温度控制系统项目设计方案

1 温度控制系统 项目设计方案 1 介 件 ，全称为 交互图像技术有限公司在九十年代初推出的 件，用于模拟电路和数字电路的混合仿真，利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。 一款小巧，但是仿真功能十分强大的软件。 相对其它 件而言，它是个较小巧的软件，只有 16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数 字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎 100%地仿真出真实电路的结果，而且它在 桌面 上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路 仿真软件 中， 最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个极好的 具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用。 2 图 1动页面 2 设计的技术指标及要求 计任务及要求 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 。 计要求 一、设计任务 利用温度传感器件、集成运算放大器和 即半导 体 致冷器 )等设计一个温度控制器。 二、要求 （ 1）控制密闭容器内空气温度 （ 2）容器容积 5 3）测温和控温范围： 0 室温 （ 4）控温精度 1 三、 发挥部分 （ 1） 测温和控温范围： 0 （室温 +30） 3 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，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 计方案选择 行方案： 方案一： 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。 方案二： 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。 方案三： 用温度传感器将采集到的温度转换成电压 信号，通过集成运放构成放大器，将微弱的电压信号放大成所需要的电压信号，再通过电压比较器将 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 ， 4 并用 示灯指示半导体的工作状态。 案的讨论与选择： 方案一可行，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。 方案二可行，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。 定方案的论证 定温度传感器的论证 根据设计要求，可以测量并控制 0 到室温的温度，精度要达到 1。也就是说基本要求为传感器可以测量 0 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，选择了集成温度传感器 度传感器 在 150 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 10的线性度也可以在高温的时候保持得非常好。因此 全符合设计要求。 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 择 2=9比较适合。 定运算放大器的论证 本设计对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 5 以接近电源电压。因此通用型的运算放大器便可满足要求。因此选用通用型的体电路的工作原理 电路设计的总体思想是测温 比较 控温如图 示 图 路设计的整体框图 4 单元电路的设计计算、元器件选择及电路图 温单元 图 温单元电路图 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 6 器。 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 10号采集单元电路如图 示 。 号处理单元 出端的电压因温度改变 1 摄氏度而改变 10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， 出电压为 300度在 0 摄氏度的时候输出为 0下面计算： m ax vA 1 2 m in vA 0 得 m a 即 0 40 考虑计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数为 20 为宜。电路如 图 7 图 号处理单元电路 度比较单元 知道了所输出的电压的大小，然后与所给的电压进行比较，从而知道电压是偏高还是偏低，即温度是偏高还是偏低。 当控制温度为 30 度时， V=3000=6V, 所以，比较电压就选择 6V。 8 图 较单元电路图 制单元 控制单元的作用是通过接收来自传感器处理后的信号，判别是否需要对当前的水体进行加热。因此控制电路处的比较基准电压应该从负电源中索取。 电位器选择计算： 为了使电位器在阻值最小的时候电路中电流在 下，选择固定电阻 k。控制温度需要达到 30 摄氏度， 而温度传感器是将 1的温度装换为 10经过放大器后，又电压放大 20 倍，所以最后输出电压值为 6V，比较器比较的电压也为 300 20= 6 V 因此电位器选择 10k 为宜。具体电路图如图 制单元 控制电路是一个比较器，如图 示。输出为 6V，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 。 9 5 单元电路的仿真及结果 号放 大电路 k . 1 k 4 V A M P _ 3 T _ V I R T U A L 10 图 号放大电路仿真图 在输入电压为 ，输出电压为 在输入电压为 ，输出电压为 图 示 图 入电压为 ，输出电压的值 所以，放大电路实现了放大 20 倍的功能。 制电路 控温为 30 度，所以比较电压为 放大器输出的电压相加 ，放大器输出大于 6V，就输出负电压，负电压的大小由稳压管两端的电压大小决定，放大器输出的电压小于 6V，就输出正电压。图 式放大器输出电 压小于 6V 时，比较器输出电压为 k . 1 k k k k V 1 V 5 7 5 8 A M P _ 3 I R A M P _ 3 I R 控制电路仿真图 仿真时，输入电压为 ，输出值为 输入电压为 ，输出值为 果如图 示。 11 图 入电压为 的输出结果 仿真结果与实际值相符 离及指示电路 隔离电路 是一个射极跟随器 ， 输入阻抗很大，能将前后级电路分开，以免后面的指示电路影响控制电路的输出电压。由于发光二级管的只有在 压和 流下才能正常工作，所以需 要一个保护电阻。总体电路如图 压表测得是二极管两段的电压，达到了预定值。 输入电压为 ，表示室温为 10，低于 30，此时要控制加热装置发热，并且加热时指示灯发光，由仿真图 以看出，此时二极管发光，复合预期结果。 输入电压为 ，表示室温为 40，高于 30，此时要控制加热装置制冷，并且制冷时指示灯不发光，由仿真图 以看出，此时二极管不发光，复合预期结果。 k . 1 k k k 5 k k V 1 V 2 5 7 5 8 A M P _ 3 I R A M P _ 3 I R A M P _ 3 I R 输入电压为 电路仿真图 12 k . 1 k k k 5 k k V 4 V 2 5 7 5 8 A M P _ 3 I R A M P _ 3 I R A M P _ 3 I R 输入电压为 路仿真图 6 整体电路图、元件及器件明细 体电路图 电路如图 示 图 度 控制系统整体电路图 13 元件及器件明细如表 示 表 件及器件明细 元件 器件明细 继电器 1 个， 9V 开启， 28A 二极管 1 个 个，每 1 摄氏度输出变化 10 个， 2 个黄， 1 个红 个 电位器 1 个 ， 10k 普通开关 1 个 电阻（ 10100512） 若干 ，有的需要串并联得到 7 设计小结 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。 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 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。 14 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。 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，这样就会在更苛刻的条件下也可以有较大的精度了。 参考文献 1吴友宇 . 模拟电子技术基础 . 武汉：清华大学出版社， 2009. 2康华光模拟电子技术基础武汉：高等教育出版社， 3舒庆莹，凌玲模拟电子技术基础实验武