温度监控装置课程设计

1、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark3 o Current Document 1绪论11.1背景11.2简介1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.3应用前景1 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 2系统方案设计2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.1设计任务及要求2 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 2.1.1设计任务2 HYPERLINK l bookmark

2、18 o Current Document 2.1.2设计要求2 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 2.2设计思想2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 3选定方案的论证及整体电路的工作原理3 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 3.1设计方案选择3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 3.1.1可行方案：3方案一：3方案一.3: . . HYPERLINK l bookmark45 o Current

3、 Document 方案三：3 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3.1.2方案的讨论与选择：3 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 选定方案的论证 3 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3.2.1选定温度传感器的论证33.3整体电路的工作原理4 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 4单元电路的设计计算、元器件选择及电路图5 HYPERLINK l bookmark60 o Current Docum

4、ent 4.1测温单元5 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 4.2信号处理单元5温度显示单元74.4控制单元8 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 5整体电路图、元件及器件明细9 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 5.1整体电路图9 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 5.2元件及器件明细9 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 6设计小结10 HYPER

5、LINK l bookmark92 o Current Document 6.1成果的评价10 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 6.2本设计的特点10 HYPERLINK l bookmark98 o Current Document 6.3存在的问题和改进的意义10 HYPERLINK l bookmark101 o Current Document 总结11附录错误！未定义书签。 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document 参考文献121绪论1.1背景冬暖夏凉是人们对温度的第一感觉，而如果要对温度

6、进行精确的测量，则要进行利用 仪器进行测量，这就要用到温度测量和控制系统。而现今很多的温度控制系统大多数都有 很多的缺点，最主要的就是价格昂贵，反应速度慢或者是精度不高等。这些缺点使得温度 控制部分成为整个系统中的一个污点。本设计通过本人自身的所学知识，以及所考虑到的 问题，尽量设计比较完美的温度控制系统，希望通过设计这样一个简单而价格便宜的温度 控制系统达到抛砖引玉的目的。当然，现今应该是存在比我的系统更加完美的设计，如果 可能，仅希望提供另外一种设计思路，也许会有某些火花的碰撞。具有体积小，可靠性能 高，对温度进行精确的测量功能等特点，温度控制系统在工业生产，生活娱乐，仪器运行 等很多方面

7、都有着广泛的应用。1.2简介通过本人自身的所学知识，以及所考虑到的问题，尽量设计比较完美的温度控制系统， 希望通过设计这样一个简单而价格便宜的温度控制系统1.3应用前景温度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重 要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度信息是十分重要的，近年来，温度测控 领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台， 能够在工业、农业等各领域中广泛使用。2系统方案设计2.1设计任务及要求2.1.1设计任务根据技术要求和所给条件，完成对温度控制系统的设计，装配与调试。2.1.2设计要求设计任务利用温度传感器件、集

8、成运算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半导体致冷 器)等设计一个温度控制器。要求设计要求：温度测量范围15-30C，分辨率为0.05C温度控制范围：205C，夏天使用，有本装置驱动冷风机，交流接触器线圈的 工作电流100微安。报警指示，当温度高于25C时，用红灯报警。发挥部分(1)测温和控温范围：15-30C2.2设计思想本次设计使用温度传感器收集当前密室的温度，然后经过各部分电路处理，与所要控 制的电路进行比较。电路根据比较的结果决定是否对密室空气进行降温，如果需要制冷会 自动开启半导体制冷片。当温度低于所控制的温度后，控制部分要断开制冷电路。在不制 冷的情况下

9、，密室会自动升温，当温度上升到控制温度以下的时候电路就会依照以前的步 骤重新来一遍，然后对密室进行降温，然后循环往复执行这样一个周期性的动作，从而达 到把温度控制在一定范围内的目的。3选定方案的论证及整体电路的工作原理3.1设计方案选择3.1.1可行方案：方案：利用集成运放在非线性工作区（即饱和区）的输出端电压为正负电源电压的特性，构 造温度比较器，将温度信号离散成为高电平和低电平，高电平时制冷，低电平时加热，从 而实现对温度的控制。其中功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分方案同 方案一。方案二：通过集成运放构成的比例器，把温度传感器获得的信号放大，再将信号传输给功放， 带动半导体

10、制冷片工作，从而实现对温度的控制。功放采用乙类双电源互补对称功率放大 电路。测温部分通过测温度传感器输出端与基准端的电压，在转化为相应的温度值。其中， 基准端的电压有事先调试好。方案三：用半导体制冷片分别实现制冷功能，该方案中同样用比较器将温度信号离散为高电平 和低电平，高电平时制冷片工作，低电平时，加热器工作，这样就可也实现对温度的控制。 其中功放电路采用两个独立的二级放大电路，且只用正电源。测温部分方案同方案一。3.1.2方案的讨论与选择：方案一可行，它将变化的温度信息转变为离散的高电平和低电平，通过功放的作用， 从而实现对温度的控制。但是半导体制冷片一直工作在较大功率条件下，耗能较多，且

11、加 热器和制冷器始终有其一在工作中，所以会造成资源浪费，电路也相对复杂。方案二可行，可是存在着许多缺点，如反应慢，且温度相近时，灵敏度也降低了。方案三可以很好得实现对温度的控制和测量，虽然方案三使用的电子器件较多且繁 杂，电路也较复杂，但是对于控制电路来说更加准确，迅速，因为不需要对电路进行加热， 则这个电路是不错的。综合考虑之后，采用方案三作为具体实现方案。3.2选定方案的论证3.2.1选定温度传感器的论证根据设计要求，可以测量并控制15到室温的温度，精度要达到土0.5C。也就是说基 本要求为传感器可以测量15到室温的温度，并且具有很好的稳定性。再结合性能以及价 格方面的原因，选择了集成温度

12、传感器LM35。LM35温度传感器在-55150摄氏度以内是非常稳定的。当它的工作电压在4到20v 之间是可以在每摄氏度变化的时候输出变化10mv。它的线性度也可以在高温的时候保持得 非常好。因此LM35完全符合设计要求。3.2.2选定继电器的论证继电器是低压控制高压的部分，它的开启电压以及稳定性相当重要。因为选用的电源 电压是12V的，所以继电器的开启电压应当适当低于12V当接近它，因此选用开启电压为 9V的比较适合。另外，由于加热部分的电流比较大，所以继电器的承受电流要大，一般 1000W的加热装置电流为4.5A，选择4.5AX2=9A以上的比较适合。3.2.3选定运算放大器的论证本设计对

13、放大器的要求只是有较好的虚短和虚断特性，作为比较器时输出可以接近电 源电压。因此通用型的运算放大器便可满足要求。因此选用通用型的ua741.3.3整体电路的工作原理电路设计的总体思想是测温一一比较一一控温如图3.1所示加热传感器采用封装形式，将其放入欲控制系统中。收集温度所表征的信号，主要是电压 信号。这个由传感器所采集到的信号是非常微弱的，因此设计了一个信号处理单元，主要 作用是对信号无损放大。放大后的信号就可以送到温度比较单元了。这个单元将处理后的 信号与预订值进行比较，从而决定是否进行加热。显示部分用来显示所测的密室和所要控 制的温度。4单元电路的设计计算、元器件选择及电路图4.1测温单

14、元温度传感器需要放入水中，所以应该在电路中引出一个出口来接温度传感 器。LM35有三个引脚，其中0接正电源，2接地，这样在1脚就会输出随温度而 现行变化的电压。具体是每变化1摄氏度，输出电压变化10mV。信号采集单元 电路如图4.1.1所示。4.2信号处理单元LM35输出端的电压因温度改变1摄氏度而改变10mv，很难检测。所以必须 经过一定的处理方可成为测量以及控制部分所使用的信号。处理方法也就是将它 无损的放大一定的倍数。因控制或测量温度在30摄氏度的时候，LM35输出电压为300mv。温度 在0摄氏度的时候输出为0mv。经下面计算：maxxAv 0V0V AV 12Vvmax即 0 Av

15、40考虑计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数为30为宜。电路如图4.2.1。图4.2.1信号处理单元电路图4.3温度显示单元温度显示单元承担两个主要的任务，主要是显示当前以及控制的温度， 如果没有它就不知道自己到哪里了。温度显示实质上就是电压显示，主要是设计一个可以表征温度的电压表。因 低温区的电压比较小，因此为了提高测量和控制的精度，需要设置两个量程。电阻选择计算：已知：万用表内阻Ro=25Q满量程为Vg=0.25V所以若使其测量10V电压，串联电阻R1需要满足:R1 + R 0 =匕R0Vo带入数据可算出R1 =10 k若使其测量5V电压，串联电阻R2需要满足：R 2 + R 0

16、= 5k因此可以通过设置一个开关来达到改变量程的目的。另外控制和测量温度都需要使用一个表头来显示。如图4.3.1当单刀双掷开关S2打到左边的时候，可以通过调节电位器R7来调整控制电 压，具体的会在控制单元中说明。当开关S2打到右边的时候，表头用来显示当 前传感器传过来的经过处理的信号，也就是表征温度的电压量。路图I显示单元电电压会变成负电压。所以，4.4控制单元因此控制电路处的比较基准电压应该 电位器选择计算：人负电为了使电位器在阻值最小的时候电路中电流在1. 为2k。虽然控制温度需要达到30摄氏度，但是为、5mA以下选择固定电阻R 适应实际萌时以防被毁，控制电压设置最大为50摄氏度。Vo =

17、 500mV0= 1因此电位器选择10k为宜具体电路图如图4.4.控制单元的作用是通过接收来自传感器器处理后的信号，判别是否需要对当前 的水体进行加热。因为初级放大电路是反向放大电路，图4.4.1控制单元电路图控制电路是一个比较器，如图4.4.2所示。输出为正负12V,而继电器没有正负， 所以必须使比较器输出负电压的时候继电器截止，因此把继电器和一个二极管串 联，这样当电压为负的时候继电器就会很快地断开了。继电器内部是一个磁线圈，在断电的时候会有很大的电流，为了保护电路需 要在继电器两端并联一个二极管，以使继电器断电后它的保留电流可以在二极管 和电阻中快速消完。图4.4.2继电器使用电路图5整

18、体电路图、元件及器件明细5.1整体电路图电路如图5.1.1所示图5.1.1水温控制系统整体电路图5.2元件及器件明细元件及器件明细如表6.3.1所示表6.3.1元件及器件明细元件器件明细继电器1个，9V开启，28A二极管 1N40074个LM351个，每1摄氏度输出变化10mVLED3个，2个黄，1个红uA7413个电位器1 个，10k6设计小结6.1成果的评价在电路的设计和制作中，使我无形中加深了对模拟电子技术基础的理解和运 用能力，对课本及以前学过的知识有了一个更好的总结。在电路的实物连接中出 现了一些问题，需要不断的解决，所以这几周下来，我对问题的排查能力有了很 大的提高；再次，通过此次

19、课程设计，我对设计所用到的集成块有了更加深刻地 了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。在这次的温度控制系统设计中，实物的测试还在进行中。我认为对电子电路 知识的学习应该认真和谨慎，并保持一个积极的心态去面对它，要不怕苦不怕累。 我们知道，理论知识学起来有时很枯燥，但我们不能就此放弃，而应该问老师、 同学或者查资料把不懂的知识融会贯通，让自己的电子电路知识丰富起来。6.2本设计的特点本设计中采用的是价格便宜且又有较好的线性度的温度传感器LM35,并 采用运算放大器几乎无损放大，非常准群反映了所测量的温度。另外由于比较器 比较好的开关特性。6.3存在的问题和改进的意义温度的调控能力和传感器的反应速度有非常大的关系。如果温度传感器对温 度的敏感速度非常低，控制器就无法及时得在欲控制温度处停止降温，这样就起 不到控制温度的目的了。LM35的反应速度也不是非常快，当我用热水进行试验 的时候，温度滞后可以达到3到4度。于是我使其贴附在散热片上，这样它对温 度的反应速度才提高到控制精度为1度以内。然而，如果控制的密室温度上升速度再快点，或者密室再大点，控制的精度 就又会降下来的。因此，在温度传感器方面必须进行改进。我的改进意见是加大 传感器的表面积，或者是跟换效果更好的传感器，这样就会在更苛