电网13-2鲍玉宝 电子技术课程设计改

1、辽宁工程技术大学电子技术课程设计课程设计名称： 电子技术课程设计 题 目： 闭环温度控制器设计 学 期：2014-2015学年第2学期专 业： 智能电网信息工程 班 级： 电网13-2 姓 名： 鲍玉宝 学 号： 1305080201 指导教师： 李季 辽宁工程技术大学课 程 设 计 成 绩 评 定 表评定标准评定指标标准评定合格不合格单元电路及整体设计方案合理性正确性创新性仿真或实践是否进行仿真或实践技术指标或性能符合设计要求有完成结果设计报告格式正确内容充实语言流畅标准说明：以上三大项指标中，每大项中有两小 项或三小项合格，视为总成绩合格。总成绩日期年 月 日课程设计任务书一、设计题目闭环

2、温度控制器设计二、设计任务1.用灯泡模拟加热系统，在设定温度20°c以下灯泡自动亮（加热），达到25°c时灯泡自动灭。2.温度低于20°c或高于25°c时报警。3. 接交流220V电源即可工作。三、设计计划电子技术课程设计共1周。第1天：选题，查资料；第2天：方案分析比较，确定设计方案；第34天：电路原理设计与电路仿真；第5天：编写整理设计报告书。四、设计要求1. 画出整体电路图。2. 对所设计的电路全部或部分进行仿真，使之达到设计任务要求。3. 写出符合设计格式要求的设计报告书。 指 导 教师：李 季 时 间：2015年6月25日目录综述11 方案设计

3、与分析21.1温度传感器的选择21.2放大器电路的选择21.3比较器的选择31.4加热电路设计31.5报警电路设计.3电磁继电器的工作原理：32 原理及技术指标42.1 测量放大器42.1.1 测量电桥电路52.1.2 闭环放大电路72.2 控制电路92.3驱动电路.102.4 加热模块102.5报警电路.10 3单元电路设计及参数计算.123.1电路原理设计及参数计算.123.2电源设计134 仿真运行145 心得体会186 参考文献.19摘要温度是我们生活中非常重要的一个物理量，它在日常生活中的应用很广，例如在工厂车间或者仓库中，需要将温度控制在一定的范围内，为此，设计了一个满足要求的闭环

4、温度控制器，此设计提高了温度控制的精度，使控制更加方便简洁，相对于其他电路来说，闭环温度控制器的性能更好更优越。本设计采用灯泡模拟加热系统，利用含有热敏电阻的电桥电路实现温度传感，由放大电路和滞回比较器的组合，控制加热系统的加热与否。令系统在温度20°c以下灯泡自动点亮（加热），温度上升到25°c时灯泡自动熄灭（停止加热），低于20°c或高于25°c时，报警装置启动。如此将温度控制在20°c到25°c范围内。利用此电路，可根据灯泡的亮与灭判断系统是否进行加热，方法简单易行。同时，本设计需要提供特电压定电源，故附加了电源设计部分。 关键

5、词：闭环温度控制器；灯泡；热敏电阻；桥式电路；滞回比较器；电源；报警电路； 综述温度是我们生活中非常重要的一个物理量，它在日常生活中的应用很广，如空调，冰箱，电热水器等等，对它的测量和控制更有着十分重要的意义。尤其随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，温度的控制和检测变得愈加重要。常用的温度传感器通常有热敏电阻和热电偶，通过比较分析本设计采用热电偶作为温度传感器，最后用闭环控制电路实现对温度的测量和控制，其核心元件是比较器。在众多比较器中，本设计选用了具有滞回特性、抗干扰能力较好的滞回比较器。通过查阅资料，设计出了一个包括加热电路、报警电路、滞回比较器、放大器和电桥电阻的闭环温度

6、控制电路。1 方案论证通过查阅资料发现，目前较为常用的有两种方案方案一：采用热敏电阻。灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。 方案二：采用热电偶作为温度传感器，由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制

7、作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。转换电路复杂，成本高。 综合以上两种方案，电热偶的灵敏度比较低，热敏电阻灵敏度比较高，因此，本次课设选用热敏电阻方案。1.1温度传感器的选择常用的温度传感器有热敏电阻和热电偶温度传感器，由于热电偶温度传感器灵敏度比较低，热敏电阻的灵敏度较高，且本实验本着经济原则，利用热敏的组作为温度传感器。1.2放大器电路的选择为了实现输出电压与输入电压的某种运算关系，运算电路中的集成运放应该工作

8、在线性区，因而电路中必须引入负反馈。通常应用反相比例运算电路和加减运算电路。查阅资料可知，反相比例运算电路为单输入复杂电路，故不宜采用；加减运算电路不但具有计算电压差，还可以进行放大预算，电路简单。所以采用加减运算电路。1.3比较器的选择比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。在测量和控制中有着广泛的应用。比较器的种类有：单限电压比较器、滞回比较器、窗口比较器。根据各电路特点，本实验采用滞回比较器。1.4加热电路设计加热电路首要考虑开关控制方式。可选用的方案有三极管和继电器，通过比较分析，继电器易于控制，实行简单，故电灯开关由继电器控制。1.5 报警电路设

9、计 报警电路采用窗口比较器控制灯光报警系统，当温度低于20°c或者高于25°c时，灯光报警器报警。电磁继电器的工作原理：继电器是一种电控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器所控制的输出电路导通或断开。 继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，广泛应用于电力保护自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。报警电路2 原理及技术指标 控制电

10、路 测量放大器 驱动电路 传感器 加热模块 图2-1 闭环温度控制框图该电路设定一个初始温度值，与之对应的电压电流值为初设值，将此初设电压电流值传输给测量放大器，经放大器对电压放大并将电流传输给控制电路（此为滞回比较器），滞回比较器的输出电压值在一定范围内保持不变，但若输入的电压超过此范围，就会影起滞回比较器输出电压的变化。当电流流经驱动电路时，使电路中的发热元件（此为灯泡）发热，从而温度升高。温度的升高由热敏电阻Rt接收，再由温度传感器传输给电压比较器，与初设值比较，使电压输入量减少，从而减少发热元件的发热，使温度降下来。若发热元件发热不足，温度传感器传输给电压比较器的电压值就变小，使得输入

11、电压变大，增加发热元件的发热，是温度上升。如此循环，就能使温度处于一定的范围内，达到对温度的控制。2.1 测量放大器本设计用到的测量放大电路由测量电桥电路和闭环放大电路组成。2.1.1 测量电桥电路 5vRwR2R1VaVbR3Rt 图2-1-1 a 测量桥式电路图如上测量电阻电桥电路是由不同阻止的电阻和热敏电阻Rt组成的，通过改变Rw的值可调节该电桥电路的输出电压。Rw的值确定后，当温度发生变化时，热敏电阻Rt就会有很大的变化，使得电桥电路输出电压发生很大变化，从而对后面电路的效果产生影响。如上电桥电路，其电桥平衡条件为： R3/(R2+R3)=Rt/(Rt+R1+Rw) （2-1） 当电桥

12、平衡时 VA=VB （2-2） 热敏电阻器Rt是敏感元件的一类，按照温度系数不同可分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的特点是对温度敏感，在不同的温度下表现出不同的阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻越小，它们都属于半导体器件。热敏指数B是热敏电阻的材料常数，是热敏电阻的重要指标。B值越大，热敏电阻器越灵敏，即受温度影响后阻值的变化越大。本设计采用的负温度系数热敏电阻器（NTC），其阻值计算方法为： Rt=Ro*eB*(1/T-1/To) （2-3） 式中Rt为温度为T时热敏电阻的阻值

13、，Ro为室温To下热敏电阻的阻值，B为热敏指数，一般在2000K6000K之间，其计算式为： B=T1*T2/(T2-T1)ln（RT1/RT2） （2-4）T、To、T1、T2均为开尔文温度（即T=273.15+摄氏度）。RtT 图2-1-1 b 热敏电阻Rt的特性曲线含有热敏电阻的桥式电路在整个系统中起到了温度传感的重要作用。2.1.2 闭环放大电路闭环放大电路由两部分组成，一部分是由两个电压跟随器构成的电压缓冲器，对电压进行缓冲，保证后面的电路更好的运行；另一部分是一个用于电压放大的电压放大器，使后面的电路有明显的反应。 A2 A1 Va VcR4 VdR5 R6 Vb图2-1-2 a

14、电压缓冲器电路图 R9 A3R7 VcUi VdR8R10 图2-1-2 b 电压放大器电路图 A1 A3 VaR9 A3 A3 A2 A3R4R7R5UiR8R6R10 Vb 图2-1-2 c 测量放大器电路图2.2 控制电路滞回比较器是一种电压控制器件，用它做控制器，可以解决单限比较器抗干扰能力差和差分比较器受干扰产生误翻转的问题。 A4R11 UiR13Ve5vR12 R14Dz 图2-2-1 滞回比较器电路图 如图2-2-1 为滞回比较器的电路图，可以看出其传输特性具有线性滞回的特点。设其输出高低电平电压分别为UoH和UoL，则两个门限电压UT1，UT2分别为：UT1=Vcc*R12/

15、（R12+R14）+UoL*R14/（R12+R14） （2-5）UT2=Vcc*R12/（R12+R14）+UoH*R14/（R12+R14） （2-6）UT2与UT1的差值称为滞后电平，其值为：UT2-UT1=R14（UoH-UoL）/（R12+R14） （2-7）其中UoL=-UDZ，UoH=UDZ由此可见，滞后电平可以用R12和R14来调节，选择合适的值，则可以消除干扰。2.3 驱动电路 Ve 12v 直线继电器D KAR15 KT U 图2-3 驱动电路（直线左），加热电路（直线右）报警电路（蓝线下）如图2-3 左半部分为驱动电路，其中KA为继电器。设当驱动电路的输入电压为U1时，三

16、极管T导通，继电器KA工作，其动合触点闭合（K闭合），灯泡被点亮，开始加热；当驱动电路输入电压为U2时，三极管T截止，继电器KA停止工作，其动合触点断开（K断开），灯泡熄灭，停止加热。2.4 加热模块如图2-3 右半部分，用灯泡模拟加热系统，当开关K闭合时，灯泡被点亮，开始加热；当开关K断开时，灯泡熄灭，停止加热。2.5 报警电路 窗口比较器包括差分电路级和负载电路级。差分电路级根据输入电压生成一对差分电流，当输入电压为一参考电压时，差分电流根据具有一最大值和一最小值的输入电压变化，负载电路级从参考电流和与从差分电流中选出的电流相对应的电流生成输出电压。通过产生参考电流和所述电流，按第二电流是

17、否大于参考电流来确定一电压范围。由于窗口比较器的窗口按所述电流和参考电流形成，从而输出电压电平根据输入电压是否落入电压范围发生变化。 图2-4 报警电路 如上图的窗口比较器，当温度在T1与T2之间时，热敏电阻Rt的阻值也在一个范围里变化，对应的电压也在一个范围里变化。当电压变化大于Vrl小于Vhl时窗口比较器输出为零，灯泡X2不亮，报警系统不工作。当电压变化大于Vhl小于Vrl时，窗口比较器输出高电平，灯X2被点亮，报警系统开始工作。3 单元电路设计及参数计算3.1电路原理设计及参数计算+5V +12V A1 R9 KADRwR4 R7K A3R11 A4 R13 R15R1 R2R5TR82

18、20v R6R10 +5V R12Rt R3 A2 R14 Dz 图3-1 闭环温度控制电路（除报警电路外）如上图，为电路原理图。通过Rw和对温度的设置，控制A1、A2的输入电压（热敏电阻Rt的存在会使其数值改变），当电压发生变化时，A1、A2将变化的电压传输给A3，A3将所得电压放大再交给滞回比较器A4处理，当A4所得输入电压能够使其输出电压对后面的电路产生影响时，即将原来截止的三极管T变为导通状态，将原来熄灭的灯泡点亮；或者将原来导通的三极管T变为截止状态，将原来点亮的灯泡熄灭，停止加热。例如，当温度升高为25°c时，电压值达到阀值电压UT2，滞回比较器的输出电压为Uo=+UDZ

19、，使加热电路停止加热，灯泡熄灭。当温度下降到20°c时，电压值达到阀值电压UT1，滞回比较器输出电压为Uo= UDZ，使加热电路开始加热，灯泡点亮。电路中的参数： R1=570 R2=R3=R7=R8=R11=R12=R15=10K R4=R5=R6=1K R9=R10=R14=100K R13=2K Rt=1K（通常为25摄氏度下） Rw=1K UDZ=±6V代入以上数据有： UT1=4V，UT25.1V设B=2000K，将温度控制在20（T1）到25（T2）摄氏度之间，e取2.72，则 RT1=1000*2.722000*(1/(20+273.15)-1/(25+273

20、.15)909.1 RT2=1000*2.722000*(1/(25+273.15)-1/(25+273.15)666.73.2 电源设计本设计需要特定电压电源（+5v，+12v），现对电源设计做出说明。 电路图如图4-1所示：图4-1 直流稳压电源电路图4 仿真运行用multisim软件进行仿真，下图为仿真电路图 图4-1 闭环温度控制器仿真电路图此时万用表伏特档示数如图，为2.415V。用Rt两端电压值的变化来体现温度的变化。打开运行开关后，软件开始仿真，此时由于还是室温下，低于20°c，所以灯泡被点亮，开始加热，如下图，灯泡被点亮 图42 开始运行的电路图由上图可见，继电器动合

21、触点闭合，灯泡被点亮，图中显示为变黄，加热开始。随着温度的升高，Rt的阻值将会减小，由于multisim中没有热敏电阻，故用在Rt两端并联电阻的方式表示其电阻值变小，用串联电阻的方式表示其电阻值变大。如下图 图4-3 温度上升到25°c时的仿真状态如图表示温度上升到25°c时的电路状态，热敏电阻因温度升高而电阻值减小，影响了桥式电路的输出电压，使得继电器动合触点断开，灯泡熄灭，停止加热，即灯泡再次显示为白色，此时Rt两端的电压值减小为1.593V。当温度下降到20°c时，热敏电阻因温度下降而电阻值再次升高，影响桥式电路的输出电压，使得继电器动合触点闭合，灯泡被再次点亮，开始加热，即图中灯泡再次显示为黄色，此时热敏电阻的端电压变大为3.257V，如下图 图4-4 温度下降到20°c时的仿真状态这样，整个电路如此循环，就能将温度控制在20&