电子温度控制器课程设计

1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：电子温度控制器电子温度控制器 院（系）：院（系）： 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2014.6.30-2014.7.112014.6.30-2014.7.11 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计题 目 电子

2、温度控制器电子温度控制器 课程设计（论文）任务 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+80。 4.精度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。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，敲定可行方案。 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

3、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。 进程计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：选 择器件进行单元电路设计；第 5 天：单元电路设计及仿真；第 6 天：整体 电路设计并仿真；第 7 天：电路焊接制板；第 8 天：焊接调试；第 9 天： 完善设计；第 10 天：答辩。 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 摘 要 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，才能保证所制造的 产品的质量。电子温度控制

4、系统一般由温度测量部分、温度控制部分和直流稳压 电源部分组成。温度测量部分主要用来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，本设计采用 MF58 热敏电阻； 温度控制系统主要是用来控制外部调温系统的，它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，从而决定是否加热升温或冷却降温；直流 稳压电源部分主要是用来给电子温度控制器供电，一般由电源变压器、整流电路、 滤波电路和稳压电路构成，而我选择使用三端集成稳压器 LM78电路。差动放 大电路和滞回比较器部分电路采用集成 uA741 运算放大器，而温度控制我们通过 控制继电器来控制加热丝加热

5、或风扇散热。经过了 multisim 仿真，验证了工作 温度范围：25+80、精度1指标，基本满足设计要求。 关键词：温度；放大；电源；继电器。 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电子温度控制器概况 .1 1.2 本文研究内容 .1 1.2.1 设计要求 .1 1.2.2 设计参数 .1 第 2 章 电子温度控制器电路设计.2 2.1 总体设计方案框图及分析.2 2.2 具体电路设计.2 2.2.1 测温电桥的设计.2 2.2.2 差动放大电路的设计.3 2.2.3 多级调温电路.4 2.2.4 滞回比较器的设计.5 2.2.5 三极管及外围控制电路的设计.6 2.3 12V 直流稳压电

6、源的设计 .7 2.4 电子温度控制器的整体电路设计.8 2.4.1 整体电路图.8 2.4.2 电路参数计算.9 2.4.3 整机电路性能仿真验证.9 第 3 章 课程设计总结 .11 参考文献 .12 附录：器件清单 .13 第 1 章 绪论 1.1 电子温度控制器概况 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

7、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。 1.2 本文研究内容 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。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 行方案。 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

8、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。 1.2.2 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+80。 4.精度1。 第 2 章 电子温度控制器电路设计 2.1 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

9、压产生参考的电压信号。总体方案框图如 图 2.1 所示。 图 2.1 总体方案设计框图 2.2 具体电路设计 2.2.1 测温电桥的设计 Rt 1k Key=A 50 % Rw1 10k Key=A 50 % R1 100k R2 20k R3 220 VCC 12V 3 Dz 1N4735A VCC 0 1 2 UA UB 图 2.2 测温电桥电路 如图2.2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D

10、Z。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)。负温度系数的热敏电阻又分为 普通型、稳压用、温度检测用、温度控制用等多类，根据设计要求需要检测温度， 因此采用温度检测型NTC热敏电阻。又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2.2所示。 表 2.2 MF58 热敏电阻阻值随温度变化表 2.2.2 差动放大电路的设计 A1 741 3 2 4 7 6 51 R4 10k R5 10k R6 1M Rw2 100k Key=A 50 % Rw3 100k Key=A 50 % 1 4 VCC 12V VC

11、C 0 VEE -12V VEE VEE R7 910k 23 6 7 5 UA UB Uo1 图2.3 差动放大电路 差动放大电路如图2.3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 724726 1 4456 WW OAB RRRRRR UUU RRRR 温度/253035404550556065707580 电阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16 当，时 45 RR 726 () W RRR 72 1 4 W OBA RR UUU R 其中RW3用于差动放大器调零。差动放大电路的

12、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2.3所示。 表2.3 差动放大电路输出电压随温度变化 2.2.3 多级调温电路 S1 S2 S3 S4 Ra 866 Rb 1.37k Rc 2.5k Rd 2.74k Re 3.01k Rf 3.9k Rg 4.32k Rh 7.15k Ri 4.64k Rj 4k Rl 4.32k Rm 4.53k Rn 3.32 Ro 2.74k Rp 2.15k Rq 1.3k Rr 1.87k Rs 2.49k Ru 1.43k Rv 1k Rw4 1k Key=A 50 % Rk 5k VCC 12V Uo2

13、图2.4 多级调温电路 温度/253035404550556065707580 电阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16 /mV BA U020365161707884899296100 /V 1O U023.65.16.17.07.88.48.99.29.610.0 调温电路是通过改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 2.4 所示，该电路主要是通过电阻进行 分压调节。为了可以进行多档位调节，我们选择了拨码开关 S1，S2，S3，S4当作 开关来使用，进行电阻变换。即从左向右

14、依次对应 2530, 3035, 3540, 4045, 4550, 5055, 5560, 6065, 6570, 7075, 7580,共 11 个档位。调节电位器 RW4即可在该 档位内进行调节。 2.2.4 滞回比较器的设计 A2 741 3 2 4 7 6 51 R9 1M R8 10k VCC 12V VEE -12V 2 VCC VEE 1 5 3 Uo2 Uo1 UT 图2.5 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 平为，输出低电平为，参考电压 UR加在反相输入端。 OH U OL U 当输出为高电平时，运算放大器同相输入端

15、电位 OH U 2 22 + F HiOH FF RR uuU RRRR 当减小到使时，即 i u HR uU 22F iTLROH FF RRR uUUU RR 此后，只要稍有减小，输出就从高电平跳变为低电平。 i u 当输出为低电平时，运算放大器同相输入端电位 OL U 2 22 + F LiOL FF RR uuU RRRR 当增大到使时，即 i u LR uU 22F iTHROL FF RRR uUUU RR 此后，只要稍有增加，输出就从低电平跳变为高电平。 i u 因此，和为输出电平跳变时对应的输入电平，常称为下门限电平， TL U TH U TH U 为上门限电平，而两者的差值为

16、。称 TL U 2TTRTLFOHOL UUURRUU T U 为门限宽度，其大小可通过调节的比值来调节。调节 RW4可改变参考电平， 2F RR 也同时调节了上下门限电平，从而达到设定温度的目的。 2.2.5 三极管及外围控制电路的设计 R10 2M R12 1k Q1 2N2712 LED1 VCC 12V 3K K1 EDR201A05 4 Q2 2N3702 2 0 1 R11 1k LED2 6 K K2 EDR201A05 VCC 5 7 8 9 10 UT 丝 丝 丝 丝 丝 图2.6 三极管及外围控制电路的设计电路 如图2.6所示，差动放大器输出电压UO1经分压后A2组成的滞回

17、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都截止，LED1和LED2都熄灭，负载的工作状态为停止。 2.3 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

18、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。 三端稳压器常见的产品有CW78，CW79（国产） ， LM78，LM79（美国） ，78系列稳压器输出固定的正电压，79系 列稳压器输出的为负电压。 V1 220 Vrms 50 Hz 0 D2 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 D5 1N4007 C1 1mF C2 1F C3 100nF C4 100nF U1 LM7

19、912CT LINEVREG COMMON VOLTAGE U2 LM7812CT LINEVREG COMMON VOLTAGE C5 1mF C6 1mF C7 100nF C8 100nF T1 TS_PQ4_12 6 5 4 3 9 2 8 10 0 图 2.7 12V 直流稳压电源电路 图中元件选择：T1为 TS-PQ4-12V 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 1mF 的电解电容，C5、C6为缓冲负载突变，选取大小为 100nF 的电解电容， C3、C4、C5、C6的作用为消除三端

20、稳压器可能发生的自激。对于三端固定式集成 稳压器 U1、U2选用 LM7812，LM7912，可得到12V 的直流电压，这样就得到了 （12V,1A）、（12V,1A）两组电源。 2.4 电子温度控制器的整体电路设计 2.4.1 整体电路图 D1 1N4735A R1 100k Rt 1k Key=A 50% 0 R3 10k Key=A50% R4 20k R5 220 R6 10k R7 10k R8 100k Key=A 50% R9 1M A1 741 3 2 4 7 6 51 R10 910k R11 100k Key=A50% R12 10k A2 741 3 2 4 7 6 51

21、 R13 2M R14 1M LED1 R15 1k LED2 R16 1k Q2 2N2712 Q1 2N3702 K K1 EDR201A05 K K2 EDR201A05 V1 220 Vrms 50 Hz 0 D2 1N4007 D3 1N4007 D4 1N4007 D5 1N4007 C1 1mF C2 1mF C3 100nF C4 100nF U1 LM7912CT LINEVREG COMMON VOLTAGE U2 LM7812CT LINEVREG COMMON VOLTAGE C5 1mF C6 1mF C7 100nF C8 100nF R17 5k R18 4.32

22、k R19 4.53k R20 3.32k R21 2.74k R22 2.15k R23 1.3k R24 1.87k R25 2.49k R26 1.43k R27 1k S1 Key = Space S2 Key = Space R28 1k Key=A50% S3 Key = Space S4 Key = Space R29 866 R30 1.37k R31 2.5k R32 2.74k R33 3.01k R34 3.9k R35 4.32k R36 7.15k R37 4.64k R39 4k 0 0 2 4 5 7 13 17 23 22 25 26 27 28 29 31 3

23、2 33 35 36 37 3839 4041 42 43 44 45 47 48 49 50 51 5253 54 55 56 57 0 58 15 46 3 9 10 21 6 0 59 24 T1 TS_PQ4_12 012 11 1 16 14 8 2.4.2 电路参数计算 测温电桥部分，当 Rt 滑到最上端，即热敏电阻在室温环境时，差模电压最小值 min 1231 1212 0 2202201001 BA Wt VCCVCCVV U RRRRRkkkk 当 Rt 滑到最下端，即热敏电阻在高温环境时，差模电压最大值 max 1231 1212 100 220220100160 BA W

24、t VCCVCCVV UmV RRRRRkkk 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 max max 12 120 100 BA VCCV Umv 因此我们选择放大倍数为 100 倍，即 72 4 100 W RR R 因此我们选择 100k 电位器，910k 和 10k 电阻。 对于多级调温电路电阻阻值的计算，可以先设同一档位的电阻分别为 xk,yk，中间电位器 RW4的电阻选择为 1k 时，则可以得到下面的方程： min12 max12 11 Vt xxy Vt xxy 通过该方程组就可以

25、得到多级调温电阻阻值，具体阻值如表 2.5 所示。 表2.5 多级调温电阻阻值 位置RkRlRmRnRoRpRqRrRsRuRv 阻值/K54.324.533.322.742.151.31.872.491.431 位置RaRbRcRdReRfRgRhRiRj 阻值/K0.8661.372.52.743.013.94.327.154.644 2.4.3 整机电路性能仿真验证 假设需要控制温度在 53，则需要将拨码开关从左向右第 6 个开关闭合，电 路就接入了电阻 Re 和 Rp，调节 RW4使温度控制在 53左右。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

26、压 Uo1，得到电压 如图 2.8 所示，并且 LED1亮, LED2灭；调节电位器 Rt 使它在 0.25K，即热敏 电阻在温度为 65的环境中，用电压表测量电压 Uo1，得到电压如图 2.9 所示， 并且 LED1灭,LED2亮。 图 2.8 25环境电路电压 UO1 图 2.9 65环境电路电压 UO1 第 3 章 课程设计总结 电子温度控制系统一般由温度测量部分、温度控制部分和直流稳压电源部分 组成。温度测量部分主要用来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，本设计采用 MF58 热敏电阻；温度控 制系统主要是用来控制外部调温系统的，它接收来

27、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，从而决定是否加热升温或冷却降温；直流稳压 电源部分主要是用来给电子温度控制器供电，一般由电源变压器、整流电路、滤 波电路和稳压电路构成，而我选择使用三端集成稳压器 LM78电路和 LM79电路，输出电压约为 12.5V。差动放大电路和滞回比较器部分电路采用 集成 uA741 运算放大器，差动放大器将测温电桥输出电压 U 按比例放大。调温 电路是通过改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。滞回比较器通过改变参考电平来控制温度，温度控 制我们通过控制继电器来控制加热丝加热或风扇散热。经过了 multisim 仿真， 验证了工作温度范围：25+80、精度1指标，基本满足设计要求。 参考文献 1 康华光主编.电子技术基础（模拟部分）.第五版.北京：高等教育出版社, 2005. 2 华成英主编.模拟电子技术基本教程. 北京：清华大学出版社，2009.8. 3 李杰等编著.电子技术基础.北京：清华大学出版社，2008. 4 百度网站 5