"簡(jiǎn)易溫度控制器的設(shè)計(jì)摘要簡(jiǎn)易溫度控制器是采用熱敏電阻作為溫度傳感器,由于溫度的變化而引起電壓的變化，再利用比較運(yùn)算放大器與設(shè)置的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行比較，輸出高或低電平從而對(duì)控制對(duì)象即加熱器進(jìn)行控制。其電路可分為三大部分：測(cè)溫電路，比較/顯示電路，控制電路。關(guān)鍵詞：測(cè)溫，顯示，加熱！}目錄TOC\o"1-3"\h\u8812一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 112855設(shè)計(jì)內(nèi)容 125170設(shè)計(jì)要求 11083二、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 121954系統(tǒng)要求 14510系統(tǒng)工作原理 12599方案設(shè)計(jì) 19184三．單元電路設(shè)計(jì) 230117溫度檢測(cè)電路 226808電路結(jié)構(gòu)及工作原理 218121電路仿真 330051、元器件的選擇及參數(shù)的確定 4802比較/顯示電路 429043電路結(jié)構(gòu)及工作原理 429509電路仿真 53374元件的選擇及參數(shù)的確定 54166、溫度控制單元電路 518358電路結(jié)構(gòu)及工作原理 51457溫度控制單元仿真電路 627532電源部分 713443四.系統(tǒng)仿真 918101結(jié)論 926136致謝 118278參考文獻(xiàn) 11一、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(shè)計(jì)內(nèi)容采用熱敏電阻作為溫度傳感器，由于溫度變化而引起電壓的變化，再利用比較運(yùn)算放大器與設(shè)置的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行比較，從而通過輸出電平對(duì)加熱器進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)要求首先通過電源變壓器把220V的交流電變成所需要的5V電壓；當(dāng)水溫小于40℃時(shí)，H1、H2兩個(gè)加熱器同時(shí)打開，將容器內(nèi)的水加熱；當(dāng)水溫大于50℃，但小于70℃時(shí)，H1加熱器打開，H2加熱器關(guān)閉；當(dāng)水溫大于50℃時(shí)，H1、H2兩個(gè)加熱器同時(shí)關(guān)閉；當(dāng)水溫小于30℃，或者大于80℃時(shí)，紅色發(fā)光二極管報(bào)警；當(dāng)水溫在30℃～80℃之間時(shí)，用綠色發(fā)光二極管指示水溫正常[2]。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求系統(tǒng)主要要求將溫度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再將其轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，從而對(duì)顯示電路和控制電路進(jìn)行控制，從而自動(dòng)的調(diào)節(jié)水溫，系統(tǒng)工作原理通過對(duì)水溫進(jìn)行測(cè)量，將所測(cè)量的溫度值與給定值進(jìn)行比較，利用比較后的輸出信號(hào)至加熱部分，讓加熱部分調(diào)控水溫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫控制的目的。同時(shí)也反應(yīng)到顯示部分，讓其正確的表示溫度的狀態(tài)。溫度值的變化引起電阻值的變化，從而最終引起測(cè)溫電路輸出的電壓值的變化，經(jīng)過后邊比較電路進(jìn)行比較，從而控制顯示電路和加熱電路。方案設(shè)計(jì)為了使信號(hào)輸出誤差很小，選用橋式測(cè)壓電路，這樣可以得出較為準(zhǔn)確的與溫度相對(duì)應(yīng)的電壓值，關(guān)于比較部分可以選用比較器LM339構(gòu)成窗口比較器，再利用滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)上下限電壓，將輸出電壓值與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較來控制三極管，以達(dá)到使綠色和紅色二極管根據(jù)不同溫度亮滅的目的。同時(shí)也將第一部分輸出的電壓值在比較部分進(jìn)行比較來控制繼電器以達(dá)到控制外電路的目的。通過對(duì)電路設(shè)計(jì)要求的全面考慮，使用LM324比較容易實(shí)現(xiàn)第一部分的功能，同時(shí)為了方便電路的調(diào)試，熱敏電阻可以使用150歐姆的滑動(dòng)變阻器代替，至于繼電器和外部電路，可以用發(fā)光二級(jí)管將其代替，用發(fā)光二極管的亮滅來表示其是否對(duì)容器內(nèi)的水加熱，這樣設(shè)計(jì)電路既可以節(jié)省電路板的使用空間和成本，而且可以有效的方便的調(diào)試工作[8]。三．單元電路設(shè)計(jì)３.１溫度檢測(cè)電路電路結(jié)構(gòu)及工作原理圖1如圖1所示橋式溫度測(cè)量電路，檢測(cè)元件可采用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器,運(yùn)放要選擇輸入電阻較大的，Pt100的阻值與溫度之間的關(guān)系為R=R0(1+At+Bt×t)式中，t為攝氏溫度；R0為t=0時(shí)的阻值；A、B為常數(shù)。由于此電路控制精度并不是很高，因此可以將二次項(xiàng)忽略，這樣，鉑電阻與溫度之間的關(guān)系變?yōu)镽=100Ω+Ω/℃t式中，100Ω為Pt100在0℃時(shí)的阻值。為使運(yùn)放在靜態(tài)時(shí)兩輸入端平衡，令R1=R3,R2=R4。圖1如果設(shè)A3的輸出為U0，則有U1=5×[(100Ω+Ω/℃t)∕（2100Ω+Ω/℃t）]VU2=5×(100Ω/2100Ω)VU0=（U1-U2）R2/R1=K(U1-U2)(其中K=R2/R1)=5K×[(100OΩ+Ω/℃t)/(2100Ω+Ω/℃t)-100Ω/2100Ω]V≈5K×Ω/℃t/(2100Ω+Ω/℃t)≈5K×2100令t=100℃時(shí),U0=5V,則K=,故有R2/R1=,取R1=Ω，則有R2=Ω，故有R1=R2=Ω，取R2=R4=300KΩ。工作原理是當(dāng)鉑電阻阻值改變時(shí),會(huì)給運(yùn)放部分一個(gè)較小的電壓，這個(gè)電壓再經(jīng)過運(yùn)算放大器放大后輸出一個(gè)電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)是隨鉑電阻阻值變化即溫度值而變化。這個(gè)輸出電壓為后面的比較電路提供一個(gè)比較值,從而控制顯示電路和加熱電路。電路仿真圖2圖2則為在設(shè)計(jì)軟件下仿真的截圖，在末端可以加裝電壓表，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可以使輸出電壓改變，于是可以得出其已經(jīng)具備將溫度值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)的能力[3]。用滑動(dòng)變阻器代替熱敏電阻，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器模擬熱敏電阻阻值隨溫度的變化，由公式R=100+Ω可以得30℃、40℃、50℃、70℃80℃以及低于30℃和高于80℃水溫對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)變阻器的阻值，從而控制輸出電壓。、元器件的選擇及參數(shù)的確定為了獲得比較高的測(cè)量精度，電阻可以選用1%的五環(huán)金屬膜電阻；或者采用電位器調(diào)節(jié)得到兩只匹配的300k電阻，使阻值盡可能實(shí)現(xiàn)匹配，提高電路的共模抑制比，A1和A2要選擇輸入電阻較大的運(yùn)算放大器，如TL082，A3要選擇精度較高的，輸入電阻較大，共模抑制比較高的運(yùn)算放大器，如OP07，LF412等[6]。比較/顯示電路電路結(jié)構(gòu)及工作原理圖3圖3為比較/顯示電路，其中A4,A5兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成窗口比較器，連接兩個(gè)滑動(dòng)變阻器,通過調(diào)節(jié)電位器來設(shè)定40℃和70℃相對(duì)應(yīng)的電壓值。假設(shè)UR1和UR2分別對(duì)應(yīng)40℃和70℃水溫，則UR1和UR2可通過調(diào)節(jié)電位器R1和R2設(shè)定。另一方面，UR1和UR2實(shí)際大小可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。對(duì)水加熱，使得在水溫為100℃時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓為5V，然后測(cè)得水溫為40℃時(shí)A3輸出電壓UO即為UR1，水溫為70℃時(shí)的輸出電壓即為UR2。顯示電路由兩個(gè)三極管和紅、綠發(fā)光二極管及其電阻組成。當(dāng)UR2>U0>UR1時(shí)，即水溫在40度到70度之間時(shí),窗口比較器輸出為高電平，綠發(fā)光二極管點(diǎn)亮，紅發(fā)光二極管熄滅，指示水溫正常。否則綠發(fā)光二極管熄滅，紅發(fā)光二極管電亮，處于報(bào)警狀態(tài)。電路仿真圖4電路仿真如圖4所示當(dāng)U0在UR1和UR2之間時(shí)即水溫在40℃和70℃之間，綠發(fā)光二極管點(diǎn)亮，表示水溫正常。在U1和U2的范圍外時(shí)亮紅燈，因此符合要求。元件的選擇及參數(shù)的確定此部分為了比較電壓大小運(yùn)放可以選取LM339，兩個(gè)電位器可以選10k大小，運(yùn)放的電壓為正負(fù)12v，滑動(dòng)變阻器的上邊電壓接5v，兩個(gè)三極管使用2sc1815,構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路,更重要的一點(diǎn)兩個(gè)比較器還需要兩個(gè)的上拉電阻以保證三極管的正常運(yùn)行。、溫度控制單元電路電路結(jié)構(gòu)及工作原理圖5如圖5所示控制電路由兩個(gè)LM339運(yùn)放，晶體三極管，電位器，繼電器，加熱器及電阻組成。通過調(diào)節(jié)電位器來改變電壓，從而控制加熱器。設(shè)UR3和UR4分別對(duì)應(yīng)50℃和60℃的水溫，則UR3和UR4可通過調(diào)節(jié)電位器來設(shè)定。另一方面，UR3和UR4的大小可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。利用加熱電路對(duì)水進(jìn)行加熱，使得水溫為100℃時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0為5V，然后測(cè)得水溫為50℃時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0即為UR3，水溫為60℃時(shí)測(cè)溫電路輸出電壓U0即為UR4。當(dāng)U0<UR3時(shí)，即水溫小于50度，兩個(gè)繼電器常開觸點(diǎn)閉合，加熱器H1和H2都工作。UR3<U0<UR4時(shí)即水溫在50到60度之間,繼電器K2的常開觸點(diǎn)閉合，加熱器H2工作，H1斷開。當(dāng)U0>UR4時(shí)兩個(gè)繼電器都斷開,兩個(gè)加熱器都停止工作[5]。溫度控制單元仿真電路圖6[2]由圖6仿真電路可得當(dāng)U0的電壓小于3v且大于時(shí)只有一個(gè)加熱電路工作，當(dāng)U0小于時(shí)，兩個(gè)加熱電路都會(huì)工作，當(dāng)電壓U0大于3v時(shí)兩個(gè)加恩電路將會(huì)停止工作。上圖為大于3v時(shí)的仿真圖。由仿真圖可以看出，水溫小于50℃時(shí)，兩個(gè)加熱器同時(shí)對(duì)水進(jìn)行加熱；水溫在50℃和60℃之間時(shí)，只有一個(gè)加熱器工作；水溫高于60℃時(shí)，兩個(gè)加熱器都停止加熱。因此電路設(shè)計(jì)符合題目要求。電源部分圖7[2]如圖7所示直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電源。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定[7]。濾波電容為C1、C2選用較大值電容，要求不高的地方可以選用較小的電容；且選用三端集成穩(wěn)壓器來輸出穩(wěn)定的直流電源；整流電路采用橋式連接方式[4]。系統(tǒng)仿真[2]仿真截圖圖8由電壓表讀數(shù)ｖ可知其電壓在ｖ和2ｖ之間的檢測(cè)電路故應(yīng)該亮綠燈，也在3v在之間，故只有一個(gè)加熱電路工作。進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí),用滑動(dòng)變阻器代替熱敏電阻,在控制電路部分用兩個(gè)發(fā)光二極管代替繼電器和加熱器。當(dāng)兩個(gè)發(fā)光二極管同時(shí)發(fā)光,則表示兩個(gè)加熱器同時(shí)工作；有一個(gè)發(fā)光則表示一個(gè)加熱器工作；兩個(gè)均不發(fā)光則兩個(gè)加熱器都關(guān)閉[6]。結(jié)論通過仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，其結(jié)果與電路要求相符合。再通過電路板的焊接及其調(diào)試，能完全實(shí)現(xiàn)電路功能。用滑動(dòng)變阻器模擬熱敏電阻，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來改變輸出電壓，再利用比較器與設(shè)置溫度值對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行比較，從而對(duì)后邊電路進(jìn)行控制。水溫小于40攝氏度時(shí)，紅色發(fā)光二極管發(fā)出報(bào)警信號(hào)且H1和H2兩個(gè)加熱器同時(shí)加熱；水溫在40至60攝氏度之間時(shí)，綠色發(fā)光二極管指示水溫正常，且一個(gè)加熱器工作，另一個(gè)加熱器關(guān)閉；水溫在60到70攝氏度之間時(shí)，綠燈亮且兩個(gè)加熱器都停止工作。顯示電路和加熱電路完全按照測(cè)溫電路的溫度變化而有規(guī)律的變化，滿足設(shè)計(jì)要求。致謝電子技術(shù)綜合訓(xùn)練為我們提供了一個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的平臺(tái)，使我們從掌握單純的理論知識(shí)到學(xué)會(huì)用理論知識(shí)分析解決問題，通過這兩周時(shí)間的努力學(xué)習(xí)，通過老師和同學(xué)的幫助順利完成老師布置的任務(wù)，同時(shí)這次訓(xùn)練也使我們的知識(shí)更加豐富，而且開拓了我們的思維，培養(yǎng)了獨(dú)立實(shí)踐、創(chuàng)新精神。參考文獻(xiàn)[1]《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》