电子温度控制器

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）： 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： 本科生课程设计（论文）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：电子信息教研室本科生课程设计（论文）I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

2、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1、布置任务，查阅资料，理

3、解掌握电子温度控制器的控制要求。 （1 天）2、确定温度检测方式，设计温度检测电路。 （2 天）3、建立温度自动控制系统电路。 （2 天）4、设计电子温度控制系统所需的直流稳压电源电路.（2 天）5、对电子温度控制系统进行仿真，确定器件参数，分析系统性能。 （2 天）6、撰写、打印课程设计论文。 （1 天）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 日本科生课程设计（论文）II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

4、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 u

5、A741 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。本科生课程设计（论文）III 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

6、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 .16本科生课程设计（论文）IV附录：器件清单 .17本科生课程设计（论文）0第 1 章 绪论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

7、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

8、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。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

9、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。本科生课程设计（论文）11.2.2 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。本科生课程设计（论文）2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

10、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。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。单片机18B20外围温度控制LCD1602本科生课程设计（论文）3图 2.1.2

11、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）4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Dz1N4735AR1100k

12、R220k R3220 Rt1kKey=A50%Rw110kKey=A50%VCC12VUaUb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所示。表 3.1.1 MF58 热敏电阻阻值随

13、温度变化表本科生课程设计（论文）53.1.2 差动放大电路的设计510k R410k R61M Rw3100kKey=A50%Rw2100kKey=A50%VCC12VVEE-12VR7910k UaUbUo1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72472614456WWOABRRRRRRUUURRRR 当，时45RR726()WRRR7214WOBARRUUUR其中RW3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

14、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/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16本科生课程设计（论文）63.1.3 调温电路Rw4100kKey=A50%R1020k VCC12VUo2图3.1.3 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 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

15、之间变化。温度/253035404550556065707580电阻/K1.000.830.690.570.480.410.340.290.250.220.190.16/mVBAU020365161707884899296100/V1OU023.65.16.17.07.88.48.99.29.610.0本科生课程设计（论文）73.1.4 滞回比较器的设计A27413247651R810k R91M VCC12VVEE-12VUo2Uo1Uo3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为，输出低电平为，参考电压 UR加在反相输入

16、端。OHUOLU当输出为高电平时，运算放大器同相输入端电位OHU222+FHiOHFFRRuuURRRR当减小到使时，即iuHRuU22FiTLROHFFRRRuUUURR此后，只要稍有减小，输出就从高电平跳变为低电平。iu当输出为低电平时，运算放大器同相输入端电位OLU222+FLiOLFFRRuuURRRR当增大到使时，即iuLRuU22FiTHROLFFRRRuUUURR此后，只要稍有增加，输出就从低电平跳变为高电平。iu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，TLUTHUTHU为上门限电平，而两者的差值为。称TLU2TTRTLFOHOLUUURRUUTU为门限宽度，其

17、大小可通过调节的比值来调节。2FRR本科生课程设计（论文）8 图 3.1.4(b) 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目的。3.1.5 三极管及外围控制电路的设

18、计Q12N2712Q22N3702LED1LED2R121kR131kVCC12VR112MKK3EDR201A05KK4EDR201A05丝 丝 丝丝 丝Uo3本科生课程设计（论文）9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

19、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。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压，79系列稳压器输出

20、的为负电压。T1TS_MISC_VIRTUALV1220 Vrms 50 Hz 0 D21N4007D31N4007D41N4007D11N4007C50.1FC60.1FC70.1FC80.1FC1680FC2680FC3100FC4100FU1LM7812CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU2LM7912CTLINEVREGCOMMONVOLTAGE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，C

21、3、C4为缓冲负载突变，选取大小为 100F 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 0.1F。对于三端固定式集成稳压器 U1、U2选用本科生课程设计（论文）10LM7812CT，LM7912CT，可得到12V 的直流电压。本科生课程设计（论文）11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

22、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。图 4.1 整体电路图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min1231121202202201001BAWtVCCVCCVVURRRRRkkkk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Q12N2712Q22N3702LED1LED2R121kR131kR112MKK1EDR201A05KK2EDR201A05Dz1N4735AR1100k R220k R3220 Rt1kKey=A10%RW110kKey=A50%A1741324765

23、1R510k R410k R61M Rw3100kKey=A100%Rw2100kKey=A100%R7910k A27413247651R810k R91M Rw4100kKey=A50%R1020k V1220 Vrms 50 Hz 0 D21N4007D31N4007D41N4007D11N4007C1680FC2680FC3100FC4100FC50.1FC60.1FC70.1FC80.1FU1LM7812CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU2LM7912CTLINEVREGCOMMONVOLTAGET1TS_AUDIO_VIRTUAL丝 丝 丝丝 丝本科生课程设计（论文）

24、12max12311212100220220100160BAWtVCCVCCVVUmVRRRRRkkk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maxmax12120100BAVCCVUmv因此我们选择放大倍数为 100 倍，即724100WRRR因此我们选择 100k 电位器，910k 和 10k 电阻。对于调温电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

25、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, LED1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) 25环境电路电压 UO1本科生课程设计（论文）13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

26、，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。本科生课程设计（论文）14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 2580的温度控制器。本设计由测温电桥、差

27、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 12

28、V 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。本科生课程设计（论文）15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 电子技术基础实验东北大学出版社 2010.10.7 纽曼编著 电子电路