电子温度控制器模电课设教材

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）：电气工程学院专业班级：测控111学号:110301025学生姓名：王娜指导教师：（签字）起止时间：2013.07.02-2013.07.12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：电子信息号 学1 王一 5目课程设计论文任务制叽魚逐叽 匕匕 构 亍 岛 一怜 厶冃 上n 一、习 性 纤可頤，K定忖侗 驸敲崩济 战，、丑的芬 疏源帘号 出 的亠一 口W1如件越是 分 。匕 器 戈 常 时图、，朝通W 。细r时 am 臥 破Jtorc杯幺，M锐伽)讪 强88指案M综案凑的 诡+

2、能方用作於周要 列抽一 醸仰OX面心刖必 精！25明甌安案也总幅仙 高宜 各昉易徐定并 能的： 矗昭州难一1 一 , 作需围。 裁思馆的m在路 制所范C 以构郦作仆 。W :并路度1 :出，胡制釣统各 数计电温土 矣B路豁榔系放 参设计作度要对思忧低成摆 现设工精#!分开确副、以组衛 设1 ,2.3.d 设 1 广 2 的 3d 规指导教师评语及成绩日月 宀字年 辩时 答 指 :轨 时 成 平 总注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算它接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。目前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

3、制 器，家用温度控制器例如电冰箱、鸡舍温度控制器都是机械式的，这种温度控制 器较易损坏，且损坏后很难修复，也很难配到相同规格型号的控制器，加之某些 生产厂家对质量的不保证，导致许多控制器出厂就损坏的现象。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。随着工业自动化的普及， 随着科学技术的迅猛发展，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。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

4、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， 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，而本设计选择使用三 端集成稳压器 LM78XX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，而温度控制本设计通过控制继电器来控制加热丝加热或风扇 散热，从而达到控制温度的目的。关键词：温度；放大；电源；继电器；控制。III本科生课程设计（论文）第1章电子

5、温度控制器的方案设计论证 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技术指标 11.3设计方案的论证 21.4总体设计方案框图及分析 3第2章电子温度控制器的单元电路设计 42.1温度监测及控制电路的设计 42.2 12V直流稳压电源的设计 8第3章电子温度控制器的整体电路设计 103.1整体电路图及原理图 103.2电路参数计算 113.3整体电路性能仿真验证 11第4章课程设计总结 13参考文献 14附录I电子温度控制器电路图 15附录U:器件清单 16#I 5劈本科生课程设计（论文）第1章电子温度控制器的方案设计论证1.1电子温度控制器的设计意义温度控制系统在工

6、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。因此本设计提出一种结构相对简单、温度控制稳定、体积小、成本低廉，而且中心温度、温度偏差可随机方便调节设 定的电子温度控制器方案，本设计不仅适用于电

7、冰箱、空调等的温度控制器。而 且适用于各种制冷制热电器设备的温度控制器。1.2电子温度控制器的设计要求及技术指标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。1.2.2

8、技术指标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：25C +80C4. 精度土仁C。1.3设计方案的论证电子温度控制器主要是通过温度传感器将温度信号变成电压信号，再通过控 制电路进行加热或降温。根据实验任务要求，对控制电路部分可以采用多种方案: 如模拟电路控制或单片机控制等多种方案。1.3.1方案一通过热敏电阻或者铂金电阻将温度信号进行采集，然后将温度的电压信号进 行差动放大和滞回比较，再经过多个滞回比较器进行比较，其次再利用放大的信 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。如图1.3.1所示

9、。优点：可以全自动控制，不需要拨挡换位。 缺点：需要大量的集成模块，电路复杂，生产成本高。单个电位器调压电压差指信号图1.11.3.2方案二利用晶体管式温度传感器进行温度测量，当环境温度变化时，晶体管式温度传感 器的阻值也发生变化，直接导致电压变化，进而使运放输出电压发生变化，经过 比较后产生个低电平进入由三极管构成的开关。三极管导通，使发光二极管和继 电器同时工作，启动加热装置；反之，若是三极管不导通，就会停止加热。优点: 反应速度快。缺点：线性度不是很好不能满足设计需求。133方案三该方案同方案一也是通过热敏电阻或者铂金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

10、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1.3.2所示。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。多个电阻档位调压、I单个滞回比较器差动放大电路图1.21.4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

11、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1.4所示。图1.4总体方案设计框图3I 5劈本科生课程设计(论文)第2章电子温度控制器的单元电路设计2.1温度监测及控制电路的设计2.1.1测温电桥的设计VCC12V Rw1VCC 50 %R1 100k Q10k QKey=AUARt1N4735A一 1k Q 50 %Key=A-0R2 20k QR3220 Q13图2.1测温电桥电路如图2.2.1所示，由Ri、F3、Rw及R组成测温电桥，其中R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

12、 工作电流有关。为了稳定R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。Rw可决定测温电桥的平衡。热敏电阻R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 25C-80 C,所以 采用MF5热敏电阻。MF5热敏电阻的阻值随温度变化如表2.2.1所示。表2.1 MF58热敏电阻阻值随温度变化表温度/ c253035404550556065707580电阻/K Q1.000.830.690.570.480.410.340.290.2

13、50.220.190.16#本科生课程设计（论文）2.1.2差动放大电路的设计K00k? 50 %Key=AUo15图2.2差动放大电路差动放大电路如图2.1.2所示。由Al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UoiR7 + Rv2 UU A、R 丿R6IR4R + R6 ；Ub当 R4 =R5 , (R7 Rw2)=R6 时U O1R7 R/V2R4Ub -Ua其中Rw用于差动放大器调零。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2.1.2所示。表2.2差动放大电路输出电压随温度变化温度/ c25

14、3035404550556065707580电阻/K Q1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16U BA /mV020365161707884899296100U01/V023.65.16.17.07.88.48.99.29.610.04络乂诊殳尊本科生课程设计（论文）2.1.3多级调温电路的设计VCC12VRk 5kQRl4.32kRnRm4.53k Q .3.32Ro r2.74k Q 215k Q 1.3kRpRqRsRu1.43kRr1.87k Q： .2.49kS2Ra866Q . 1.37k Q.“ 2.5kRbRcS1rs3

15、50 %Rw41kQ Key=AS4ReRd I2.74k Q ： 3.01k Q 3.9kRfUo2RhRg I 4.32k Q： 7.15kRv1kQRj 4k QRi4.64k11图2.3多级调温电路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2.1.2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, S当作开关来使用，进行电阻变换。即从左向右依次对应25C 30C , 30 C 35T ,35 C 40C, 40 C 45C, 45 C 50C , 50 C 55C , 5

16、5 C 60C, 60 C 65C, 65 C 70C , 70C 75C , 75 C 80C ,共11个档位。调节电位器 臥即可 在该档位内进行调节。2.1.4滞回比较器的设计UT图2.4滞回比较器电路差动放大器的输出电压UOi输入由A2组成的滞回比较器。设比较器输出高电平 为Uoh，输出低电平为Uol，参考电压UR加在反相输入端当输出为高电平UH时，运算放大器同相输入端电位RfR2+RFR2 RfOH当Ui减小到使Uh二Ur时，即Ui - U tlRRfRfR2RfOH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RfR2 + RFUi

17、R2 Rfu ol当Ui增大到使Ul =Ur时，即R2 * RrR2Ui 二Uth 2-Ur 2UolRfRf此后，只要Ui稍有增加，输出就从低电平跳变为高电平。因此，Utl和Uth为输出电平跳变时对应的输入电平，常称Uth为下门限电平， Utl为上门限电平，而两者的差值为AUt二Utr -Utl二R2.： Rf Uoh -Uol。厶5称 为门限宽度，其大小可通过调节 R2/ R-的比值来调节。调节 R4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目的。2.1.5三极管及外围控制电路的设计UT图2.5 三极管及外围控制电路的设计电路差动放大器输出电压UOi经分压后A2组成的滞

18、回比较器，与反相输入端的参考 电压U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Q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俞出负饱和电压，三极管Q饱和导通，三极管Q反相截止。通 过发光二极管LED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 Q和Q都截止，LED和LED2都熄 灭，负载的工作状态为停止。2.2 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

19、网220V勺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 CW7& X，CW7!9 X（国产），LM78XX，LM79XX（美 国），78XX系列稳压器输出固定的正电压，79XX系列稳压器输出的为负电压。T1F2V11220 Vrms50 Hz10:0.55:0.55F11 AMP1 AMPU1LM7812CTLM7912CT图2.6 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，

20、它将交流电从220V下降到几伏或 几十伏。F1、F2、为保险管，用来保护电路中各个器件不因线路接错或器件接错 而导致电流过大而被烧坏。整流二极管 D、D、D3、D4采用IN4007, C1, C2滤波电 容选取大小220卩F的电解电容，G、C6为缓冲负载突变，选取大小为470卩F的 电解电容，C3、G、G、C6的作用为消除三端稳压器可能发生的自激，应选无极性 的金属膜或涤纶电容，一般取大小为0.1卩F的电容。对于三端固定式集成稳压器 U、U2选用LM7812 LM7912可得到土 12V的直流电压，这样就得到了（+ 12V,1A）、 （-12V,1A）两组电源。本科生课程设计（论文）15第3章

21、电子温度控制器的整体电路设计3.1整体电路图及原理图2625100kQ 50 %Key=A 410kQR5 24i10kQ1kQ Key=A50 %A1741R176R810kQ12R320k QR61M28ii0 %5100k QKey=AV11R10rw4：A2741220 Vrms50 Hz0 38D11N4007/ 1N4007：14U1LM7812CTD2C1三-220 卩 F 二C31 AMPIM 510055055D41N4007 j D3 1N4007C4R91MQLINEVREGVOLTAGECOMMONCW100nF15VOLTAGELINEVREG10C7亠470卩亠10

22、0nF0- 1,C6C8470 卩* 100 nFU2 LM7912CTRkRlRmRnRo5k Q . 4.32k4.53k Q3.32 Q 2.74kRp .Rq 2.15k q3 1.3k1.87kRrS1 EQ-：-.-IS350 %1k QKey=ARw4S2RaRbRc866 Q 1.37k QRdRe2.5k Q 2.74k3.01k Q；： 3.9kS4RfRg4.32kRh LRi I Rj7.15k Q 4.64k Q 4k Q3.2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BAminVCCRW1 R2 R3VCCR Rt12V2k2

23、0 k220门12V100k“ Ik.1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VCCVCC12V12VU BAmax=100mVRwiR2R3RiRt2k20k220100k160 门集成运算放大器的电源电压为土 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，则最大放大倍数住 VCC 12V:max120U BAmax 1mV因此我们选择放大倍数为100倍，即-二 R7 氐2 =100R4因此我们选择100kQ电位器，910kQ和10kQ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xkQ ,ykQ,中间电位

24、器Rw4的电阻选择为1kQ时，则可以得到下面的方程：Vtmin 12 x x + yVt max 12x 1 x y 1通过该方程组就可以得到多级调温电阻阻值，具体阻值如表3.2所示。表3.2多级调温电阻阻值位置RkRlRmRnRoRpRqRrRsRuRv阻值/K Q54.324.533.322.742.151.31.872.491.431位置RaRbRcRdReRfRgRhRiRj阻值/K Q0.8661.372.52.743.013.94.327.154.6443.3整机电路性能仿真验证假设需要控制温度在53C，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F

25、W4使温度控制在53C左右。调节电位器Rt使它 在1KQ，即热敏电阻在温度为25E的环境中，用电压表测量电压 Uo1,得到电压I 5劈本科生课程设计（论文）如图3.3(a)所示，并且LED亮,LED灭；调节电位器Rt使它在0.25K Q,即热敏 电阻在温度为65C的环境中，用电压表测量电压Uo1,得到电压如图3.3(b)所示, 并且LED灭丄ED2亮。|5cMM1F卜 -I;,-19图3.3(a) 25 C环境电路电压 UOi图3.3(b) 65C环境电路电压UOi第4章课程设计总结本设计采用开始三种方案，后经实验对比不断改进电路使没有必要的步骤尽量省 略。经过不断的仿真和改进，其中有测温电桥

26、的电路设计，差动放大的电路设计， 多级调温的电路设计，三极管及外围控制电路的设计，集成稳压电源的电路设计， 此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。该系统是 通过热敏电阻或者铂金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。用multisim 12.0完成原理图的绘制，仿真结果达到预期要求。实现了对温度的精确控制，并且制造成本低， 电路相对简单，具有一定的实际意义和价值，利于广泛

27、应用。参考文献1 张国雄编著 测控电路 (第四版)机械工业出版社2013.12 周惠潮编著 常用电子元件及典型应用电子工业出版社20053 纽曼编著 电子电路设计与分析：模拟电子技术 清华大学出版社 2009.14 陈立万等编著模拟电子技术基础及课程设计西南交通大学出版社2008.2胡圣尧等编著模拟电路应用设计科学出版社2009.8 稻叶保编著 模拟技术应用技巧101例科学出版社2006.17 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2009.88 聂典等编著Multisim10原理仿真与PowerPCB 5.0.1印制电路板设计电子工业出版社 20099 张

28、铁柱，张洪信，内燃机冷却风扇温度控制液压驱动系统技术研究，2002,20(3)10 张菁，单片机温度控制系统方案的研究，2007,41(1)11 金燕华，秦开宇，白泰礼，在模式识别下的萃取液温度控制方法研究，2009,38(3)本科生课程设计（论文）附录I电子温度控制器电路图LED2Dz1N4735A220 Vrms50 Hz0 3R1100k Q25Rt:dkQKey=A50 %32R111kQ93121R10Q2Q1271922N2712R4A1A2R5350 %C7COMMONC6C415R6 1MQR824 10kQD1 1N400710kQKey=A100k Q Key=AU2LM7912CTR91MQR121kQD3 1N4007VOLTAGELINEVREGD4-1N4007 j-741LINEVREGVOLTAGEC2辛 2201 100nF10:0.55:0.55 J1 AMPU1 -LM7812CT 14R2:；20kQC3220 p 半 100由1 AMPF1唱kQV115100k Q Key=ARkRlRm5kQ4.32kRa866 QRb1.37kC1C5100 nFC8二；470卩J 100nFLED23A052933RnRoRr4.53k Q 3.321.87kS3S4S2Re3.01k2.74k