1、 课程设计说明书 第 页 I 简易温度控制器的设计 摘要 简易温度控制器是 采用热敏电阻作为温度传感器 ,由于温度的变化而引起电压的变化，再利用比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较，输出高或低电平从而对控制对象即加热器进行控制。其电路可分为三大部分：测温电路，比较 /显示电路 ，控制电路。 关键词 ： 测温 ， 显示 ， 加热 课程设计说明书 第 页 II 目录 一、设计任务和要求 . 1 1.1 设计内容 . 1 1.2 设计要求 . 1 二、系统设计 . 1 2.1 系统要求 . 1 2.2 系统工作原理 . 1 2.3 方案设计 . 1 三单元电路设计 . 2 3.1 温度检测
2、电路 . 2 3.1.1 电路结构及工作原理 . 2 3.1.2 电路仿真 . 3 3.1.3、元器件的选择及参数的确定 . 4 3.2 比较 /显示电路 . 4 3.2.1 电路结构及工作原理 . 4 3.2.2 电路仿真 . 5 3.2.3 元件的选择及参数的确定 . 5 3.3、温度控制单元电路 . 5 3.3.1 电路结构及工作原理 . 5 3.3.2 温度控制单元仿真电路 . 6 3.4 电源部分 . 7 四 .系统仿真 . 9 结论 . 9 致谢 .10 参考文献 .10 课程设计说明书 第 1 页 一、设计任务和 要求 1.1 设计内容 采用热敏电阻作为温度传感器，由于温度变化而
3、引起电压的变化，再利用比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较，从而通过输出电平对加热器进行控制。 1.2 设计要求 首先通过电源变压器把 220V 的交流电变成所需要的 5V电压； 当水温小于 40 时，H1、 H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热；当水温大于 50 ，但小于 70 时，H1 加热器打开， H2 加热器关闭；当水温大于 50 时， H1、 H2 两个加热器同时关闭；当水温小于 30 ，或者大于 80 时，红色发光二极管报警；当水温在 30 80 之间时 ，用绿色发光二极管指示水温正常 2。 二、系统设计 2.1 系统要求 系统主要要求将温度模拟量转化为数字量，再将其
4、转化为控制信号，从而对显示电路和控制电路进行控制，从而自动的调节水温， 2.2 系统工作原理 通过对水温进行测量，将所测量的温度值与给定值进行比较，利用比较后的输出信号至加热部分，让加热部分调控水温，从而实现对水温控制的目的。同时也反应到显示部分，让其正确的表示温度的状态。温度值的变化引起电阻值的变化，从而最终引起测温电路输出的电压 值的变化，经过后边比较电路进行比较，从而控制显示电路和加热电路。 2.3 方案设计 为了使信号输出误差很小，选用桥式测压电路，这样可以得出较为准确的与温度相对应的电压值，关于比较部分可以选用比较器 LM339 构成窗口比较器，再利用滑动变阻课程设计说明书 第 2
5、页 器来调节上下限电压，将输出电压值与设定的电压值进行比较来控制三极管，以达到使绿色和红色二极管根据不同温度亮灭的目的。同时也将第一部分输出的电压值在比较部分进行比较来控制继电器以达到控制外电路的目的。通过对电路设计要求的全面考虑，使用 LM324 比较容易实现第一部分的功能，同时为了 方便电路的调试，热敏电阻可以使用 150 欧姆的滑动变阻器代替，至于继电器和外部电路，可以用发光二级管将其代替，用发光二极管的亮灭来表示其是否对容器内的水加热，这样设计电路既可以节省电路板的使用空间和成本，而且可以有效的方便的调试工作 8。 三单元电路设计 . 温度检测电路 3.1.1 电路结构及工作原理 图
6、1 如 图 1 所示桥式温度测量电路，检测元件可采用铂电阻 Pt100 作为温度传感器 ,运放要选择输入电阻较大的， Pt100 的阻值与温度之间的关系为 R=R0(1+At+Bt t) 式中，t 为摄氏温度； R0 为 t=0 时的阻值； A、 B为常数。由于此电路控制精度并不是很高，因此可以将二次项忽略，这样，铂电阻与温度之间的关系变为 R=100 +0.386 / t 式中，100为 Pt100 在 0时的阻值。 为使运放在静态时两输入端平衡，令 R1=R3,R2=R4。图 1 如果设 A3 的输出为 U0，则有 U1=5 (100 +0.386 / t)（ 2100 +0.386 /
7、t） V 课程设计说明书 第 3 页 U2=5 (100 /2100 )V U0=（ U1-U2） R2/R1 =K(U1-U2) (其中 K=R2/R1) =5K (100O +0.386 / t)/(2100 +0.386 / t)-100 /2100 V 5K 0.386 / t /(2100 +0.386 / t) 5K 0.386t/2100 令 t=100时 ,U0=5V,则 K=54.4,故有 R2/R1=54.4,取 R1=5.6K，则有 R2=304.64K，故有 R1=R2=5.6K，取 R2=R4=300K。 工作原理是当铂电阻阻值改变时 ,会给运放部分一个较小的电压，这
8、个电压再经过运算放大器放大后输出一个电压信号，此电压信号是随铂电阻阻值变化即温度值而变化。这个输出电压为后面的比较电路提供一个比较值 ,从而控制显示电路和加热电路。 3.1.2 电路仿真 图 2 课程设计说明书 第 4 页 图 2 则为在设计软件下仿真的截图，在末端可以加装电压表，调节滑动变阻器可以使输出电压改变，于是可以得出其已经具备将温度值转变为电压信号的能力 3。 用滑动变阻器代替热敏电阻，调节滑动变阻器 模拟热敏电阻阻值随温度的变化，由公式 R=100+0.386t可以得 30、 40、 50、 70 80以及低于 30和高于 80水温对应的滑动变阻器的阻值，从而控制输出电压。 3.1
9、.3、元器件的选择及参数的确定 为了获得比较高的测量精度，电阻可以选用 1%的五环金属膜电阻；或者采用电位器调节得到两只匹配的 300k 电阻，使阻值尽可能实现匹配，提高电路的共模抑制比， A1和 A2 要选择输入电阻较大的运算放大器，如 TL082， A3 要选择精度较高的，输入电阻较大，共模抑制比较高的运算放大器，如 OP07， LF412 等 6。 3.2 比较 /显示电路 3.2.1 电路结构及工作原理 图 3 图 3 为比较 /显示电路，其中 A4,A5 两个运放构成窗口比较器，连接两个滑动变阻器 ,通过调节电位器来设定 40和 70相对应的电压值。假设 UR1 和 UR2 分别对应
10、 40和 70水温，则 UR1 和 UR2 可通过调节电位器 R1 和 R2 设定。另一方面， UR1 和 UR2 实课程设计说明书 第 5 页 际大小可通过实验测得。对水加热，使得在水温为 100时测温电路输出电压为 5V，然后测得水温为 40时 A3 输出电压 UO即为 UR1，水温为 70时的输出电压即为 UR2。显示电路由两个三极管和红、绿发光二极管及其电阻组成。当 UR2U0UR1 时，即水温在40 度到 70 度之间时 ,窗口比较器输出为高电平，绿发光二极管点亮，红发光二极管熄灭，指示水温正常。否则绿发光二极管熄灭，红发光二极管电亮，处于报警状态。 3.2.2 电路仿真 图 4 电
11、路仿真如 图 4 所示当 U0 在 UR1 和 UR2 之间时即水温在 40和 70之间，绿发光二极管点亮，表示水温正常。在 U1 和 U2的范围外时亮红灯 ，因此符合要求。 3.2.3 元件的选择及参数的确定 课程设计说明书 第 6 页 此部分为了比较电压大小运放可以选取 LM339，两个电位器可以选 10k 大小，运放的电压为正负 12v，滑动变阻器的上边电压接 5v，两个三极管使用 2sc1815,构成驱动电路 ,更重要的一点两个比较器还需要两个 3.3k 的上拉电阻以保证三极管的正常运行。 3.3、温度控制单元电路 3.3.1 电路结构及工作原理 图 5 如图 5所示 控制电路由两个
12、LM339 运放，晶体三极管，电位器，继电器，加热器及电阻组成。通过 调节电位器来改变电压，从而控制加热器。设 UR3 和 UR4 分别对应 50和 60的水温，则 UR3 和 UR4 可通过调节电位器来设定。另一方面， UR3 和 UR4 的大小可通过实验测得。利用加热电路对水进行加热，使得水温为 100时测温电路输出电压U0 为 5V，然后测得水温为 50时测温电路输出电压 U0 即为 UR3，水温为 60时测温电路输出电压 U0即为 UR4。当 U0UR4 时两个继电器都断开 ,两个加热器都停止工作 5。 课程设计说明书 第 7 页 3.3.2 温度控制单元仿真电路 图 62 由 图 6
13、 仿真电路可得当 U0 的电压小于 3v 且大于 2.5v 时只有一个加热电路工作，当 U0 小于 2.5v 时，两个加热电路都会工作，当电压 U0 大于 3v时两个加恩电路将会停止工作。上图为大于 3v 时的仿真图。由仿 真图可以看出，水温小于 50时，两个加热器同时对水进行加热；水温在 50和 60之间时，只有一个加热器工作；水温高于 60时，两个加热器都停止加热。因此电路设计符合题目要求 。 3.4 电源部分 课程设计说明书 第 8 页 图 72 如图 7所示 直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波、稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除 ，从而得到平滑的直流电源。稳压电路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 7。 滤波电容为 C1、 C2 选用较大值电容，要求不高的地方可以选用较小的电容；且选用三端集成稳压器来输出稳定的直流电源；整流电路采用桥式连接方式 4。
