温度控制电路.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流温度控制电路.精品文档.电子技术课程设计报告学 院： 电气与电子工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 林喜荣 完成时间： 2013.12 .23 成 绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 温度控制电路设计报告一. 设计要求设计一温度控制电路,用电阻模拟温度传感器,用不同颜色的LED灯的亮灭对应不同温度。,（1）用电阻模拟温度传感器,。通过调节电位器来调节电压，与串联分压电路的电压进行比较。（2）要有一个放大电路，调节电压与串联分压的结果通过放大电路来输出。上级的输出通过开环电压比较器，来决定开环电压比较器输出高低电平。（3）调节电位器，观

2、察红绿发光二极管交替点亮，通过搭建的电路图分析工作原理，验证实验是否正确，测试各电路功能。不同颜色的发光二极管灯的亮灭对应不同温度。（4）. 在实验前，通过电脑软件进行仿真，确认实验通过测试，才可以进行实际实验；二. 设计的作用、目的作用：简易温度控制器是采用热敏电阻作为温度传感器,由于温度的变化而引起电压的变化，再利用比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较，输出高或低电平从而对控制对象即加热器进行控制。其电路可分为三大部分：测温电路，比较/显示电路 ，控制电路。目的：本次课程设计是对于我们所学的传感器原理知识所进行的一次实际运用，通过自主的课程设计和实际操作，可增加我们自身的动手能力

3、。特别是对温度传感这方面的知识有了实质性的了解，对进一步学习传感器课程起到很大的作用。目的：1，巩固加深对数字电子技术基础知识的理解，提高综合运用所学知识的能力。 2，通过查找资料、定方案、设计电路、仿真和调试、等环节的训练，培养我们独立分析问题、解决问题的能力。 3熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理。4培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。三. 设计的具体实现1 系统概述温度控制电路要求电路对系统的温度变化有着灵敏的反应，将温度信号转化为电信号，需要在温度的变化超过一定界限时进行报警。因此可知此电路应包含温度传感电路、电信号处理电路、温度控制报警电路。本系统由温度传

4、感器电路即热敏电阻，电信号处理比较电路即电压比较器LM324D及附加电阻，温度控制报警电路即三极管2SC1815及红绿LED发光二极管各一盏。其温度传感控制系统如下图：环境温度温度传感器信号处理报警控制 温度控制电路框图 这样设计的系统结构简单易于搭建和仿真，可行性更高。所采用的元件都是常见方便使用的，因此更适合实验使用。通过主要执行的功能不同可以分为三个功能块，分别是温度传感、信号处理和报警控制。温度传感部分使用最为常见的热敏电阻，其阻值近似随着环境温度的变化而线性变化。在实验过程中可以使用滑动变阻器来代替热敏电阻。这样在实验过程中更易于操作电阻的变化和电压比较器输出的信号。从而控制LED发

5、光二极管的交替发亮。温度控制电路在工作过程中，在环境温度高于设定的温度时，热敏电阻将温度信号转换为电信号，触发电压比较器，使比较器输出高电平，三极管导通，短路绿色LED发光二极管，导通红色LED发光二极管。当温度低于设定温度时，热敏电阻将温度信号转换为电信号，该电压信号低于设定的电压，电压比较器输出低电平，三极管不导通，绿色LED发光二极管导通发亮，红色LED发光二极管截止。2单元电路设计(或仿真)与分析 温度控制电路分为三个单元，分别是温度传感单元、信号处理单元和温度控制报警单元，下面详细分析各个单元电路器件的选择、设计和工作原理的分析、仿真，包括有关参数的计算及元器件参数的选择。(1).温

6、度传感单元此单元主要由温度传感器构成。在温度传感器的选择上，常有两种方案。一是选用阻值随温度变化的热敏电阻，二是选用数字集成芯片如LM35。正温度系数热敏电阻器也称PTC型热敏电阻器，属于直热式热敏电阻器，其主要特性是电阻值与温度变化成正比例关系，即当温度升高时，电阻随之增大。LM35是美国国家半导体公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度成线性关系。因而，从使用角度来说，LM35与开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之粗，LM35无需外部校准或微调，可以提供常用的室温精度。为了实验和设计的方便，在温度传感器的选择上，本次设

7、计采用热敏电阻器。在仿真模拟电路和实验搭建电路的过程中，由于直接控制温度变化而使热敏电阻发生变化较为困难，因此采用阻值可以线性变化的滑动变阻器来近似代替热敏电阻，二者在输出电阻方面性质方面几乎一致，采用滑动变阻器可以使实验过程更为方便，误差和变化更小。温度传感单元需要将温度信号转换为电压信号，在热敏电阻即滑动变阻器一侧串联一电阻，并接入直流稳压电源，则可以通过串联分压将电阻信号转换为电压信号。如图所示：定值电阻阻值可以选择R3=2千欧，滑动变阻器选择R1=5千欧。(2).信号处理单元此单元主要由同相比例放大器和附加电阻构成。通过电阻串联分压，滑动变阻器一端输出微小的电压信号，而这样微小的电压信

8、号是不足以点亮LED发光二极管的，因此要在它的输出端接入同相比例放大器。经过放大的电压信号输入电压比较器，与设定的电压对比而产生高低电平来控制三极管的导通。其电路如图所示：为了获得更大的放大系数，取R5=R6=2k，R9=R13=10k。(3).温度控制报警单元虽然传感器的输出信号经过放大器进行了放大，但如果直接点亮二极管就无法起到对设定的上限温度或设定的下限温度进行判断的作用，从而分别点亮不同颜色的二极管。在此，可以选择电压比较器来对输出电压和某特定电压进行比较，这个比较电压可以根据电阻分压电路的输出电压和温度特性，以及放大后的信号和电阻分压电路的输出信号的关系得出，进而起到设定的上限温度或

9、下限温度的作用。放大器输出的电压信号与比较器另一端输入的电压信号进行比较，分别输出高电平与低电平。当输入电压大于设定电压时，输出高电平，LED2被点亮，三极管导通，使得LED1被短路，因而不亮。当输入电压小于设定电压时，输出低电平，LED2被截止，不能被点亮，三极管同样截止，相当于断路，因而LED1导通。当输入电压等于设定电压时，电压比较器输出为零，此时三极管导通，LED1被截止，不亮；LED2所在电路电流不足以使LED2导通，同样发光二极管LED2也不回被点亮。 具体的温度控制报警单元电路图如下图所示在参数的选择上，为了使输出高电平时三极管不被烧坏，应串联较大电阻，取R10=R8=10 k

10、R7=2k。为了使LED发光二极管不被烧坏，应在每个发光二极管一侧串联R11=R12=200 电压比较器使用LM324D，每个芯片内集成四个电压比较器。使用其中一个串联电阻组成信号处理单元的电压比较器，另一个作为温度控制报警电路中的电压比较器。三极管采用2SC1815，采用TO-92 封装方式。 总电路图如下3电路的安装与调试指导教师所给元件：序号名称型号数量备注1LM324D22电阻42k电阻10k电阻22003三极管2SC181514电位器15电源1+5V6彩灯2温度控制电路主要由以上器件LM324D运放，三极管，电阻，电位器，继电器等组成.温度控制电路的安装过程如下：（1） 把所需元器件

11、找齐全 ，准备好面包板。（2） 用万能表测试各个电阻阻值，把电阻分类放好。（3） 按照仿真电路图连接好各个器件。在调试时遇到的主要问题及原因：在实验的过程中，主要面因为临初次使用无焊面包板而对电路连接不熟悉。在连接电路过程中，对LM324D的每个引脚所代表的功能不熟悉造成我们在连接过程当中接触不良，管脚连接出错，出现二极管不亮，通过仔细检查电路纠正了错误，再次来回旋转电位器旋钮，可以观察到两盏二极管灯交替点亮。电路连接好之后，应该会在电位器旋转在一个特定角度时，两盏二极管灯发生亮与灭的交换变化。此时说明电路连接没有失误，工作正常。电位器是在近似代替热敏电阻，电位器的旋转代表着着外界环境温度变化

12、导致热敏电阻阻值发生变化。环境温度大于设定温度时，热敏电阻分到的电压经放大器放大后大于设定的电压，红色二极管灯点亮，绿色二极管灯熄灭。当温度小于设定温度时，热敏电阻分到的电压经放大器放大后小于设定的电压，红色二极管灯熄灭，绿色二极管灯点亮。由此可知温度控制电路的工作原理以及工作性能的测试方法。四.心得体会、存在问题和进一步的改进意见等 这次课程设计给我的第一感觉就是繁杂，因为第一次进行这种工作量很大的工作，但仔细回顾设计的过程，收获颇多。 通过这次实验提高了我们连接电路的实际动手能力。对每个芯片与器件的功能更加了解，在连接的过程中可以知道在实际焊接电路中可能会遇见的问题。因此在理论学习过程中安

13、排实践是非常有必要而且有意义的，可以在实践过程中提高动手能力，提高在实际生活中理论应用的能力，可以发现自己理论和实践的不足之处，然后可以进一步改进。本次设计是通过上网查阅资料，参考所学书本内容，独立思考设计完成的。虽然在设计的过程中遇到不少的困难和困惑，如原理图太过复杂而不知道该怎么画，电路图的数量太多，不知道某个物理量如何求得以及设计书的文本格式要求复杂等等，但是这些都没有阻挡我完成设计的脚步。相反，通过这次设计，让我对电子技术的相关知识进行了复习巩固，加深了对word、wps和multisim等软件的了解和运用，真正做到了学以致用。除此之外，本次设计还培养了我的耐心，独立思考能力，知识的运

14、用能力以及认真仔细的做事态度。五附录。 三极管三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管,晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号， 也用作无触点开关。1三极管的发明1947年12月23日，美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，3位科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士在紧张而又有条不紊地做着实验。他们在导体电路中正在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的，

15、而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响，所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。另外这3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。2工作原理晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代

16、一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这

17、样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：1=

18、Ic/Ib式中：1-称为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为：= Ic/Ib式中-称为交流电流放大倍数，由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。3.三极管放大时管子内部的工作原理1) 发射区向基区发射电子电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流

19、，因此可以认为发射结主要是电子流。2) 基区中电子的扩散与复合电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。 （3) 集电区收集电子由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对

20、温度却异常敏感。3.三极管的分类:a.按材质分: 硅管、锗管b.按结构分: NPN 、 PNP。c.按功能分: 开关管、功率管、达林顿管、光敏管等. 贴片三极管d. 按功率分：小功率管、中功率管、大功率管e.按工作频率分：低频管、高频管、超频管f.按结构工艺分：合金管、平面管g.按安装方式:插件三极管、贴片三极管 插件三极管4.晶体三极管的三种工作状态截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通

21、电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数=Ic/Ib，这时三极管处放大状态。饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。根据三极管工作时各个电极的电位高低，就能判别三极管的工作状态，因此，电子维修人员在维修过程中，经常要拿多用电表测量三极

22、管各脚的电压，从而判别三极管的工作情况和工作状态。5.三极管的基本放大电路基本放大电路是放大电路中最基本的结构，是构成复杂放大电路的基本单元。它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性，或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性，实现信号的放大。本章基本放大电路的知识是进一步学习电子技术的重要基础。基本放大电路一般是指由一个三极管或场效应管组成的放大电路。从电路的角度来看，可以将基本放大电路看成一个双端口网络。放大的作用体现在如下方面：1) 放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号，输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。2) 输出信号的能量

23、实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。共射组态基本放大电路的组成共射组态基本放大电路是输入信号加在加在基极和发射极之间，耦合电容器C1和Ce视为对交流信号短路。输出信号从集电极对地取出，经耦合电容器C2隔除直流量，仅将交流信号加到负载电阻RL之上。放大电路的共射组态实际上是指放大电路中的三极管是共射组态。在输入信号为零时，直流电源通过各偏置电阻为三极管提供直流的基极电流和直流集电极电流，并在三极管的三个极间形成一定的直流电压。由于耦合电容的隔直流作用，直流电压无法到达放大电路的输入端和输出端。当输入交流信号通过耦合电容C1和Ce加在三极管的发射结上时，

24、发射结上的电压变成交、直流的叠加。放大电路中信号的情况比较复杂，各信号的符号规定如下：由于三极管的电流放大作用，ic要比ib大几十倍，一般来说，只要电路参数设置合适，输出电压可以比输入电压高许多倍。uCE中的交流量 有一部分经过耦合电容到达负载电阻，形成输出电压。完成电路的放大作用。由此可见，放大电路中三极管集电极的直流信号不随输入信号而改变，而交流信号随输入信号发生变化。在放大过程中，集电极交流信号是叠加在直流信号上的，经过耦合电容，从输出端提取的只是交流信号。因此，在分析放大电路时，可以采用将交、直流信号分开的办法，可以分成直流通路和交流通路来分析。4. 放大电路的组成原则：1) 保证放大

25、电路的核心器件三极管工作在放大状态，即有合适的偏置。也就是说发射结正偏，集电结反偏。2) 输入回路的设置应当使输入信号耦合到三极管的输入电极，形成变化的基极电流，从而产生三极管的电流控制关系，变成集电极电流的变化。3) 输出回路的设置应该保证将三极管放大以后的电流信号转变成负载需要的电量形式（输出电压或输出电流）。本实验用到的2SC1815三极管2SC1815，采用TO-92 封装方式。晶体管极性:NPN电压, Vceo:50V截止频率 ft, 典型值:80MHz功耗, Pd:400mW集电极直流电流:0.15A直流电流增益 hFE:120封装类型:TO-92针脚数:3功耗:400mW封装类型

26、:TO-92总功率, Ptot:400mW晶体管数:1晶体管类型:通用小信号最大连续电流, Ic:0.15A最小增益带宽 ft:80MHz电压, Vcbo:60V电流, Ic hFE:2mA电流, Ic 最大:0.15A直流电流增益 hfe, 最小值:70表面安装器件:通孔安装针脚配置:a饱和电压, Vce sat 最大:0.25VLM324D芯片家用型低功耗集成四运放LM324。 LM324内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用 (330 V)，也可接双电源使用(1.515 V)，驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。主要参数通道数:4 关断功能:No 工作电压Max.

27、(V):32 工作电压Min. (V):3 每通道IQ(典型值)(mA):0.300 带宽GBW(典型值)(MHz):1.200 转换速率(典型值)(V/us):0.500 输入失调电压(25)(Max.)(mV):7 失调漂移(典型值)(uV/): 输入偏置电流(Max.)(pA):-250000 共模抑制比(Min.)(dB):65 噪声电压(典型值):35 单电源供电:Yes 满幅:No 封装/温度():SOIC-14/070 电压范围是3.0V-32V或+16V LM324的特点1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA（LM324A） 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能六参考文献（三号宋体） 1 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001年 2 许晓华等 multisim 10计算机仿真及应用 清华大学出版社 2011年 3康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，1999年 4金唯香等编.电子测试技术.长沙：湖南大学出版社，2004年 5罗杰等编.电子技术基础试验.北京：高等教育出版社，2008年