模电课程设计温度控制系统的设计.doc

课程设计任务书
学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位：
题 目: 温度控制设计
初始条件：
电阻、二极管、正负12V电源、UA741、电位器、LED、半导体制冷片，温度传感器LM35、开关
规定完毕重要任务: （包括课程设计工作量及其技术规定，以及阐明书撰写等详细规定）
一、设计任务
运用温度传感器件、集成运算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半导体致冷器)等设计一种温度控制器。
二、规定
（1）控制密闭容器内空气温度
（2）容器容积>5cm*5cm*5cm
（3）测温和控温范围： 0℃~室温
（4）控温精度±1℃
三、发挥部分
　　（1）测温和控温范围： 0℃~（室温+10℃）
时间安排：
时间安排：
（1）第18周理论讲解。
（2）第19周理论设计、试验设计及安装调试。
地点：鉴主13楼通信工程综合试验室、鉴主15楼通信工程试验室（1）

指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目 录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
2设计任务及规定 2
2.1设计任务及规定 2
2.2设计思想 2
3 选定方案论证及整体电路工作原理 3
3.1 设计方案选择 3
3.1.1可行方案 3
3.1.2 方案讨论和选择 4
3.2 选定方案论证 5
3.2.1选定温度传感器论证 5
3.2.2选定继电器论证 5
3.2.3选定运算放大器论证 5
3.3 整体电路工作原理 6
4单元电路设计计算、元器件选择及电路图 7
4.1 测温单元 7
4.2 信号处理单元 8
4.3 温度显示单元 9
4.4 控制单元 10
5 整体电路图、元件及器件明细 12
5.1 整体电路图 12
5.2 实物图展示 13
5.3 元件及器件明细 15
6 设计小结 16
6.1 成果评价 16
6.2 本设计特点 16
6.3 存在问题和改善意义 16
参照文献 ………………………………………………………………………… 17

摘要
控制系统一般由温度测量部分和温度控制部分构成。温度测量部分重要用来接受目前系统中温度，然后发送到控制部分；温度控制系统重要是用来控制外部降温系统，它接受来自温度测量部分信号，然后与所要控制温度信号进行比较，从而决定与否降温。本设计同样采用这两大部分，通过对目前与控制温度对比决定与否进行加热，从而到达控制温度目。

关键词：温度；测量；控制。 Abstract
General system for temperature is made of the part of measuring temperature and the part of controling temperature. The part of  measuring is to receive the signal of current temperature. And then ,it will transfor this signal to the part of controling,which is to contorl if it should be heated up or cooled. The part of controling compare it to the controled temperature after receiving the signal from the forward. Then ,it is going to determine is the system need to be heated up or cooled. This design for water temperature is also made of these parts.This system control the temperature of water by comparing temperature to temperature to control to decide if to heat up.So that we can get the destination of controling temperature.

Key words: temperature ; measure ;control

1 绪论
冬暖夏凉是人们对温度第一感觉，而假如要对温度进行精确测量，则要进行运用仪器进行测量，这就要用到温度测量和控制系统。温度控制系统在工业生产，生活娱乐，仪器运行等诸多方面均有着广泛应用。
而现今诸多温度控制系统大多数均有诸多缺陷，最重要就是价格昂贵，反应速度慢或者是精度不高等。这些缺陷使得温度控制部提成为整个系统中一种污点。本设计通过本人自身所学知识，以及所考虑到问题，尽量设计比较完美温度控制系统，但愿通过设计这样一种简朴而价格廉价温度控制系统到达抛砖引玉目。当然，现今应当是存在比我系统愈加完美设计，假如也许，仅但愿提供此外一种设计思绪，也许会有某些火花碰撞。

2 设计技术指标及规定
2.1设计任务及规定
2.1.1设计任务
根据技术规定和所给条件，完毕对温度控制系统设计，装配与调试。
2.1.2 设计规定
一、设计任务
运用温度传感器件、集成运算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半导体致冷器)等设计一种温度控制器。
二、规定
（1）控制密闭容器内空气温度
（2）容器容积>5cm*5cm*5cm
（3）测温和控温范围： 0℃~室温
（4）控温精度±1℃
三、发挥部分
（1）测温和控温范围： 0℃~（室温+10℃）

2.2设计思想
本次设计使用温度传感器搜集目前密室温度，然后通过各部分电路处理，与所要控制电路进行比较。电路根据比较成果决定与否对密室空气进行降温，假如需要制冷会自动启动半导体制冷片。当温度低于所控制温度后，控制部分要断开制冷电路。在不制冷状况下，密室会自动升温，当温度上升到控制温度如下时候电路就会根据此前环节重新来一遍，然后对密室进行降温，然后循环往复执行这样一种周期性动作，从而到达把温度控制在一定范围内目。
3 选定方案论证及整体电路工作原理
3.1设计方案选择
3.1.1可行方案：
方案一：
通过集成运放构成比例器，把温度传感器获得信号放大，再将信号传播给功放，带动半导体制冷片工作，从而实现对温度控制。功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分通过测温度传感器输出端与基准端电压，在转化为对应温度值。其中，基准端电压有事先调试好。
方案二：
运用集成运放在非线性工作区（即饱和区）输出端电压为正负电源电压特性，构造温度比较器，将温度信号离散成为高电平和低电平，高电平时制冷，低电平时加热，从而实现对温度控制。其中功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分方案同方案一。
方案三：
用半导体制冷片分别实现制冷功能，该方案中同样用比较器将温度信号离散为高电平和低电平，高电平时制冷片工作，低电平时，加热器工作，这样就可也实现对温度控制。其中功放电路采用两个独立二级放大电路，且只用正电源。测温部分方案同方案一。

3.1.2方案讨论与选择：

方案一可行，可是存在着许多缺陷，如反应慢，且温度相近时，敏捷度也减少了。

方案二可行，它将变化温度信息转变为离散高电平和低电平，通过功放作用，从而实现对温度控制。不过半导体制冷片一直工作在较大功率条件下，耗能较多，且加热器和制冷器一直有其一在工作中，因此会导致资源挥霍，电路也相对复杂。

方案三可以很好得实现对温度控制和测量，虽然方案三使用电子器件较多且繁杂，电路也较复杂，不过对于控制电路来说愈加精确，迅速，由于不需要对电路进行加热，则这个电路是不错。

综合考虑之后，采用方案三作为详细实现方案。

3.2 选定方案论证
3.2.1选定温度传感器论证
根据设计规定，可以测量并控制0到室温温度，精度要到达±1℃。也就是说基本规定为传感器可以测量0到室温温度，并且具有很好稳定性。再结合性能以及价格方面原因，选择了集成温度传感器LM35。
LM35温度传感器在-55～150摄氏度以内是非常稳定。当它工作电压在4到20v之间是可以在每摄氏度变化时候输出变化10mv。它线性度也可以在高温时候保持得非常好。因此LM35完全符合设计规定。
3.2.2选定继电器论证
继电器是低压控制高压部分，它启动电压以及稳定性相称重要。由于选用电源电压是12V，因此继电器启动电压应当合适低于12V当靠近它，因此选用启动电压为9V比较适合。此外，由于加热部分电流比较大，因此继电器承受电流要大，一般1000W加热装置电流为4.5A，选择4.5A×2=9A以上比较适合。
3.2.3选定运算放大器论证
本设计对放大器规定只是有很好虚短和虚断特性，作为比较器时输出可以靠近电源电压。因此通用型运算放大器便可满足规定。因此选用通用型ua741.

3.3 整体电路工作原理
电路设计总体思想是测温——比较——控温如图3.1所示

加热
温度比较
传感器接受信号
信号处理
显示
控制

图3.3.1 模块框图

传感器采用封装形式，将其放入欲控制系统中。搜集温度所表征信号，重要是电压信号。这个由传感器所采集到信号是非常微弱，因此设计了一种信号处理单元，重要作用是对信号无损放大。放大后信号就可以送到温度比较单元了。这个单元将处理后信号与预订值进行比较，从而决定与否进行加热。显示部分用来显示所测密室和所要控制温度。
4单元电路设计计算、元器件选择及电路图

4.1 测温单元

图4.1.1 测温单元电路图
Vcc
温度传感器需要放入水中，因此应当在电路中引出一种出口来接温度传感器。LM35有三个引脚，其中0接正电源，2接地，这样在1脚就会输出随温度而现行变化电压。详细是每变化1摄氏度，输出电压变化10mV。信号采集单元电路如图4.1.1所示。
4.2 信号处理单元
LM35输出端电压因温度变化1摄氏度而变化10mv，很难检测。因此必须通过一定处理方可成为测量以及控制部分所使用信号。处理措施也就是将它无损放大一定倍数。
因控制或测量温度在30摄氏度时候，LM35输出电压为300mv。温度在0摄氏度时候输出为0mv。经下面计算：

得
即0< Av < 40
Vin

Vcc
考虑计算以便，以及最终输出测量以便，放大倍数为30 为宜。电路-Vee
如图4.2.1。
图4.2.1 信号处理单元电路图
4.3 温度显示单元
温度显示单元承担两个重要任务，重要是显示目前以及控制温度，假如没有它就不懂得自己到哪里了。
温度显示实质上就是电压显示，重要是设计一种可以表征温度电压表。因低温区电压比较小，因此为了提高测量和控制精度，需要设置两个量程。
电阻选择计算：
已知：万用表内阻
满量程为
因此若使其测量10V电压，串联电阻R1需要满足：

带入数据可算出
若使其测量5V电压，串联电阻R2需要满足：

因此可以通过设置一种开关来到达变化量程目。
此外控制和测量温度都需要使用一种表头来显示。如图4.3.1
当单刀双掷开关S2打到左边时候，可以通过调整电位器R7来调整控制电压，详细会在控制单元中阐明。当开关S2打到右边时候，表头用来显示目前传感器传过来通过处理信号，也就是表征温度电压量。

图4.3.1 显示单元电路图

4.4 控制单元
控制单元作用是通过接受来自传感器处理后信号，鉴别与否需要对目前水体进行加热。由于初级放大电路是反向放大电路，因此，电压会变成负电压。因此控制电路处比较基准电压应当从负电源中索取。
电位器选择计算：
为了使电位器在阻值最小时候电路中电流在1.5mA如下，选择固定电阻R为2k。虽然控制温度需要到达30摄氏度，不过为了适应实际，同步以防被毁，控制电压设置最大为50摄氏度。
Vo = 500mV × 30= 15 V
因此电位器选择10k为宜。详细电路图如图4.4.1

图4.4.1控制单元电路图

控制电路是一种比较器，如图4.4.2所示。输出为正负12V，而继电器没有正负，因此必须使比较器输出负电压时候继电器截止，因此把继电器和一种二极管串联，这样当电压为负时候继电器就会很快地断开了。
继电器内部是一种磁线圈，在断电时候会有很大电流，为了保护电路需要在继电器两端并联一种二极管，以使继电器断电后它保留电流可以在二极管和电阻中迅速消完。

图4.4.2继电器使用电路图

5 整体电路图、元件及器件明细
5.1 整体电路图
电路如图5.1.1所示

图5.1.1 水温控制系统整体电路图

5.2 实物图展示

图6.2.1主模块实物图（正面）

图6.2.2实物演示图（背面）

图6.2.3电路板测试图

5.3元件及器件明细
元件及器件明细如表6.3.1所示

表6.3.1元件及器件明细
元件
器件明细
继电器
1个，9V 启动，28A
二极管1N4007
4个
LM35
1个，每1摄氏度输出变化10mV
LED
3个，2个黄，1个红
uA741
3个
电位器
1个 ，10k
单刀双掷开关
1个
一般开关
2个
表头
1个，0.25V，250欧姆
电阻（10kΩ，100kΩ，5kΩ，1kΩ，2kΩ……）
若干，有需要串并联得到

6 设计小结
6.1 成果评价
在电路设计和制作中，使我无形中加深了对模拟电子技术基础理解和运用能力，对书本及此前学过知识有了一种更好总结。在电路实物连接中出现了某些问题，需要不停处理，因此这几周下来，我对问题排查能力有了很大提高；再次，通过本次课程设计，我对设计所用到集成块有了愈加深刻地理解，这对我们后来工作和学习协助都很有用处。
在这次温度控制系统设计中，实物测试还在进行中。
6.2 本设计特点
本设计中采用是价格廉价且又有很好线性度温度传感器LM35，并采用运算放大器几乎无损放大，非常准群反应了所测量温度。此外由于比较器比很好开关特性。
6.3 存在问题和改善意义
温度调控能力和传感器反应速度有非常大关系。假如温度传感器对温度敏感速度非常低，控制器就无法及时得在欲控制温度处停止降温，这样就起不到控制温度目了。LM35反应速度也不是非常快，当我用热水进行试验时候，温度滞后可以到达3到4度。于是我使其贴附在散热片上，这样它对温度反应速度才提高到控制精度为1度以内。
然而，假如控制密室温度上升速度再快点，或者密室再大点，控制精度就又会降下来。因此，在温度传感器方面必须进行改善。我改善意见是加大传感器表面积，或者是跟换效果更好传感器，这样就会在更苛刻条件下也可以有较大精度了。

参照文献
[1]吴友宇. 模拟电子技术基础. 武汉：清华大学出版社，.
[2]康华光．模拟电子技术基础．武汉：高等教育出版社，.7．
[3]舒庆莹，凌玲．模拟电子技术基础试验．武汉：武汉理工大学出版社，.2．
[4]徐国华. 电子技能实训教程. 北京: 北京航空航天大学出版社，
[5]谢自美. 电子线路设计. 第三版. 武汉: 华中科技大学出版社，
[6]万嘉若，林康运. 电子线路基础. 上海: 高等教育出版社，

仪器引脚、特性、使用措施均来自百度文库

本科生课程设计成绩评估表
姓 名

性 别

专业、班级

课程设计题目：
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评估根据：

最终评估成绩（以优、良、中、及格、不及格评估）

指导教师签字：

年 月 日