基于模拟电路的温度控制系统

1、目录1前言12设计方案22.1 方案论证：22.2 显示选：23单元模块设计：41 传感器检测电路：41 基准电压电路：51 温度指示电路：61 电压比较放大电路：81 电源电路：91 电压比较放大电路：101 555多谐报警电路：11.软件设计13.系统功能、指标参数14.系统调试：15.设计总结18设计小结：18设计收获体会：18设计建议：18.参考文献：19附录201前言在钢铁、机械、石油化工、电力、等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一；随着科学技术和生产发展，需要对各种参数进行测量，温度是工业对象中主要的被控参数之一.在冶金工业，化工生产，电力工程，机械制造和食品加工等

2、许多领域中，人们都需要对各种环境中的温度进行检测和控制，温度控制对于大型工业和日常生活用品等工程都具有广阔的应用前景.例如冶金工业中的炼钢炉温度控制、化工生产中的培养皿温度控制、食品加工车间的温度控制等。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。温度测量与控制系统是自动控制技术、计算机技术、电子技术和通信技术的有机结合，综合发展的产物。具内容十分的丰富，它包括各种数据的采集和处理系统、自动测量系统、生产过程自动控制系统等，广泛应用于工厂自动化、商业自动化、实验室自动化等人类活动的各个领域。随着工业的发展，对温度控制提出了更多更高的要求，因而热处理技术也向着优

3、质、高效、节能、无公害方向发展。温度控制是一种具有纯滞后的系统，加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，目前的温度控制系统大多建立在一定的数学模型基础上，对被控对象中的非线性、时变性及随机干扰无能为力，因此，提高系统的抗干扰能力成为关键性的技术。首先，控温精度要高。其次，当环境发生变化而影响到控温精度时，要有合适的手段进行调整以达到精度要求。而且，为了方便进行工艺的研究，需要能保存温度数据。最后，由于生产中的实际情况，控制设备要求操作方便，易于维护，成本较低等等。常用的温度控制方法有：电接点温度表温度控制、位式温度显示调节仪温度控制、PID连续电流输出温度显示调节仪表温度控制、PID连

4、续电压输出温度显示调节仪表温度控制。这些温度控制方法大都是在工业生产现场安装温度控制仪表，通过提前设定温度控制的上下限值或PID控制参数，然后再将控制仪表投入使用，进行各种预定的控制。但若被控对象发生变化，难于实时的调整控制参数，不能满足实时控制的要求，而且温度变化曲线的一一记录不易实现。2.设计方案电路要获得必要的外界温度信息，必须要通过传感器来获得信息。如何获得被测信号是核心任务，而对测控对象状态的测试和对测控条件的检察也是不可缺少的环节。温控电路适用于0C100C±2C。包含传感器电路，放大电路，温度比较电路，利用三极管的特性控制加热器加热等自动反馈电路。并用A/D转换显示数值

5、。传感器选择方案一：采用热敏电阻温度传感器。热电阻是利用道题的电阻随温度变化的特性之称的测温元件。铜电阻的温度系数大，价格低，易于提纯加工；但电阻率小，在腐蚀性介质中实用性稳定性差，用于-50180c方案二：MTS-102当温度从-40+150C是其精确度为±2摄氏度体积小成本低。方案二较方案一温度指标更接近于实验任务目标，且更稳定可靠显示选择方案一：由555时基电路，四个十进制计数器显示所示温度，利用选通门的通断时间与被测温度呈现一定的线性比拟关系得到，进入计数器的脉冲代表温度的高低。方案二：利用ICL7017型A/D转换器把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模COMS电路与

6、LED组成数字电压。由于检测温度值（灵敏度为10mV/C）,若显示250则表明当时温度有25Co方案二较方案一更简便集成，且无冒险。所以选择方案二图1.设计框图LM324为价格编译的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器轩昂比，它一显著优点其工作在低压3.0伏活到高到32伏的电源下，静态电流大致为MC1741的静态电流的五分之一，其模输入范围包括负电源，因而消除了再许多应用场合中采用外部偏置元件的必要输出电压范围也保安负电源电压。通过基准电压的设定控制需要的温度再将实际测量的温度转化为电量与基准电压相比较，若低于基准电压则输出低电平。加热器加热，一旦高与基准电压输出高电

7、平三极管截止,同时高电平激活555所组成的多谐振荡器促使其产生规律的方波放出报警声。3单元模块设计、传感器检测电路：传感器检测检测电路有晶体管式温度传感器V1,电阻器R1、电容C3和运算放大MTS-102g的温度系数线性度相当高。Motorola公司的MTS10源温度传感是经过特殊设计，并为满足传感器的要求进行了优化处理的二极管。可广泛用于汽车和工业产品的温度检测系统。因为这些场合强调低成本和高精度。当温度从-40+150C变化时，用TO-92标准封装的这种传感器的温度准确度可达到土2C。电路图原理：VI的发射结的电压降（VBE随着环境温度的变化而变化，温度上升时，VI的导通内阻变小，发射结的

8、电压降也减小.使N1的输出减小。电压跟随器的AV=1但是它的输入电阻RT8，输出电阻RiT0。该电路几乎不从信号源吸取电流，输出电压不变消除了负载变化对输出电压的影响。1.V7GSrif；'Fi2Z”GeFSSrio3.VqqFeoP20W】Pi0图3晶体管敏感系数基准电压电路：基准电压电路由电阻器R4R5R&电位器RP1RP2RP3稳压二极管VS和IC1内部的N4组成。图4基准电压电路如图所示：电压源产生9V的电压经R5限流，VS稳压过后产生+6V左右的基准电压，一路经过R4,RP1分压过后卫N2的正向输入端提供基准电压，另一路先经LM324缓冲放大，然后经过RP2,RP协压

9、过后，再经R8加至N3的正相输入端作为N3的基准电压。RP3用来设定控制温度值；RP2用来设定RP3的最大输出电压（调试时，调节RP2第5页的阻值，使RP3的最大输出电压为设定值；RP1用来设定N2正相输入端的基准电压（调试时，调节RP1的阻值，使N2的正相输入电压）。由于稳压二极管存在稳定的4V电压则，由此可知当我们需要50c时我们可以调节RP2,RP3f£N3的3脚输出50mv则确定限定值V=VS*RP3/RP2+RP3电压基准与系统有关。在要求绝对测量的应用场合，其准确度受使用基准值的准确度的限制。但是在许多系统中稳定性和重复性比绝对精度更重要；而在有些数据采集系统中电压基准的

10、长期准确度几乎完全不重要，但是如果从有噪声的系统电源中派生基准就会引起误差。图5电压比拟温度指示电路温度指示电路由电阻器R2、R3、N2以及数字电压表组成图6温度指示电路N2正相53MV后输出的为指示电压，为V1所检测的温度值（灵敏度为10mv/每C）,如电压为250mv则所示电压为25Co利用求差电路来计算出基准电压使数字电压原理：ICL7107:是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模CMOS集成电路，它具有低功样：输入阻抗高：噪声低：能直接驱动共阳极LED显示器：不需要另加驱动器件，使转换电路简化的特点以下为各管脚功能的特点ICL7107引脚功能V+和V-分别为电源的正极和负极，a

11、u-gu,aT-gT,aH-gH：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。Bck:千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。PM:液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。Oscl-OSc3:时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：Fosl=0.45/RCCOM:模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。TEST:测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。VREF+VREF-:基准电压正负端

12、。CREF:外接基准电容端。INT:27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件IN+和IN-:模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。AZ:积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47仙F,而2V满刻度是0.047仙F。BUF:缓冲放大器输出端，接积分电阻Rinto其输出级的无功电流(idlingcurrent)是100仙A,而缓冲器与积分器能够供给20林A的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，具值在满刻度200mV时选用47K,而2V满刻度则使用470K。ICL7107的工作原理双积分型A/D

13、转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间问隔，然后利用脉冲时间间隔,进而得出相应的数字性输出。838电子它的原理性框图如图2所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时问。它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。具振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。由其与LED组

14、成的电路直接显示所测温度。电压比较放大电路电压比较放大电路有N3和电阻器R6,R7组成，N3选用LM324H四运放集成电路。较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。图1(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2R3=RF贝UVout=RF/R1(

15、VA-VB),RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(目当于R1、R2短路)，R3=RF=o(相当于R3RF开路)时，Vout=8。增益成为无穷大，其电路图就形成图1(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。如下为电路图7电压比较放大电路2端为输入基准电压，3端输入实际温度电压。当检测到的环境温度低于RP3的设定温度时，N3输出低电平约，当温度升高超过设定的温度电压时，N3又输出高电平约温度的比较出现如下电平.高电平激活报警器同时停止加热。比较器通过开环增益输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，速度快。LM324做电压比较器，当其输出高电平的时候，若在LM324上加的电源电

16、压是5V,那么它输出的高电平要减去324内部的晶体管的饱和压降，只能是接近5V。电源电路电源电路由由开关，电源变压器T1,整流桥堆UR,滤波电容C1,C2三端稳压集成器7809,R10,VL1组成的电路。使用单相桥式整流电路，2.2V2VL=二=0.9V2采用7809作为三端稳压器正常工作时，输入输出电压差为2-3V。电路中靠近引脚处接入电容C1,C2可用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，输出地电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V这7个档这里选择6V档作为输出当电源开始工作时VL1点亮。同时对外输出6V电压控制执行电路控制执行电路由电阻器

17、R9、晶体管V2、继电器K、交流接触器KM、二极管VD和工作指示发光二极管VL2组成。、图9控制执行电路当温度升高至设定温度时，N3输出高电平，使V2截止，K和KM释放，VL2熄灭，电电热器EH断电而停止加热。随后环境温度又缓慢下降，当温度降至RP3的设定温度时，K和KM又吸合，EH又通电加热。如此周而复始，使受控场所的温度恒定在设定温度附近。境温度低于RP3的设定温度时，N3输出低电平，使V2饱和导通，K和KM通电吸合，VL2点亮，电热器EH通电工作，使环境温度缓慢上升。555多谐报警电路由多谐方波发生器发出的警报产生规律的警报。TPL=O.7R16C9TPH=0.7(R16+R17)C9当

18、4输入为高电平555启动发出警报，当4输入低电平时3无输出。只要设定好电阻和电容的值，就能让其产生相位滞后的方波脉冲。NE555内部电路图如图3.4.2,555定时器由3个阻值为5kQ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲(或使其电压低于0.7V)可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器

19、输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V3V,输出电流可达200mA因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V-18V范围内使用。当VI1>2/3VCC,VI2>1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0,G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。当VI1<2/3VCC,VI2>1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。当VI1>2/3VCC,VI2<

20、;1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1,G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。当VI1<2/3VCC,VI2<1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1,G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。4软件设计ISIS:Proteus软件是LabcenterElectronics公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES软件,K块，ARE破块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。Proteus的软件仿真基于VSMg术，它与其他软

21、件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LEDLCD等等。通过Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。Protel介绍：在PCB部分，除了Protel2004中的多通道复制；实时的、阻抗控制布线功能；SitusTM自动布线器等新功能以外0还着重在：差分对布线，FPGA器件差分对管脚的动态分配，PCB和FPGA之间的全面集成，从而实现了自动引脚优化和非凡的布线效果。还有PCB文件切片，PCB多个器件集体操作，在PCB文件中支持多国语言（中文、英文、德文、法文、日文），任意

22、字体和大小的汉字字符输入，光标跟随在线信息显示功能，光标点可选器件列表，复杂BGA器件的多层自动扇出，提供了对高密度封装（如BGA的交互布线功能，总线布线功能，器件精确移动，快速铺铜等功能。交互式编辑、出错查询、布线和可视化功能，从而能更快地实现电路板布局，支持高速电路设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具.AltiumDesigner6.0对差分信号提供系统范围内的支持，可对高速内连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。支持包括对在FPGA项目内部定义的LVDS信号的物理设计进行自动映射。LVDS是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。AltiumDesigner可充分利用当今

23、FPGA器件上的扩展I/O管脚。其次在原理图部分，新增加“灵巧粘帖”可以将一些不同的对象拷贝到原理图当中，比如一些网络标号，一页图纸的BOM点，都可以拷贝粘帖到原理图当中原理图文件切片，多个器件集体操作，文本筐的直接编辑，箭头的添加，器件精确移动，总线走线，自动网标选择等！强大的前端将多层次、多通道的原理图输入、VHDL开妗和功能仿真、布线前后的信号完整性分析功能。在信号仿真部分，提供完善的混合信号仿真，在对XSPICE标准的支持之外，还支持对Pspice模型和电路的仿真。对FPGA设计提供了丰富的IP内核，包括各种处理器、存储器、外设、接口、以及虚拟仪器。5系统功能，参数VI发射结的电压降（

24、Vbe）随着环境温度的变化而变化。温度上升时，V1的导通内阻变小，发射结的电压降也减小，使N1的输出电压降低，N2的输出电压升高，N4的输出电压则下降。PV用来指示V1检测的温度值（灵敏度为10m>C）,若PV指示电压值为250mV则表明温度为25CoRP3用来设定控制温度值；RP2用来设定RP3的最大输出电压（调试时，调节RP2的阻值，使RP3的最大输出电压为tV）:RP1用来设定N2正相输入端的基准电压（调试时，调节RP1的阻值，使N2的正相输人端电压为530mV。在VI检测到环境温度低于RP3的设定温度时，N3输出低电平（约0.65V）,使V2饱和导通，K和KM通电吸合，VL2点亮

25、，电热器EH通电工作，使环境温度缓慢上升。当温度升高至设定温度时，N3又输出低电平（约5V）,使V2截止，K和KM释放，VL2熄灭，电电热器EH断电而停止加热。随后环境温度又缓慢下降，当温度降至RP3的设定温度时，K和KM又吸合，EH又通电加热。如此周而复始，使受控场所的温度恒定在设定温度附近。并且根矩ICL7017数字显示所组成的电压表中七段译码器显示出当前温度。W1电位器调整后，其中间抽头的电压与电位器W2中间抽头的电压分别送入比较放大器B（放大倍数为1）的反相及同相输入端，B输出端的电压为二输入电压之差.此电压对应两个设定的温度值之差.例如将W1调至0.10V,对应温度10C；将W调至O

26、.80V,对应温度80c.B的输出电压为0.70V,表示温度70c.此电压与集成温度传感器输出的电压送到电压比较器C中进行电压比较.大于则报警铃声产生有规律的响声并且伴随加热器工作的停止当显示250时则表示当前温度为25C,可根据此RP卜RP3均选用线性电位器。RP卜RP3均选用线性电位器。C1和C2均选用耐压值为25V的铝电解电容器；C3选用独石电容器或涤纶电容器。YD选用1N4001或1N4007型硅整流二极管。VS选用1W6V左右的硅稳压二极管，例如1N4735等型号。VL1和VL2均选用小5mm勺发光二极管，VL1为红色，VL2为绿色。UR选用1A、50V的整流桥堆，也可用4只1N40

27、01桥接后代替。V1选用MTS-102型晶体管式温度传感器（也可用负温度系数的热敏电阻器代替）；V2选用S8550或30（8550型硅PNP®体管。IC1选用LM324型四运放集成电路；I02选用7809型三端稳压集成电路。K选用JRX-13F型6V直流继电器。KM选用线圈电压为220V的交流接触器，其触头电流容量应根据EH的实际功率400W数字电压表采用ICL7107,T选用35W二次电压为12V的电源变压器。S选用5A、220V的交流电源开关。6系统调试6.1基准电压比较调试本次主要是对基准电压和电压比较器进行仿真，主要是对电阻的大小，输出信号的调试。图11基准电压比较调试N3的

28、正输入端电压高于N3的负输入端的电压输出为5V调节N2的输入电压直到N2的输出端可以输出稳定的线性电压在N3的负输入端规律的下降的情况下N3的输出可以输出承线性的电压曲线。输出电压Vout与VAVB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2R3=RF则Vout=RF/R1(VA-VB),RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(目当于R1、R2短路)，R3=RFr(相当于R&RF开路)时，Vout=oo0增益成为无穷大。反复调节基准电压，即RP1,R4的阻值，最终调试当N3正端输入1130mV6.2555报警器调试这次

29、主要是对555的输出波形占空比，调节为50%勺占空比即在R端高电平时输出如下波形图13输出波形6.3数字电压表调试数字电压表显示当前温度的大小田段修圄湾口占冷：用：忖刀.：工V1:图14数字电压表调试1辨认引脚：芯片的第一脚，是正放芯片，面对型号字符，然后在芯片的左下方为第一引脚。也可以把芯片的缺口朝左放置。2记住关键点的电压：芯片的第一脚是供电，正电压是5V。第36脚是基准电压，正确数是1V,第26引脚是负电源引脚，在-3到-5都是正确的3.在连线没有“短路”或者“开路”故障，那么，点乱可以正常工作了。利用一个电位器我们分别可以调出50mV,100mV,190mV数值，如果差别太大微调36脚的电压。他们依次输入到ICL7107的第31脚，数码管应该对应分别显示50.0,100.0,190.0的数值，允许有2-3的误差。D5,D6,C6,C7,R8,R9,Q1,L1组成负电压产生电路，如果没有这个负电压，显示就会出错。接着就要调ICL7107的36脚电压，这是给IC的基准电压，调整VR1可调电位器,使36脚电压为100mV。在标准电压源未接入的情况下，数码管应该显示000,有可能最后一位会跳到1,是的话就把表头装进壳里再看显示。将标准电压源调整到一个固定值，此时显示的电压值和标准电压源的电压值不一样，调整VR2使显示正确。再将标准电压源调整到其他值，看表头显示是否正确