电子温度控制器

辽 宁 工 业 大 学 模拟电子技术基础  课程（） 题目：电子温度控制器 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级：                  学    号：                  学生姓名：                  指导教师：                  （签字） 起止时间：2013.7.1—2013.7.12 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院                       教研室：电子信息与工程 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计题目 电子温度控制器设计 课程设计（论文）任务 设计任务： 1. 现设计并制作能高精度电子温度控制器。 2. 设计电路所需的直流稳压电源。 3. 工作温度范围：25C—+80C 4. 精度 设计要求： 1 .设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 指导教师评语及成绩 平时：      论文质量：      答辩：      总成绩：                      指导教师签字：                                                      年    月    日 注：成绩：平时20%  论文质量60%  答辩20%  以百分制计算 摘 要 随着科学技术的发展，温度控制系统在工业生产，生活娱乐，仪器运行等很多方面都有着广泛的应用。一些工业上的自动化设备需要将温度控制在一定范围内，才能保证所制造的产品的质量。电子温度控制系统一般由温度测量部分、温度控制部分和直流稳压电源部分组成。温度测量部分主要用来接收当前系统中的温度，然后通过差动放大电路将热敏电阻的电压信号发送到温度控制部分，本设计采用MF58热敏电阻；温度控制系统主要是用来控制外部调温系统的，它接收来自温度测量部分的信号，然后与所要控制的温度信号进行比较，从而决定是否加热升温或冷却降温；直流稳压电源部分主要是用来给电子温度控制器供电，一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路构成，而我选择使用三端集成稳压器LM78××电路。差动放大电路和滞回比较器部分电路采用集成uA741运算放大器，而温度控制我们通过控制继电器来控制加热或散热。 关键词：温度；放大；电源；继电器 目 录 第1章 绪论    1 1.1 温度控制系统概况    1 1.2 本文研究内容    1 第2章 电子温度控制器硬件设计    2 2.1 电子温度控制器总体    2 2.2 温度监测及控制电路核心模块设计    2 2.2.1 测温电桥电路设计    2 2.2.2 差动放大电路设计    3 2.2.3 多级调温电路设计    4 2.2.4 滞回比较器电路设计    5 2.2.5 三极管及外围控制电路设计    6 2.3 直流稳压电源设计    7 第3章 电子温度控制器软件设计    8 3.1 软件实现功能综述    8 3.2 流程图设计    9 3.2.1 主程序流程图设计    9 3.2.2 模拟量检测流程图设计    9 第4章 系统设计与分析    10 4.1 系统原理图    10 4.2 系统原理综述    11 第5章 课程设计总结    12 参考文献    13 附录I 总体电路图    14 附录II 元器件清单    15 第1章 绪论 温度控制系统概况 在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制，温度在工业中扮演着非常重要的角色。温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，常用的控制电路根据应用场合所要求的性能指标也就有所不同。     温度控制系统是比较常见和典型的过程控制系统。温度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。 本文研究内容 电子温度控制器主要是通过温度传感器将温度信号变成电压信号，再通过控制电路进行加热或降温。根据实验任务要求，对控制电路部分可以采用多种方案：如模拟电路控制或单片机控制等多种方案。 设计任务： 1. 现设计并制作能高精度电子温度控制器。 2. 设计电路所需的直流稳压电源。 3. 工作温度范围：25C—+80C 4. 精度 设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 第2章 电子温度控制器硬件设计 电子温度控制器总体设计方案 总体方案框图如图2.1所示。 电压差值信号 多个电阻档位调压 单个滞回比较器 差动放大电路                       图2.1 总体方案框图 该方案也是通过热敏电阻或者铂金电阻将温度信号进行采集，然后将温度的电压信号进行差动放大，再经过滞回比较器进行比较，其次再利用滞回比较器产生的信号控制三极管的导通与截止，最后通过三极管的导通与截止控制继电器或者外围加热或降温措施。而比较的参考电压是通过多档位电阻分压。 温度监测及控制电路核心模块设计 测温电桥电路设计 图2.2 测温电桥电路图 如图2.2所示，由R1、R2、R3、RV2及RT组成测温电桥，其中RT是温度传感器。其呈现出的阻值与温度呈线性变化关系且具有负温度系数，而温度又与流过它的工作电流有关。为了稳定Rt的工作电流，以达到稳定其温度系数的目的，电路中设置了稳压管D1。RV2可决定测温电桥的平衡。 热敏电阻RT采用负温度系数的热敏电阻(NTC)。负温度系数的热敏电阻又分为普通型、稳压用、温度检测用、温度控制用等多类，根据设计要求需要检测温度，因此采用温度检测型NTC热敏电阻。又根据温度检测范围需要在25℃-80℃，所以采用MF58热敏电阻。 差动放大电路设计 图2.3 差动放大电路图 差动放大电路如图2.3所示。由A1及外围电路组成的差动放大电路，将测温电桥输出电压ΔU按比例放大。其输出电压 当，时 其中RW3用于差动放大器调零。差动放大电路的输出电压仅取决于2个输入电压之差和外部电阻的比值。差动放大电路输出电压随温度变化如表2.1所示。 表2.1差动放大电路输出电压随温度变化 温度/℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 电阻/KΩ 1.00 0.83 0.69 0.57 0.48 0.41 0.34 0.29 0.25 0.22 0.19 0.16 /mV 0 20 36 51 61 70 78 84 89 92 96 100 /V 0 2 3.6 5.1 6.1 7.0 7.8 8.4 8.9 9.2 9.6 10.0 多级调温电路设计 图2.4多级调温电路图 多级调温电路是通过改变与差动放大电路放大的温度电压信号相比较的电压信号，从而改变滞回电路输入的差模信号。如图2.4所示，该电路主要是通过电阻进行分压调节。为了可以进行多档位调节，我们选择了拨码开关当作开关来使用，进行电阻变换。即从左向右依次对应25℃—30℃, 30℃—35℃,35℃—40℃, 40℃—45℃, 45℃—50℃, 50℃—55℃, 55℃—60℃, 60℃—65℃, 65℃—70℃, 70℃—75℃, 75℃—80℃,共11个档位。调节电位器RV1即可在该档位内进行调节。 滞回比较器电路设计 图2.5 滞回比较器电路图 差动放大器的输出电压UO1输入由A2组成的滞回比较器。设比较器输出高电平为，输出低电平为，参考电压UR加在反相输入端。 当输出为高电平时，运算放大器同相输入端电位 当减小到使时，即 此后，只要稍有减小，输出就从高电平跳变为低电平。 当输出为低电平时，运算放大器同相输入端电位 当增大到使时，即 此后，只要稍有增加，输出就从低电平跳变为高电平。 因此，和为输出电平跳变时对应的输入电平，常称为下门限电平，为上门限电平，而两者的差值为。称为门限宽度，其大小可通过调节的比值来调节。调节Rw4可改变参考电平，也同时调节了上下门限电平，从而达到设定温度的目的。 三极管及外围控制电路设计 图2.6 三极管及外围控制电路图 差动放大器输出电压UO1经分压后A2组成的滞回比较器，与反相输入端的参考电压UR相比较。当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时，A2输出正饱和电压，三极管Q1饱和导通，三极管Q2反相截止；当同相输入端的电压信号小于反相输入端的电压时，A2输出负饱和电压，三极管Q2饱和导通，三极管Q1反相截止。通过发光二极管D1和D2的发光情况，可见负载的工作状态为加热或制冷。当同相输入信号等于或接近于反相输入端电压时，三极管Q1和Q2都截止，D1和D2都熄灭，负载的工作状态为停止。 直流稳压电源设计 集成稳压电源电路是由电源变压器、整流电路、滤波电路和三端稳压器等组成的。该电路具有性能稳定、结构简单等优点。电源变压器是将电网220V的交流电压变为所需的电压值送入整流电路；整流电路是将交流电压变成脉动的直流电压；滤波电路是把脉动的直流电压的文波加以滤掉，得到平滑的直流电压；三端稳压器的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。 图2.7 直流稳压电源电路图 图2.7中元件选择：变压器为次级双路12V变压器，它将交流电从220V下降到几伏或几十伏。整流二极管D1、D2、D3、D4采用1N4007，C1，C2滤波电容选取大小220μF的电解电容，C5、C6为缓冲负载突变，选取大小为470μF的电解电容，C3、C4、C5、C6的作用为消除三端稳压器可能发生的自激，应选无极性的金属膜或涤纶电容，一般取大小为0.1μF的电容。对于三端固定式集成稳压器U1、U2选用LM317，LM337，可得到±12V的直流电压。 第1章 电子温度控制器软件设计 软件实现功能综述 Proteus是电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便。在设计电子温度控制器电路时，可以仿真各单元电路，能够更加清晰的了解电路原理及功能，下面是用proteus仿真的单元电路介绍： 差动放大电路仿真结果 图3.1 差动放大电路仿真电路图 滞回比较器电路仿真结果 图3.2 滞回比较器电路仿真电路图 流程图设计 主程序流程图设计 电子温度控制器是由负温度系数电阻特性的热敏电阻为一臂组成的测温电桥的，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号，经三极管放大后控制加热器的“加热”与“停止”。改变滞回比较器的比较电压，即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞回的滞回宽度确定。而滞回比较电压是通过多个电阻档位进行分压产生参考的电压信号。具体流程图如下： 多个电阻档 位调压 电压差值信号 电压信号 输出正负电压 单个滞回比较器 测温电桥 差动放大电路 饱和与截止 外围电路 调节温度 电磁继电器 三极管                       图3.3 主程序流程图 模拟量检测流程图设计 温度检测及控制电路主要由测温电桥电路、差动放大电路、多级调温电路、滞回比较器电路和三极管及外围控制电路组成。通过测温电桥中热敏电阻或者铂金电阻将温度信号进行采集，然后差动放大电路将温度的电压信号进行放大，再经过滞回比较器进行比较，其次再利用滞回比较器产生的信号控制三极管的导通与截止，最后通过三极管的导通与截止控制继电器外围加热或降温措施。而比较的参考电压是通过多档位电阻分压。具体流程图如下： 控制调温 放大 比较 电信号 温度信号                                                                                   图3.4 模拟量检测流程图 第2章 系统设计与分析 系统原理图 图4.1系统原理图 系统原理综述 电子温度控制器采用负温度系数电阻特性的热敏电阻为一臂组成的测温电桥的，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号，经三极管放大后控制加热器的“加热”与“停止”。改变滞回比较器的比较电压，即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞回的滞回宽度确定。而滞回比较电压是通过多个电阻档位进行分压产生参考的电压信号。 第3章 课程设计总结 本设计通过方案比较，选择通过热敏电阻或者铂金电阻将温度信号进行采集，然后将温度的电压信号进行差动放大，再经过滞回比较器进行比较，其次再利用滞回比较器产生的信号控制三极管的导通与截止，最后通过三极管的导通与截止控制继电器或者外围加热或降温措施的方案。电子温度控制器采用负温度系数电阻特性的热敏电阻进行采集电信号，741为核心放大电压信号，通过三极管的导通与截止控制温度，最终实现温度控制的目标。 通过proteus仿真软件进行仿真后，结果满足设计要求，完成了本设计。 参考文献 [1] 康华光编著 《模拟电子技术基础》 高等教育出版社 2006.1 [2] 周惠潮编著 《常用电子元件及典型应用》 电子工业出版社 2005 [3] 纽曼编著 《电子电路设计与分析:模拟电子技术》 清华大学出版社  2009.1 [4] 陈立万等编著 《模拟电子技术基础及课程设计》 西南交通大学出版社 2008.2 [5] 胡圣尧等编著 《模拟电路应用设计》 科学出版社 2009.8 [6] 稻叶保编著 《模拟技术应用技巧101例》 科学出版社 2006.1 [7] 张铁柱，张洪信，内燃机冷却风扇温度控制液压驱动系统技术研究，2002,20(3) 附录I 总体电路图 附录II 元器件清单 序号 编号 名称 参数 个数 1 RT 热敏电阻 MF58 1 2 R1 电阻 100KΩ 1 3 R21 电阻 20KΩ 1 4 R3 电阻 220Ω 1 5 R4, R5, RF 电阻 10KΩ 3 6 R6, R9 电阻 1MΩ 2 7 R7 电阻 910kΩ 1 8 R11,R12 电阻 1KΩ 2 9 R10 电阻 2MΩ 1 10 RN 电阻 866Ω 1 11 RO 电阻 1.37KΩ 1 12 RP 电阻 2.5KΩ 1 13 RQ 电阻 2.74KΩ 1 14 RR 电阻 3.01KΩ 1 15 RS 电阻 3.9KΩ 1 16 RU 电阻 4.32KΩ 1 17 RV 电阻 7.15KΩ 1 18 RX 电阻 4.64KΩ 1 19 RY 电阻 4KΩ 1 20 RA 电阻 5KΩ 1 21 RB 电阻 4.32KΩ 1 22 RC 电阻 4.53KΩ 1 23 RD 电阻 3.32KΩ 1 24 RE 电阻 2.74KΩ 1 25 RF 电阻 2.15KΩ 1 26 RG 电阻 1.3KΩ 1 27 RH 电阻 1.87KΩ 1 28 RK 电阻 2.49KΩ 1 29 RL 电阻 1.43KΩ 1 30 RM 电阻 1KΩ 1 31 RV2 电位器 10kΩ 1 32 Rw2, Rw3 电位器 100kΩ 2 33 RW4 电位器 1kΩ 1 34 D1 稳压二极管 1N4735A 1 35 D1 稳压二极管 1N4728 1 35 A1, A2 运算放大器 2 36 Q1 三极管 2N2712 1 37 Q2 三极管 2N2369 1 38 D1 发光二极管 φ5 1 39 D2 发光二极管 φ5 1 40 RL1、RL2 电磁继电器 12V 1A 2 41 TR1 变压器 (12V 0V 12V) 1 43 D1,D2,D3,D4 二极管 1N4007 4 44 C1,C2 电解电容 220 2 45 C7,C8 电解电容 470 2 46 C3,C4,C5,C6 瓷片电容 100nF 4 47 U1 三端稳压器 LM317 1 48 U2 三端稳压器 LM337 1 49 DSW1,DSW3 拨码开关 五位 2 50 DSW2,DSW4 拨码开关 六位 2