数电综合课设--简易温度控制器

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: 学 号: 班 级: 同组成员: 指导教师: 日 期: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。比较控制电路用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。控制电路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

2、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41.1设计内容41.2技术要求4二、系统设计42. 1 系统要求52.2设计方案52.3系统工作原理7三、单元电路设计83.1温度检测单元电路83.2 温度比较控制单元电路123.3 电源单元电路18四、系统仿真19五、电路的安装、调试与测试205. 1 电路安装205.2 电路的调试205.3系统功能及性能测试21六、结论22七、参考文献23八、总结体会和建议24附录25设计任务和要求1.1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

3、温控制在一定的范围之内。1.2设计要求1、当水温小于50°c吋，hl、h2两个加热器同吋打开，将容器内的水加热,；2、当水温大于50°c,但小于6(tc时，h1加热器打开，h2加热器关闭;3、当水温大于60°c时，hl、h2两个加热器同时关闭；4、当水温小于4(rc,或者大于7(rc时，用红色发光二极管发出报警信 号；5、当水温在40°c70°c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

4、计的电路用 multisim或0rcad/pspicead9. 2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:、系统设计2.1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，电路的细节要求如下：1、当水温小于50°c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°c，但小于6(tc时，h1加热器打开，h2加热器关闭；3、当水温大于60°c时，111、112两个加热器同时关闭；4、

5、当水温小于40°c,或者大于70°c吋，用红色发光二极管发出报警信号;5、当水温在40°c70°c之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；2.2设计方案由上面的示意图可以得出整个系统主要为三部分组成，分别是测温部分、温 度比较部分，比较后的得出的信号返至加热部分使得加热部分调控水温以达到对 水温控制的目的。最后也使得温度的各种状态显示出来。方案一：想要让电路正常稳定的工作，必须耍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，这样可以得出较为准确的与 温度相对应的电压值，关于比较部分可以选用比较器lm339构成窗门比较器，再 利

6、用滑动变阻器来调节上下限电压，将输出电压值与设定的电压值进行比较来控 制三极管，以达到使绿色和红色二极管根据不同温度亮灭的目的。同时也将第一 部分输出的电压值在比较部分进行比较来控制继电器以达到控制外电路的目的。 通过对电路设计要求的全而考虑，使用lm324比较容易实现第一部分的功能，同 时为丫方便电路的调试，热敏电阻可以使用150欧姆的滑动变阻器代替，至于继 电器和外部电路，可以用发光二级管将其代替，用发光二极管的亮火来表示苏是 否对容器内的水加热，这样设计电路既可以节省电路板的使用空间和成木，而且 可以有效的方便的调试工作。方案二：简易温度控制器也可以用比较器、定时器/计数器、bcd七段译

7、 码器、a/d转换器、二极管、发光二极管、继电器等一些数字器件做成既能实 现设计要求，又能显示出具体温度的数字电路，从而是电路功能更加清晰可见。 但是电路就变得复杂起来，而且调试也有些困难，相应的成木也就比较高。经过对方案一和方案二的比较，从电路复杂程度、调试和成本角度出发，还是方案一比较理想，因此选择方案一。2.3系统工作原理选用桥式测压电路，这样可以得出与温度相对应的稳定的电压值。这样会使 得系统的准确度以及稳定性稍好。其中，关于运算放大器选用可以使用lm324; 关于比较电路部分先通过电源和不同阻值的电阻构成分压电路取得预期设定的 电压，然后将检测信号分别和设定信号通过比较器比较得到高低

8、电平，四个高低 电平可以组成逻辑数字，四个数字逻辑通过不同的门电路组合便可根据设计要求 來决定不同的加热器的通断和各种led灯的通断。从而显示加热器以及温度的信 息。其中，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比较容易实现温度检测的功能，同时根据采购的局限，正热敏电 阻可以使用200欧姆滑动变阻器代替，用二极管是否发光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。.单元电路设计3.1温度检测单元电路3.1.1电路结构及工作原理如上图所示桥式温度测量电路。工作原理：当粕电阻电压改变的时候会给运 算放大器部分一个电

9、压差，这个电压差再经过以上的规律放大后可以输出一个电 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。ptloo的阻值与温度之间的关系为r=ro(l+at+btxt)式中，t为摄氏温度; r0为t=0时的阻值；a、b为常数。由于此电路控制精度并不是很高，因此可以 将二次项忽略，这样，铂电阻与温度之间的关系变为r=100q+0. 386q/°ct式 中，100q为pu00在0°c吋的阻值。检测输出可以用电压跟踪比较器输出来消 除负载效应，防止后面的控制和执行电路的等效电阻影响输出精度。而且，整个 电路的输出电压值较低，为保证系统精度减小误差，先

10、将信号用比较器放人后再 送到比较电路与设定电压值进行比较。运算放大器需要选择输入电阻较大的运算 放大器，共模抑制比必须高一点用来提高运放的精度。为了使运放两输入端平 衡，两个5. 6k的电阻要尽量相等，k=5.6k/r2.uo=k(u卜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说明：为使运放在静态时两输入端平衡，令r1=r3，r2=r4。图中如果设a3的输出 为u0，则有ul=5x (100q +0. 386q/°ct) / (2100q+0. 386q/°ct) v u2=5x (100q/2100

11、q)v u0= (u1-u2) r2/r1二k0j1-u2)(其中 k=r2/r1)=5kx (1000 q +0. 386 q /°ct) /(2100 q +0. 386 q/°ct)-100 q /2100 q v5kx0. 386q/°ct /(2100q+0. 386q/°ct)5kx0. 386t/2100令 t=100°c 吋，u0=5v,则 k=54.4,故有 r2/r1=54. 4,取 rl=5. 6kq,则有 r2=304. 64k q ,故有 r1=r2=5. 6k q ,取 r2=r4=300k q。3.1.2电路仿真上

12、图是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，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。其中，该图中的电阻也亦可轻易买到。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h:3

13、 带宽:1mhz针脚数:14工作温度范:-40°c to +85°csvh:no svhc (18-jun-2010)封装类型:dip-3db带宽增益乘积:1mhz 变化斜率:0.5v/(is 器件标号:324 工作温度最低:-40°c 工作温度最高:85°c 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:+5v3.2控制加执行电路3.2.1 比较/显示部分+ 5v+ 5v3600上图为比较/显示部分原理图，其中两个lm339比较门构成窗

14、口比假设urk ite分别对应于40° c和70° c水温，1和仏2可通过调节两电位器设定，另一方 面此和仏2实际人小可通过实验测得。在图2电路屮对水加热，使得在水温在 100° c吋图2的总输出电压为5v，然后测得水温为40° c时图2的总输出电压uo即为ihi，水温为70° c时图2的总输出屯压为uk2。urk uoclte时，即水温在4070° c之间时窗门比较输出为高电平，绿发光二级管点亮，红发光二级管 熄火，指示水温正常。否则绿发光二级管熄火，红二级发光管点亮，处于警报状oiokn丄上图为控制电路，控制电路可以采用图4所示电

15、路。假设ur3和ur4分别对应 于50° c和60° c水温，则ur3和ur4可通过调节两电位器设定。另一方面，ur3 和um的大小可通过实验测得。同样在图2电路中对水加热，使得水温在100° c时图二的总输出电压为uo为5v，然后测得水温为50° c时图2的总输出电压uo即为ur3,水温为60° c时图2的总输出电压ug即为ur4。图4中uo<ur3时，继电器仏和k2的常开触点闭合,加热器山和出都工作；ur3<u0<ur4时，继电器k2的常开触点闭合，加热器h2工作，hi断开;当uour4时,继电器ki和k2的常 开触点都断

16、开，加热器hi和沁都断开，停止加热。3.2.3控制加执行电路仿真14电路仿真如上图所示：当温度在正常值范围内绿灯亮，在正常工作的范围外.时红灯亮，加热器工作时黄灯亮，有由此可见此方案可行。3.2.4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的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

17、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人小。这里我们接上2k欧姆的电丄 m339lm339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。应用范闱:lm339的特点和一些参数1）电压失调小，一般是2mv;2）共模范围非常大，为ov到电源电压减1.5v;3）他对比较信号源的内阻限制很宽；4）

18、lm339 vcc电压范围宽，单电源为2-36v,双电源电压为士iv-士 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（ucc-1.5v） 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

19、列如图。由于lm339 使用灵活，应用广泛，所以世界上各大1c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

20、。两个输入端电压差别大于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。3.3完整电路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伏特和一个正5伏特的电源

21、再加一个接地端，由检测可知当温度为40度时对应1. 2伏特的电压,50对应2. 4,60对应3. 6, 70对应4. 8, 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。3.4电源单元电路u2mc7w5bt图7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，为了给后而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。d，jtf2 ?fs rita四、仿一e miilrmm :?b 2«0 mid «b(&#

22、165;) itbcp) hoi-一vj«a电令戏令odcd丄> ii «口厶必i- b o ：» t <«rvtnjrn?晒biaa51s8<rjlbdalljsnwblr!曬爨疋|111门一 >iiwcixmt llliillfa tza.ik -2wm-2) mr < <> xni/i?/77电子电路仿真软件multisim 图10五、电路的安装、调试与测试5.1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

23、成块里都集成 丫四个相同的功能单元。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的排列。当焊 接的时候，要先预热电路板防止虚焊。焊接时注意安全，锡焊要适量，不可过多 或过少，否则不美观。除此之外，焊接的时候要防止电烙铁接触到自己或者他人, 还耍防止电源线的绝缘皮损坏。器件耍焊接的在有金属一面，有利于器件的止常 导通。焊接时要焊接测试交替进行，这样容易检测出可能出现问题的所在。最后。 补充一点，对于电路的布局，我们分为3部分，如前面所述，在电路板上要规划 好。不能超乎电路板的格子的范围。5.2电路的调试此电路是由电子技术中的模电部分

24、制作而成，由于共模抑制比难以稳定，需 要大量的调试来取得比较精确的数值。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。并及吋更换新的集成块。led灯不亮应检查led是否奋损坏， 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其至烧坏。5.3系统功能及性能测试5.3.1测试方法设计测试时首先耍

25、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i,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屮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的一输岀端始终无电压，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。

26、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2. 6v,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度小于60度大于50度，因此加热部分只冇一个发光二极管 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，w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

27、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度吋的工作状态，此时两个加热器都不工作。绿色发光二极管发光表示温度 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40° c,或者大于70° c吋，根据r0=100欧姆+0. 386欧姆t/° c， 就等于电压小于1. 2v或电压大于4. 8v.此时红色发光二极管发出警报信号；2、当水温40° c到70° c时同理上式，即电压在1.2v到4.8kv时，此时绿色发 光二极管指示水温正常；3、当水温大于50° c，但小于60° c时，即电压在2.4kv到3.6kv时，h1加热器 打开，112加热器关闭（此电路图屮用发光二极管代替）；4、当水温小于50° c,即电压在1.2v到2.4v时,hl. h2两个加热器同时打开, 将容器内的水加热。该电路己基木达到任务要求及性能指标。七、参考文献1康华光电子技术基础-模拟部分m北京：高等教育出版社，2000.72童诗白模拟电子技术基础m北京：高等教育出版社，2000.103成立数字电子技术m