电子温度控制器

1、辽宁工业大学模拟电子技术基础 课程设计（论文）题目：电子温度控制器院（系）：专业班级：学 号：学生姓名：指导教师： （签字）起止时间：本科生课程设计（论文）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： 电子信息教研室号 学设计 目课程设计（论文）任务指 的繁 案 ，逐 左 构路 能行性 结 可 电 ，、 定 单元 向、 性 敲 或单 流 求 进 ， 统 的 要 先 源 号 要 的 来 系 信 课题 路 的 干子 按 析课 电 件 若干 是 分 。 以 器 常 分图，虑成通 控 。 。 绘 案 比 整为 合 明 度 。 标 ， 种方 合 化整 上 说 温 源 80 指 案 种

2、综 案 纸 的 子 电 + 能 方 各 作 方案 图 要 电 压 性 体 。对 面 体方 的 必 精 流 25 明 种总 案 等方 。总 幅 标出 高 直 各 方 易 。 定 并 能 的 ： ， 出 体 难 电路 一 ， 作 需 围 。 求 思 总 的 元电 在 路 制 所 范 要 构 的 作 单元 。 电 ： 并 路 度 1 ： 计 ， 理 制 各单 统 各 数 计 电 温 求 设 路 合 及 计各 系 放 参 设 计 作 度 要 析 思 定 低 设计 成 摆 计 现 设 工 精 计 分 开 确 高 设 组 律 设 12 34 设 1 广 2 的 3 4 规进程计划） 天） 天2 1（）。

3、。 天 能 求 2 性 要 .（ 统 制 ） 系 控 天 析 的 2 分 制 （ 电 数 控 源 参 度。）电件 温路天压器） 子 电 2 稳 定 天 电测（流确1 握 检 直 ， （ 掌度。的真 解温路需仿。 理计电所行文 ，设统统进论 料，系系统计 资式制制系设 阅方控控制程 查测动度控课 ，检自温度印 务度度子温打 任温温电子、 置定立计电写 布确建设对撰 123456指导教师评语及成绩日月 字年 辩导 答指 ：绩 时成 平总注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）摘要温度控制系统在人们的日常生活中有着非常广泛的应用，它在冰箱、空调、 电

4、脑等电气电子设备中占着尤为重要的地位。如果一个电器的某个关键系统温度 过高，就会导致电器的烧毁，这就是需要温度监控器的原因。随着电子科技的发 展，温度监控器不仅在家电领域中起作用，更是涉及到现代自动化机械生产、医 疗、核研究、宇宙探测等各个不同领域。如果没有准确对仪表温度进行检测，会 导致难以预计的后果。这就需要温度监控设备的支持，可见温度监控电路的作用 至关重要。本设计中采用 MF58热敏电阻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，温度控制系统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， 决定是否加热升温或冷却降温。 直流稳

5、压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路构成，选用三端集 成稳压器 LM78XX电路。差动放大电路和滞回比较器电路采用 uA741集成运算放大 器，通过控制继电器来控制加热丝加热或风扇散热来调节温度的变化。关键词： 温度；放大；稳压电源；继电器II本科生课程设计（论文）目录第 1 章 绪论 11.1 电子温度控制器的应用意义 11.2 电子温度控制器的设计要求及设计参数 11.2.1 设计要求 11.2.2 设计参数 2第 2 章 方案设计和分析 32.1 方案比较 32.1.1 方案一 32.1.2 方案二 32.2 总体设计方案框图及分析 4第 3 章 电子温度控制器的各单元电路设

6、计 53.1 温度监测及控制电路的设计 53.1.1 测温电桥的设计 53.1.2 差动放大电路的设计 63.1.3 调温电路 73.1.4 滞回比较器的设计 73.1.5 三极管及外围控制电路的设计 93.2 12V直流稳压电源的设计 . 9第 4 章 电子温度控制器的整体电路设计 114.1 整体电路图及工作原理图 114.2 电路参数计算 114.3 整机电路性能仿真验证 124.4 整体电路性能分析 13第 5 章 课程设计总结 14附录参考文献 15附录电路图 16III本科生课程设计（论文）附录：器件清单 17IV本科生课程设计（论文）第1章 绪论温度控制系统在工业生产，生活娱乐，

7、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。因此，温度测量控制系统有提高自动化设备性能的重要意义。而现 今很多的温度控制系统大多数都有很多的缺点，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。 随着工业自动化的普及与发展， 要求有更先进、 更稳定、更可靠的检测控制系统， 以完成数据的采集并控制输出设备安全运行。1.1 电子温度控制器的应用意义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

8、证所制造的 产品的质量。 因此，温度测量控制系统有提高自动化设备性能的重要意义。 如今， 温度控制器的运用越来越广泛，象电冰箱、空调、锅炉等都得用到。日常经常用 到的温度控制器主要分为机械式和电子式。传统多为机械式控制器，但机械式较 易损坏且不精确。随着科学技术的迅猛发展，电子控制电路在日常生活中得到了 更为广泛的应用，因为它使用更方便且相当精确，对人们的生活起到了深远的影 响。1.2 电子温度控制器的设计要求及设计参数1.2.1 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。

9、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。1本科生课程设计（论文）1.2.2 设计参数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： 25+804. 精度 1本科生课程设计（论文）18B20第2章 方案设计和分析2.1 方案比较2.1.1 方案一采用 AT89S52作为电路的控制核

10、心 ,使用 12 位的高精度模数转换器 AD574A 进行数据转换 ,控制电路部分采用 PWM 控制可控硅的通断以实行对温度的连续控 制 ,此方案精度相对较高，但价格昂贵，电路结构也相对复杂。如图2.1.1 所示，如用于本设计，显得浪费资源。LCD1602外围温度控制图 2.1.1 电子温度控制器方案一2.1.2 方案二该方案也是通过热敏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。如图 2.1.2 所

11、示。优点： 相对于方案一，制造成本低，电路相对简单，利于广泛应用。因此采用方案二。本科生课程设计（论文）图 2.1.2 电子温度控制器方案二2.2 总体设计方案框图及分析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。总体方案框图如图 2.2 所示。图 2.2 总体方案设计框图本科生课程设计(论文)1N4

12、735AUaUb第3章电子温度控制器的各单元电路设计3.1 温度监测及控制电路的设计3.1.1 测温电桥的设计图 3.1.1 测温电桥电路如图3.1.1 所示，由R1、R2、R3、RW1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 Dz。RW1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)。根据温度检测范围需要在 25 -80 ，所以采用 MF58热敏电阻。 MF58热敏电阻的阻值随温度变化如表 3.1.1

13、 所示。表 3.1.1 MF58 热敏电阻阻值随温度变化表温度/253035404550556065707580电阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16本科生课程设计（论文）100kR4Uo1R5VCC10k10k3.1.2 差动放大电路的设计图3.1.2 差动放大电路差动放大电路如图 3.1.2 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U按比例放大。其输出电压UO1R7 RW2R4R4 R7 RW2R4R6R5 R6UB当 R4 R5 ，(R7 RW2) R6时UO1R7RW2R4其中RW3用于差动放大器调零

14、。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 3.1.2 所示。表3.1.2 差动放大电路输出电压随温度变化温度/253035404550556065707580电阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16UBA /mV020365161707884899296100U O1/V023.65.16.17.07.88.48.99.29.610.0本科生课程设计(论文)3.1.3 调温电路VCC12VR1020kUo2Rw4100kKey=A图3.1.3 调温电路调温电路是通过改

15、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 3.1.3 所示，该电路主要是通过改 变滑动变阻器 Rw4的阻值得到参考电压的阻值，改变 Rw4阻值温度的变化范围从 2580之间变化。3.1.4 滞回比较器的设计图3.1.4(a) 滞回比较器电路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本科生课程设计(论文)RFR2 +RFR2uii R2 RFUOH当 ui 减小到使 u HU R 时，即uiUTLR2 RFRFURR2RFUOH为UOH ，输出低电平为 U OL ，参考电压 UR加在反相输入端当输出为高电平 UO

16、H 时，运算放大器同相输入端电位此后，只要 ui 稍有减小，输出就从高电平跳变为低电平 当输出为低电平 UOL 时，运算放大器同相输入端电位RFR2u LuiUOLL R2+RF i R2 RF OL当 ui 增大到使 uL U R 时，即uiUTHR2RFRFR2RFU OL此后，只要 ui 稍有增加，输出就从低电平跳变为高电平。因此，U TL和U TH为输出电平跳变时对应的输入电平， 常称UTH 为下门限电平， U TL为上门限电平， 而两者的差值为 UT UTR UTL R2 RF UOH UOL 。 UT 称 为门限宽度，其大小可通过调节 R2 RF 的比值来调节。图 3.1.4(b)

17、 电压传输特性由上述分析可见差动放大器输出电压 u01 经分压后，在 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。通过发光二极管 LED1的发光 情况，可见负载的工作状态为加热。反之，为同相输入信号小于反相输入端电压 时， A2输出负饱和电压，三极管 Q2饱和导通， LED2熄灭，负载的工作状态为制 冷。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本科生课程设计（论文）目的。3.1.5 三极管及外围控制电路的设计K3Uo3R112M3k11R2N37

18、022N3702N27122EDR201A05K4EDR201A05电热丝风扇12V图 3.1.5 三极管及外围控制电路的设计电路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 LED1和 LED2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

19、都截止， LED1和LED2都熄 灭，负载的工作状态为停止。3.2 12V直流稳压电源的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；三段 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。 三端稳压器采用 LM78， LM79（美国），78系列稳压器输出固定的正电本科生课程设计（论文）压， 79系列稳压器输出的为负电压V1220 Vrms5

20、0 Hz0TS1N4007MISC_VIRTUALD2D11N40076C810FD31N4007D4C2680FLINE VREGVOLTAGECOMMONCOMMONVOLTAGELINE VREGC60.1FC50.1 FU1LM7812CTU2LM7912CTC4C71C030F0.1FC8100F0.1F图 3.2 12V 直流稳压电源电路图中元件选择： T1 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 IN4007，C1，C2 滤波电容选取大小 680uf 的电解电容， C3、C4为缓冲负载突变，选取大小为 100F

21、 的电解电容， C5、C5、 C7、C8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独石电 容，一般取大小为 0.1 F。对于三端固定式集成稳压器 U1、 U2选用 LM7812C，T LM7912CT，可得到 12V 的直流电压。10本科生课程设计（论文）第4章电子温度控制器的整体电路设计4.1 整体电路图及工作原理图1N4735ARW1100k10%10kKey=A50%R1R220k100%Key=AA1741R6Rw2100k1M220R 5R7910kRw4100kKey=A50%R1020kR810kLED1电热丝EDR201A05K2R121kR131kK1Rw31

22、00k2R91M371741Q2Q1K风扇EDR201A051kKey=A图 4.1 整体电路图2N3702 2N2712R112M370237023702工作原理：它是由负温度系数的热敏电阻（NTC 元件）Rt为一臂组成测温电 桥的，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”和“停止”信号， 经三极管放大后控制加热器的“加热”和“停止”动作。改变滞回比较器的比较 电压 UR，即改变控温的范围，而控温的精度由滞回比较器的滞回宽度确定。4.2 电路参数计算测温电桥部分，当 Rt 滑到最下端，即热敏电阻在室温环境时，差模电压最小值U BAmin RW1 R2 R3VCC 12V 12V 0R

23、1 Rt 2k 20k 220 100k 1k 当 Rt滑到最上端，即热敏电阻在高温环境时，差模电压最大值11本科生课程设计(论文)VCC VCC 12V 12VU BAmax100mVBAmax RW1 R2 R3 R1 Rt 2k 20k 220 100k 160 集成运算放大器的电源电压为 12V，所以差动放大电路放大的电压应该在 -12V 到 +12V 之间。假设放大的最大电压为 12V，则最大放大倍数VCC 12Vmax 120max UBAmax 100mv因此我们选择放大倍数为 100 倍，即R7 RW2 100R4因此我们选择 100k电位器， 910k和 10k电阻对于调温电

24、路滑动电阻阻值如下表所示：表4.2 调温电阻阻值温度/253035404550556065707580阻值/K0203651617078848992961004.3 整机电路性能仿真验证假设需要控制温度在 50，则需要将滑动变阻器 Rw4调到 70K。调节电位器 Rt 使它在 1K，即热敏电阻在温度为 25的环境中， 用电压表测量电压 Uo1，得 到电压如图 4.3(a) 所示，并且 LED2亮, LED 1灭；调节电位器 Rt使它在 0.41K， 即热敏电阻在温度为 50的环境中，用电压表测量电压 Uo1，得到电压如图 4.3(b) 所示，并且 LED2 灭,LED1亮。图 4.3(a) 2

25、5 环境电路电压 UO112本科生课程设计(论文)图 4.3(b) 50 环境电路电压 UO1经过本次的仿真实验可知，设计电路时的理论值与仿真实验所得的实际值误 差较小，基本能达到所要控制温度的范围。综上所述，本次设计的温度控制电路符合了设计要求。4.4 整体电路性能分析本设计由测温电桥、差动放大电路、滞回比较器、外围温度控制器、直流稳 压电源六部分组成。测温电桥采用 MF58热敏电阻， 将温度信号转换成微弱的电压信号， 经过差分 放大电路将信号进行放大，避免信号太弱滞回比较器无法比较，然后通过滞回比 较器将放大后的电压信号与所要电压进行比较，从而滞回比较器输出高电平或者 是低电平，更方便控制

26、外围温度控制器中三极管导通或截止，从而决定了继电器 的闭或者开，达到对温度的实时控制。13本科生课程设计（论文）第 5章 课程设计总结本次的课程设计主要是设计一个将温度控制在 25 80的温度控制器 。本设 计由测温电桥、差动放大电路、滞回比较器、外围温度控制器、直流稳压电源六 部分组成的电路。测温电路的热敏电阻根据所要控制的温度范围通过书本和上网 查阅资料我选用 MF58热敏电阻。放大电路选用 uf741 和外围电路构成差分放大电 路，满足放大的倍数。外围温度控制器对于如何控制风扇和发热丝工作也是一难 点，因为这都是要高电压控制的，本电路电压远远达不到要求，通过查找资料知 道继电器能采用实现

27、这一功能，继电器采用常闭继电器，通过对三极管的控制达 到控制继电器的开或者闭，达到控制控制风扇和发热丝的工作。对于直流稳压电 源开始并未有采用三端集成稳压器 LM78XX电路，然而通过 multisim 软件仿真时 电压输出电压比 12V大点并且波形有一定的波动并没有平稳，然后通过查找资料 知道了三端集成稳压器 LM78XX电路能输出稳定 12V 电压，用 multisim 连好电 路后通过仿真输出电压的波形与电压值果然达到理想中的效果，直流稳压电路就 确定了。这个设计方案要实现温度监测还是很困难的， 总是受到很多杂乱信号的干扰， 最后查了很多资料终于成功排掉其他无效信号的干扰，从而提高了信号

28、精度。这次的课程设计让我学会了很多东西， 特别是对 Multisim 软件的使用， 相信 在以后的专业课学习当中会经常用到它的。我不仅熟练掌握了模拟电子技术理论 的知识，而且也拥有了一定的实际设计的能力。设计过程中，每部分都需要精心 计算，电路图的设计也需要潜心的琢磨。14本科生课程设计（论文）附录参考文献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 胡圣尧等编著 模拟电路应用设计 科学出版社 2009.8.4 程勇，刘纯悦编著 实用稳压电源 DIY 福建科学技术出版社 2003.10.5 王连英编著 基于 Multisim10 的电子仿真与实验设计 北京邮电大学出版社 2009.8.6 鲁保春，王景利，刘毅，关维国等编著 电