简易温度控制器设计.pdf

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1、 电子技术综合训练 设计报告 题目：简易温度控制器制作 姓 名：张清明 学 号：09260203 ;班 级：控制工程 基地二班 同组成员：吴舟航 指导教师：杨新华 李恒杰 日 期：2010 年 7 月 17 日 .摘要 本设计是为了做一个简易温度控制器，其可分为两大部分：测温电路，比较控制电路。测温电路将温度信号通过模拟电路转换成电压信号，采用热敏电阻根据温度的变化来引起电压的变化。比较控制电路将转换后的电压信号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这样比较器就将模拟的电压信号范围转化为只有几组1和 0 两种情况的组合，输出高或低电平通过数字逻辑确定 LED 灯显示温度状态。控制电

2、路也是将转换后的电压信号过比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较，输出高或输出高或低电平控制加热装置，从而控制温度。关键词：温度检测，信号转换，比较，显示，控制。，目录 一、设计任务和要求.错误!未定义书签。.设计内容.错误!未定义书签。.技术要求：.错误!未定义书签。二、系统设计.错误!未定义书签。.系统要求.错误!未定义书签。.设计方案.5.系统工作原理.错误!未定义书签。#三、单元电路设计.错误!未定义书签。.温度检测单元电路.7.2 温度比较控制单元电路.错误!未定义书签。.3电源单元电路.错误!未定义书签。四、系统仿真.错误!未定义书签。五、电路的安装、调试与测试.错误!未定

3、义书签。.电路安装.错误!未定义书签。.电路的调试.错误!未定义书签。）.系统功能及性能测试.错误!未定义书签。六、结论.错误!未定义书签。七、参考文献.错误!未定义书签。八、总结体会和建议.错误!未定义书签。附录 一、设计任务和要求.设计内容 设计并制作一个温度监控系统，用温度传感器检测容器内水的温度，以检测到的温度信号控制加热器的开关，将水温控制在一定的范围之内。￥.设计要求：1、当水温小于 50时，H1、H2 两个加热器同时打开，将容器内的水加热，；2、当水温大于 50，但小于 60时，H1 加热器打开，H2 加热器关闭；3、当水温大于 60时，H1、H2 两个加热器同时关闭；4、当水温

4、小于 40，或者大于 70时，用红色发光二极管发出报警信号；5、当水温在 4070之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；6、电源：220V/50HZ 的工频交流电供电。（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室稳压电源调试）7、按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim 或 OrCAD/进行必要的仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告，。发挥部分：1、提高温度采集及控制精度；2、其他恰当功能；二、系统设计;.系统要求 系统主要要求将温度信号转化为电压信号，再将其转化为控制信号，从而对外部加热电路进行控制，从而自动的调节水温，电

5、路的细节要求如下：1、当水温小于 50时，H1、H2 两个加热器同时打开，将容器内的水加热，；2、当水温大于 50，但小于 60时，H1 加热器打开，H2 加热器关闭；3、当水温大于 60时，H1、H2 两个加热器同时关闭；4、当水温小于 40，或者大于 70时，用红色发光二极管发出报警信号；5、当水温在 4070之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；.设计方案 、图 1 由上面的拓扑图可以得出本温控系统主要为三部分组成，分别是测温部分、根据所测量的温度与给定值进行比较部分，比较后的得出的信号返至加热部分，得以让加热部分调控水温，达到对水温控制的目的。同时也反应到显示部分，让其正确的表达温度的

6、状态。.系统工作原理 想要让系统正常稳定的工作，必须要有一个关于温度的准确信号值，为了使信号输出误差很小，可以选用桥式测压电路，这样可以得出稳定的与温度相对应的电压值，关于运放的的选用可以使用 l，关于比较部分先通过电源和不同阻值的电阻构成分压电路取得设定电压值，再将检测信号分别和设定信号与比较器计较得到输出高低电平，四个高低电平可以组成数字逻辑，四个数字逻辑通过不同的门电路组合便可根据设计要求来决定不同的加热器通断和红绿 led灯亮或者熄灭。同时在加热电路串入黄色二极管来指示加热器的通断。通过对电路的通盘考虑，使用 lm324比较容易实现第一部分的功能，同时根据采购的局限，正热敏电阻可以使用

7、200 欧姆滑动变阻器代替，用二极管的亮灭来表示其是否正常工作，这样安排可以节省电路板的使用空间，而且可以有效的方便的调试工作。比较部分 给定值 加热部分 水温 测 温部分 显示部分 ！$三单元电路设计 .温度检测单元电路 3.1.1 电路结构及工作原理 图 2 如上图所示桥式温度测量电路，工作原理是当铂电阻电压改变的时候会给运放部分一个电压差，这个电压差再经过以上的规律放大后可以数去一个电压信号，此电压信号是随温度变化而正比变化的，这也为后面的比较电路提供了信号源。检测元件可采用铂电阻，为设计简单选择最大阻值100 欧姆的滑动变阻器代替 pt100铂电阻。检测输出由电压跟踪比较器输出来消除负

8、载效应，以免后面的控制和执行电路的等效电阻影响输出精度，整个电路的输出电压值较低。为保证系统精度减小误差，先将信号用比较器放大后再送到比较电路与设定电压值进行比较。运放要选择输入电阻较大的运算放大器，其共模抑制比必须高一点以保证运放的精度,为了使运放两输入端平衡，两个的店主要尽量相等，K=K(U1-U2)。并且通过合理将两桥臂输出端接到合适的比较放大器的输入端可以使输出电压的值与温度即滑动变阻器的阻值成正比关系 3.1.2 电路仿真 R22kR32kR4100R55.6kR65.6kR7300kU1OPAMP_RATEDU2OPAMP_RATEDU3OPAMP_RATEDVCC5VVDD12V

9、VCCR150Key=A50%R8300kXMM1VDDVEE-12VVEE12347560R910080 图 3 上图则为在设计软件下仿真的截图，在末端可以加装电压表，调节滑动变阻器可以使输出电压改变，于是可以得出其已经具备的将温度信息转变为电压信号的能力，在阻值的选取也符合现实采购的的要求。3.1.3、元器件的选择及参数的确定 为了获得比较高的测量精度，电阻可以选用 1%的五环金属膜电阻；或者采用电位器调节得到两只匹配的 300k 电阻，尽可能实现匹配，提高电路的共模抑制比，A1 和 A2 要选择输入电阻较大的运算放大器，如 TL082，A3 要选择精度较高的，输入电阻较大，共模抑制比较高

10、的运算放大器，如 op07，lf412 等。但因市场购买限制全部使用 lm324n，仿真和运行显示满足均要求 类型:低功率 放大器数目:4 带宽:1MHz 针脚数:14 工作温度范围:-40C to+85C SVH:No SVHC(18-Jun-2010)￥封装类型:DIP -3dB 带宽增益乘积:1MHz 变化斜率:s 器件标号:324 工作温度最低:-40C 工作温度最高:85C 放大器类型:低功耗 电源电压 最大:32V 电源电压 最小:3V 芯片标号:324 表面安装器件:通孔安装 输入偏移电压最大:7mV 逻辑功能号:324 额定电源电压:+5V 控制加执行电路 321 控制加执行电

11、路仿真图 电路仿真如上图所示当温度在正常值范围内亮绿灯，在正常工作的范围外时亮红灯，加热器工作时黄灯亮，所以此方案可行 。3.2.2元件的选择及参数的确定 将温度检测电路检测上的温度信号转化放大后再引出四分路，分别加到比较器与四个设定温度对应的电压值进行比较，设定电压由电压源和不同阻值电阻构成分压电路来引出设定电压值。由比较器的四个输出端地高低电平得到组合数字逻辑，再由数字逻辑决定不同的门电路来决定各个三极管通断，再由三极管使led 灯和加热器的通断，由于发光二极管额定电压电流都很小所以前加以保护电阻限制电流和电压防止发光二极管被烧坏。在此由电源和滑动变阻器的分压电压来替代温度检测电路检测上来

12、的温度电压信号。比较器由市场购买 lm339j，非 、；（.！!；&门用 74ls04p，与门选用 hd74ls32p。为保证 lm339j 正常工作其输出级需要加一上拉电阻。阻值不同将影响输出高电平的大小。这里我们接上 2k 欧姆的电阻。LM339、LM339 LM339 电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见 LM339 引脚图的集成电路。利用 lm339 可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。【目录 应用范围:LM339 的特点和一些参数 1）电压失调小，一般是 2mV；LM339 2）共模范围非常大，为 0v 到电源电压减；：3）他对比较信号源的内阻限制很宽；4）

13、LM339 vcc 电压范围宽，单电源为 2-36V，双电源电压为1V-18V；5）输出端电位可灵活方便地选用。6）差动输入电压范围很大，甚至能等于 vcc；、电压比较器 LM339 简介:LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为 2mV；2）电源电压范围宽，单电源为 2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为 0（）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339 集成块采用 C-14 型封装，外型及管脚排列如图。由于 LM339 使用灵活，应

14、用广泛，所以世界上各大 IC 生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如 IR2339、ANI339、SF339 等，它们的参数基本一致，可互换使用。LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别

15、大于 10mV 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。、完整电路 3.3.1电路仿真 ，、-。￥:电路仿真显示可以正常工作当调节100欧姆的滑动变阻器由0逐渐变大可以看到灯按照设计逻辑依次开通和关断。故逻辑功能正常 此电路用到正负 12 伏特和一

16、个正 5 伏特的电源再加一个接地端，由检测可知当温度为 40 度时对应伏特的电压，50 对应，60 对应，70 对应，检测的电路的电压信号与比较设定电路的值比较后驱动不同门电路再驱动 led 灯工作，仿真显示当替代温敏电阻的滑动变阻器阻值改变时 led 灯按照设计逻辑正常运行。.电源单元电路 U1LM7812CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU2MC7805BTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU3LM7912CTLINEVREGCOMMONVOLTAGED11N4933C14700FD21N4933D31N4933D41N4933V1220 Vrms 50 Hz 0 C2

17、0.1FC3220FC4220FC50.1FC60.1FC70.1FC84700FC10220FC110.1FT3TS_AUDIO_100_TO_1 图 8 图 8 为电源电路，这个单元电路可以将 220v 的交流电变为 5v,12v,-12v的直流电，为了给后面的电路提供稳定的工作电压，并联的电阻可以滤波，防止杂波对电路的干扰。/五、电路的安装、调试与测试 51 电路安装 电路是通过使用焊锡将器件连接在试验板上，对于 74lm324 和 74LM339 不用使用单个的比较运算放大器，可以选用集成块将其集成，购买的集成块里都集成了四个功能单元，虽然节省了集成块简化了电路板结构，但集成块周围的线

18、路密度变得很大。所以在焊接时注意规划，焊接前先规划好模块电阻和连接的排列。焊接时注意安全，锡焊不要太多或者太少，要先预热电路板防止虚焊或者不美观，焊接时要焊接测试交替进行。电路安装的时候首先要注意安全，要防止电烙铁把自己和他人烫伤，还要防止将电源线的绝缘皮损坏。器件要焊接的在有金属一面，有利于器件的正常导通，安装时部局要合理，根据三个单元讲电路板划分为三个部分，方便一一焊接，检查。、电路的调试 此电路是由电子技术中的模电部分制作而成，由于共模抑制比难以稳定，想要得到精确的值需要大量的调试，调试可以分步进行，首先可以调试温度检测电路，调节电位器，测量 Uo 的电压是否符合计算值，如果出现了过大或

19、者过小的情况，则应该检测焊接中是否出现短路或者断路，排除问题后再进行下一部分调试。调试时出现逻辑混乱应检查集成块输入和输出端地电压值，防止集成块里模块出现问题。并且及时更换新的集成块。Led 灯不亮应检查灯是否完好。各线路间是否出现短路短路。在调试中要注意电源的接法，在检测部分应该注意应加装上拉电阻否则三极管基极会承受巨大的电压会导致三极管发热甚至烧坏。系统功能及性能测试 5.3.1 测试方法设计 测试时首先要确保没有短路断路现象发生，且各器件都可以正常工作，检测的步骤如下，首先要将调控电路和显示电路的电位器调到需要的百分比，分别是%40、%70、%50、%60，通电源后可用万用表测量将其电压

20、调为设计所需要的数值。然后调试前面桥型电路中的电位器，用它来代替热敏电阻，根据电压的变化来代表温度变化引起的电压变化。5.3.2、测试结果及分析 在第一次的测试中结果加热器逻辑正常但红灯一直亮绿灯一直不亮，我们将滑动变阻器电阻值调至任意一正常工作时的阻值，再用万用表依次检查各集成块的输入输出端地电压值，发现时 lm339 的一输出端始终无电压，我们换掉一个lm339 后逻辑功能正常且红绿灯也正常指示电路的工作。后来当给电路通电时用万用表测量电压采集部分输出的电压 Uo 为，发现显示电路绿灯亮起，加热电路只有一个灯亮起，这符合设计要求，当电位器器为 21 欧姆时相当于水温为 57摄氏度左右，57

21、 度小于 60 度大于 50 度，因此加热部分只有一个发光二极管工作，代表只有一个加热部分加热。实验结果与设计结果完全符合,在红绿灯转换时红灯有时不能完全关闭，这是由于限流电阻稍小和上拉电压为 15v 的缘故，可以通过增大限流电阻和降低限流电压来达到。、六、结论 综合训练要求设计一个简易温度控制电路,能够采集温度信号,并将所采集到的温度信号处理成电压信号，两个指示灯相应于相应情况时各自发光,表示所在电路工作在相应的过程中。红色发光二极管放光表示温度低于温度最小值 40度的工作状态，此时两个电阻丝工作进行加热指示黄灯亮；或温度高于最大值70 度时的工作状态，此时两个加热器都不工作。绿色发光二极管

22、发光表示温度在最大值与最小值之间的工作状态，此时启动导致相应的元件进行工作。所以该电路已基本达到任务要求及性能指标。1、当水温小于 40C,或者大于 70C 时，根据 R0=100 欧姆+欧姆 t/C，就等于电压小于或电压大于.此时红色发光二极管发出警报信号；2、当水温 40C 到 70C 时同理上式，即电压在到时，此时绿色发光二极管指示水温正常；3、当水温大于 50C,但小于 60C 时，即电压在到时，H1 加热器打开，H2 加热器关闭（此电路图中用发光二极管代替）；4、当水温小于 50C，即电压在到时，两个加热器同时打开，将容器内的水加热。该电路已基本达到任务要求及性能指标。七、参考文献

23、1康华光 电子技术基础-模拟部分M 北京：高等教育出版社，2000，7 2童诗白 模拟电子技术基础M 北京：高等教育出版社，2000，10 3成 立 数字电子技术M北京：机械工业出版社，2004，1 4阎 石 数字电子技术M 北京：高等教育出版社，2000，5 5毕满清 电子技术实验与课程设计（第三版）M北京：机械工业出版社，2005，7 6谢自美 电子线路设计实验测试（第 4 版）M北京：高等教育出版社，2000，3 7孙肖子 邓建国 陈 男 电子设计指南 M 北京：高等教育出版社，2006，10 8赵曙光 可编程器件原理、开发及应用M 西安：西安电子科技大学出版社，2002,2 9潘 松

24、黄继业 EDA 技术实用教程（第二版）M 北京：科学出版社，2006，6 八、总结体会和建议 通过这三周的电子技术综合训练我学到了很多，这阶段我查过很多资料，查阅到很多关于集成直流稳压电源的电路的知识。以前对课程设计只停留在理论的基础上，通过此次课设感受理论与实际的差别，看着很简单，但在实际操作的过程中会遇到很多的问题。以前虽然也接触过 Multisim 不过时间久了有些淡忘，但经过这次课程设计使我又一次复习并继续学习了这种软件的使用，相信这次的学习一定会让我受益匪浅。综合训练的时间虽然不算长，但过程是最重要的。首先，我们需要考虑如何去设计一个合理的方案，通过我们查询资料，请教老师，我们学会了

25、如何去独立思考一个问题。后来调试及设计的过程我加深了对所学的这部分内容的理解，理解了各部分的具体作用，最终调试出了符合设计要求的电路。我觉得电路是否成功这个结果并不是最重要的，重要的是学习的过程，在这个过程中我锻炼了自学能力并培养了坚持的信念。非常感谢这次的课设，在此向我的指导教师致以深深的谢意，感谢老师的耐心指导。在课程设计的过程中也看到了我自身的不足，如原理知识掌握不实，曾经学过的知识如今却不会应用，希望日后学校能够为我们创造更多这样自己动手实践的课程，提供给我们更多的锻炼机会来培养实践能力，对我们今后的发展，将产生很大的影响。附录 100电阻 1 个 360电阻 4 个 2K电阻 3 个 3K电阻 5 个 4K电阻 1 个 5K电阻 3 个 6K电阻 2 个 300K电阻 2 个 200滑动变阻器 1 个 比较器 LM339 1 个 放大器 TL082 1 个 与门74LS08 1个 或门hd74ls32p 1个 红、绿发光二极管 各 1 个 黄灯 2 个