简易温度控制器制作

1、我们本次课程设计的主题是做一个简易温度控制器。根据课题， 我们设计用纯比较运算放大器实现其任务要求。具体方法是采用热敏 电阻作为温度传感器，将温度模拟量转化为数字量，再利用比较运算 放大器与设定温度值进行比较，输出高或低电平至电路控制元件从而 对控制对象进行控制。整个电路分为四个部分：测温电路，比较电路， 报警电路，控制电路。其中后三者为技术重点。为模拟温度变化，此设计用滑动变阻器代替热敏电阻，而加热部 分，用继电器连接两LED灯模拟实现。关键词：温度控制、温度模拟量、纯比较运算放大器目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Docum

2、ent 1、设计任务和要求4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1设计任务4 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.2设计要求4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 2、系统设计5 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 2.1系统要求5 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document 2.2方案设计5 HYPERLINK l bookmark38 o Curren

3、t Document 2.3系统组成及工作原理7 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 3、单元电路设计83.1测温部分单元电路 8电路结构及工作原理8 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 电路仿真8 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 元器件的选择83.2比较部分单元电路8电路结构及工作原理8 HYPERLINK l bookmark73 o Current Document 电路仿真9 HYPERLINK l bookmark59 o Current

4、 Document 元器件的选择93.3报警部分单元电路9电路结构及工作原理9电路仿真10 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 元器件的选择103.4控制部分单元电路10电路结构及工作原理11电路仿真11 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 元器件的选择11 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 4、 系统仿真13 HYPERLINK l bookmark113 o Current Document 5、 电路安装、调试与测试16 HYPERLINK l

5、 bookmark116 o Current Document 5.1电路安装16 HYPERLINK l bookmark119 o Current Document 5.2电路调试165.3系统功能及性能测试17测试方法设计17 HYPERLINK l bookmark129 o Current Document 测试结果及分析17 HYPERLINK l bookmark132 o Current Document 6、参考文献19 HYPERLINK l bookmark136 o Current Document 7、总结和体会20 HYPERLINK l bookmark140 o

6、 Current Document 8、附录211、设计任务及要求1.1设计任务设计并制作一个温度监控系统，用温度传感器检测容器内水的温 度，以检测到的温度信号控制加热器的开关，将水温控制在一定的范 围之内。1.2设计要求1、当水温小于50C时，H1、H2两个加热器同时打开，将容器内 的水加热，；2、当水温大于50C，但小于60C时，H1加热器打开，H2加热 器关闭；3、当水温大于60C时，H1、H2两个加热器同时关闭；4、当水温小于40 C，或者大于70 C时，用红色发光二极管发出 报警信号；5、当水温在40C70C之间时，用绿色发光二极管指示水温正 常；6、电源：220V/50HZ的工频交

7、流电供电。（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室稳压 电源调试）按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路 用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行必要的仿真，仿真通过后购 买元器件，用万用板焊接电路，然后对制作的电路完成调试，撰写设计报告，通过答辩。设计电路时，应考虑方便调试。2、系统设计2.1系统要求主要技术要求为将温度模拟信号转变为数字温度信号再转化为 控制信号，对报警电路和控制电路进行控制。任务要求有四个温度控 制点（分别存在各个器件的控制）.如下（H1.H2均为加热器）：*一红灯f 绿灯红灯Hl. H2Hl.HZH140C50C60C70

8、C2.2方案设计根据任务要求，查阅资料可采用555时基电路、比较运算放大器和555集成逻辑电路的组合电路、纯比较运算放大器电路、单片机。方案一：555时基电路1 RIU 10K162IC1555集成电路接成自激多谐振荡器，Rt为热敏电阻，当水温温度发生变化时，由电阻器R1、热敏电阻器Rt、电容器C1组成的振 荡频率发生变化，频率的变化通过集成电路IC1555的3脚送入频率 解码器集成电路IC2 LM567的3脚，当输入的频率正好落在IC2集成 电路的中心频率时，8脚输出一个低电平，使得继电器K导通，触电 吸合，从而控制设备的通断，形成温度控制电路的作用。方案二：单片机对于单片机而言，由于现阶段

9、专业知识有限，单片机还不能完全 掌握，并且其成本较组合电路更高。方案三：组合电路对组合电路而言，一个组合只能完成一个温度控制点的控制，成 本较高并且非常不实用。方案四：纯比较运算放大器运算放大器可以实现对温度控制的报警和控制加热。综合考虑成本、焊接难度和任务要求后选用了纯比较运算放大器 电路.其有以下优点：输入输出规则、元件体积小、管脚少焊接简单、 价格低廉。2.3系统组成及工作原理原理方框图如下：系统组成及工作原理：由测温部分，比较部分，报警部分，控制 部分四部分组成，测温部分用热敏电阻将温度模拟量转变为数字信 号，与给定值在比较部分进行比较，输出高地电平来控制报警部分的 LED灯和控制部分

10、继电器的开断，进而以弱电控制强电使控制部分的 加热器工作，再改变水温，形成循环，达到控制温度的日的。R12R1450DR2313、单元电路设计3.1测温部分单元电路电路结构及工作原理一个1K0的热敏电阻（改变为滑动变阻器）及控压 电阻组成。水温改变热敏电阻的电阻值，从而改变R12 电阻下端点电压.实现模拟信号向数字信号的转变.此处热敏电阻用可控电阻代替，来模拟热敏电阻的 变化值。电路仿真仿真图如右图，用可控电阻模拟热敏电阻元器件的选择选择使用1KQ的可控电阻来模拟热敏电阻，连接4500的控压电阻3.2比较部分单元电路电路结构及工作原理主要由4个比较运算放大器、4个有等差阻值的电阻组成。通过 运

11、放对测温部分的输出电压和设置电压的比较所输出的电平来控制 报警电路和控制电路。VCC与地间串联的电阻为温度设置电阻。通过 从中取得电压获得温度比较点。电路仿真rlR13 15450Q 45JQ 4500R1G1113R1 450Q144500元器件的选择4500控压电阻8个，8200电阻一个，6000电阻一个，3800电 阻一个，1600电阻一个，四个等差2200的电阻。UA741CN运算放大器1个SN74LS08其内连接4个与门，使用其中1个3.3报警部分单元电路电路结构及工作原理由一个与门、红绿LED和限流电阻组成。由比较部分输出的电平 在与门进行逻辑运算，从而实现报警灯的设计。U1为40

12、C温度比较， 当水温低于 40C，热敏电阻（此设计为可控电阻）上端电压高于设 置电压则输出低电平，通过与门输出低电平后红灯发光。U3为70C 温度比较，当水温高于70C，热敏电阻上端电压低于设置电压则输 出低电平，通过与门输出低电平后红灯发光。当水温高于40 C，低 于70C则U1和U3都输出高电平，通过与门输出高电平后绿灯发光。 由此实现电路报警。电路仿真元器件的选择红LED灯1个，绿LED灯1个，2个控压电阻450Q3.4控制部分单元电路电路结构及工作原理由继电器、加热器（此处用两个LED灯代替）和限流电阻组成。由比较部分输出的电平控制三极管的通断进而控制继电器的开断，从 而实现对加热器工

13、作状态的控制。同上，对U2而言，当水温高于50C， 热敏电阻上端电压低于设置电压，则输出低电平，三极管Q1断开，H2停止工作；当水温低于50C，热敏电阻上端电压高于设置电压， 则输出高电平，三极管Q1导通，H2开始工作。同理，U4亦是如此。电路仿真R416。口 70C1R3 RS1R11 R545QD 4&QQ 45Q1 45QD R15 R16 4500 4501 R5 4&on R8,45Qn R13 R154&QQ 45QQ R14 450fl R5 450fl R5,4500 45Q25EDR201A0512CANECR2U- AL4、温度高于60度，小于70度，H1H2关闭，绿灯亮5

14、VVDDR4160Q 7QCRG600Q5QCR282 0D 40CR93 8 OD 60CR237lkl*Key=A131R11：45QQ 4500R5R20：45QD5、温度高于70度，H1H2关闭，红灯报警5V|R12450D 七hR13 .4&0Q hR15 4&0Q e4500 -R14；450D2U【RTF*4500|Q1R6ftrt160D 7QLRS d&OQ 450QR11 R5450D 450DR20：450fl5、电路安装、调试与测试5.1电路安装此电路是将器件依照原理图焊接于万用板上，其有铜一侧为背 面，方便焊接后电路的导电，电阻，发光二极管，三极管等器件需先 将其引脚

15、剪裁后焊接，焊接时要防止短路等现象的出现，用导线将各 个元件依照原理图连接好后，检查其连接是否正确。将各个部分，有 序地排列好后再焊接，方便焊接好后的调试与检查，特别注意焊接时， 因电烙铁温度很高，要防止烫伤他人或自己。元件依照仿真图购买， 有相关器件购买不到，用其他参数接近的器件代替。在安装过程中电 源要在左侧引出。5.2电路调试根据原理图连接焊接好电路后，就要进入调试阶段，Multisim 仿真虽然成功，但电脑仿真时都是理想情况，与实际状况会有偏差， 所以，连接好的电路多数是无法正常运行的，故需仔细调试修改。我们设计的电路在调试过程中发现如下几个问题：（1）连接好电源后，红灯绿灯同时亮起解

16、决：很显然是与门输出电平有问题，致使红绿两灯都为导通状 态，经查找SN74LS08N的PDF资料后发现，我们在接线时，忽略了 VCC和GND的接线（2）绿灯常亮，红灯熄灭解决：红灯和绿灯不能实现变化，我们首先想到的是与门的输入 电平不对，在运算放大器放大后输出的电平过高，无法实现让红灯亮 起，我们在用万用表测试后发现的确如此，于是，我决定要分压，我 在与门输入端用1:2的比例分压后，一切正常。继电器不工作解决：首先，我用万用表测了继电器是否损坏，经测量后发现， 并未损坏，之后我想到，应该是继电器未接受电压，故无法工作，顺 藤摸瓜，其继电器上一级所接三极管发现了问题的所在，原先在三极 管集电极接

17、了一个450Q的电阻，使其三极管无法导通，故继电器无 法开启，于是，我先尝试将电阻短路，后发现实现继电器工作，然后 我就将电阻去掉了。经过以上修改调试，最后电路达到任务要求。5.3系统功能及性能测试测。试方法设计将电路导通后，调节可控电阻，调整其阻值，然后与给定阻值进 行比较，再观察其报警与控制部分，是否可以按照任务要求的工作， 因与理想状态偏差，故焊接好的电路板与仿真原理图电阻值有所差 异。其测试时，与仿真状态有所不同，但不影响整体任务要求。按照要求，温度的改变会影响热敏电阻的改变，此设计用可控电 阻来模拟电阻的改变。测试结果及分析首先用万用表测量可控电阻及其控压电阻的阻值，然后调节可控 电

18、阻阻值达到40度水温时的给定电阻值以上，此时红灯报警，两继 电器动作，两黄灯亮起；再调节可控电阻阻值至40度水温和50度水 温给定值中间，此时绿灯亮起，红灯熄灭，两黄灯依旧亮着；继续调 节可控电阻阻值至50度水温和60度水温给定值中间，此时绿灯仍亮， 一个继电器断开，一个黄灯熄灭；依旧调节可控电阻阻值至60度水 温和70度水温给定阻值中间，此时，另一工作继电器断开，黄灯熄 灭，绿灯亮；最后将阻值调整到70度水温给定阻值以下，红灯亮起， 绿灯熄灭。其测试结果与设计要求完全复合，经多次测试结果相同。6、参考文献序号书名出版社作者1555时序逻辑电路的原理及应用电子工业陈永甫2数字电子电路毕业设计指

19、导电子工业陈布卿3模拟电子技术基础高教童诗白4数字电子技术基础高教阎石5OP放大电路设计科学冈村迪夫6电子技术基础模拟部分高教康华光7电子技术实验与课程设计机械工业毕满清8电子线路设计、实验、测试高教谢自美7、总结及体会为期三周的数电课设，到了结束的时候，短短的三周时间却让我 学会了许许多多的知识，而且使平时在课内学的知识得到一定的巩 固，三周的时间，我们每天都在忙碌着查阅资料，设计电路，焊接电 路板，写说明书，每天都觉得很开心很新鲜，几个朋友在一起研究方 案，真的觉得很快乐，大家一起，体现了团结的力量，记得大家一起 出去外出买器件，一起在夜晚商量问题，三周的时间真的过的太快， 转眼我们的课设

20、就完成了，看着我们设计出来的电路，我心里真的非 常开心。此次课设，的确让我们学到很多有用的知识，也锻炼了我们的耐 心，让我们明白做好一件事情不是在短暂的时间内就可以完成的，需 要大家一起合作，需要我们用细心，用耐心，才能完成。俗语说实践出真知，现在我终于明白了，只有书本的知识是远远 不能做成一件事情的，没有实践的经验，就无法将一件事情做的完整， 知识只是给予实践帮助的一个脊柱，有了知识才可以让实践寻找到方 向，我们在此次课设中，通过对原理图的设计计算，才选择出器件的 参数，然后再搜寻器件信息，最后选择好器件。在设计时，在仿真时，在制作电路时，我们都遇到许许多多的困 难，但我们都继续努力去探索，

21、改变设计，最终实现了课题要求。我 们将每一个困难都作为未来成功的垫脚石，让我们可以一步一步地迈 向成功。最后，我在此向一只细心帮助指导我们的马老师表示感谢！8、附录450Q电阻820Q 600Q 380Q1KQ可变电阻SN74LS08UA741CN 运放红LED绿LED黄LED三极管S8050继电器HK4100F15个160Q电阻各一个1个1个4个1个1个2个2个2个所用器件信息A A A A A A ASEATING PLANEV V V V V V VSymbolParameterLimitsUnitTest ConditionsMinTypMaxV|HInput HIGH Voltage

22、2.0VGuaranteed Input HIGH Voltage for All InputsV|LInput LOW Voltage0.8VGuaranteed mput LOW Voltage for All InputsV|KInput Clamp Diode Voltage-0.65-1.5VVCc = MIN1 l|N = -18mAVoHOutput HIGH Voltage2.73.5VVcc = MIN, Ioh 二 MAX,V|n 二 Vih or Vil per Truth TableVOLOutput LOW Voltage0.2504VIql = 4.0 mAVcc

23、= Vcc MIN, V|N 一 V【l 济 V|h per Truth Table0.350.5VIol 二 8.0 mAhHInput HIGH Current20VCc = MAX, V|N = 27 V0.1mA=MAX, V|N = 7.0 VhLInput LOW Current-0.4mAVcc = MAX, V|N = 0.4 VlosShort Circuit Current (Note 1)-20-100mAVCc = MAXIccPower Supply CurrentTotal, Output HIGHTotal, Output LOW48mAVCc = MAX88UA

24、741CN双列直插8脚或圆筒8脚封装。工作电压22V，差分电压30V，输入电压土 18V,允许功耗500mWDIPa/CEflDIP8DIPS(Plastic package)- Offset null- Inverting inputNon-Inverting rnputVLo继电器 HK4100F-DC5V-SHG触点形式：1C (SPDT)触点负载：3 A 250 VAC/30 VDC阻抗：100mQ额定电流：3A电气寿命：10万回机械寿命：1000万回线圈参数：阻值（士 10%）： 120。线圈功耗：0.2W额定电压：DC 5V吸合电压：DC 3.75V释放电压：DC 0.5V工作温度：-25 C70C绝缘电阻：100M。线圈与触点间耐压：4000VAC/