì)對(duì)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)溫比較控溫如圖3.1所示圖3.3.1模塊框圖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

14、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。單元電路的設(shè)計(jì)計(jì)算、元器件選擇及電路圖測(cè)溫單元圖4.1.1測(cè)溫單元電路圖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。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)

15、。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Omv。經(jīng)下面計(jì)算：xA0V12V012V0VAV即0Av40得Vmax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R0=250。滿量程為V0=0.25V所以若使其測(cè)量1

16、0V電壓，串聯(lián)電阻R1需要滿足：R+R=VgR0Vo帶入數(shù)據(jù)可算出R1=10k若使其測(cè)量5V電壓，串聯(lián)電阻R2需要滿足：R2+R0=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。4.4控制單元控制單元的作用是通過(guò)接收來(lái)自傳感器處理后的信號(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，所以，電壓會(huì)變成負(fù)電壓。因此控制電路處

17、的比較基準(zhǔn)電壓應(yīng)該從負(fù)電源中索取。電位器選擇計(jì)算：為了使電位器在阻值最小的時(shí)候電路中電流在1.5mA以下,選擇固定電阻R為2k。雖然控制溫度需要達(dá)到30攝氏度，但是為了適應(yīng)實(shí)際，同時(shí)以防被毀，控制電壓設(shè)置最大為50攝氏度。Vo=500mVX30=15V因此電位器選擇10k為宜。具體電路圖如圖4.4.1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

18、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。AT二Jk11FCzL?C5DI(2EE衛(wèi)nKMIKZLXH-I豚V;1DUIEIJVr-2知2廠XJLJL1F圖4.4.2繼電器使用電路圖整體電路圖、元件及器件明細(xì)整體電路圖一:xTT-電路如圖5.1.1一:xTT-電路如圖5.1.1所示L=Z圖5.1.1水溫控制系統(tǒng)整體電路圖5.2實(shí)物圖展示圖6.2.1主模塊實(shí)物圖（正面）圖6.2.2實(shí)物演示圖（反面）圖6.2.3電路板測(cè)試圖元件及器件明細(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)LM3

19、51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)，10k單刀雙擲開(kāi)關(guān)1個(gè)普通開(kāi)關(guān)2個(gè)表頭1個(gè)，0.25V,250歐姆電阻(10kQ,100kQ,5kQ,1kQ,2kQ)若干，有的需要串并聯(lián)得到設(shè)計(jì)小結(jié)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。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