温度控制电路设计

温度控制电路设计一、设计任务

设计一温度控制电路并进行仿真。

二、设计要求

基本功能：利用AD590作为测温传感器，T

L 为低温报警门限温度值，T

H

为高

温报警门限温度值。当T小于T

L

时，低温警报LED亮并启动加热器；当T大于

T H 时，高温警报LED亮并启动风扇；当T介于T

L

、T

H

之间时，LED全灭，加热器

与风扇都不工作（假设T

L ＝20℃，T

H

＝30℃）。

扩展功能：用LED数码管显示测量温度值（十进制或十六进制均可）。

三、设计方案

AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1μA/K。AD590适用于150℃以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

主要特性：流过器件的电流(μA) 等于器件所处环境的热力学温度(K) 度数；AD590的测温范围为- 55℃~+150℃；AD590的电源电压范围为4～30 V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为710mΩ；精度高，AD590在-55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

基本使用方法如右图。

AD590的输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，

每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其

输出电流I

out

=（273+25）=298μA。

V o 的值为I

o

乘上10K，以室温25℃而言，输出值为

10K×298μA=2.98V 。

测量V

o

时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

温度控制电路设计框图如下：

温度控制电路框图

由于Multisim中没有AD590温度传感器，根据它的工作特性，可以采用恒流源来替代该传感器，通过改变电流值模拟环境温度变化。通过温度校正电路得

到实际摄氏温度电压值（可适当放大到几伏特，不超过5V），再送温度判决电路判决，需根据报警温度确定门限比较电压值，电路均可用运算放大器及电压比较器来实现。可采用三极管和继电器（RELAY）来控制驱动风扇与加热器，在仿真中用DC MOTOR代替风扇、HEATER代替加热器，并加上发光二极管来指示其是否工作。温度显示部分可采用ADC模数转换芯片来实现，将实际温度电压值通过ADC芯片转换成数字逻辑信号再通过数码管显示。

四、电路仿真与分析

1）总体仿真图

2）温度采集电路和应答电路

温度采集：AD590，美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度,AD590的测温范围为-55℃到+150℃。电源电压可在4V-6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V。（左图）

应答电路：本设计采用的是LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。AD590的电压经过射随器之后，进入电压比较电路，TL（20℃）为低温报警门限温度值，TH（40℃）为高温报警门限温度值。所以比较电压的上下门限为V=（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V即2.93V—3.03V。当温度低于20℃时，射随器的电压低于2.93V的门限，加热电路启动，电热丝工作，使温度升高。当温度高于20℃时，射随器的电压高于3.03V的门限，散热电路启动，风扇启动，使温度升高。(右图)

2）显示电路（模数转换）

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构如图13．22所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近电路。

ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

本设计只有一路输入，所以地址既为001，基准电压为REF（+）=5.29V，REF（-）=2.73V。因为ADC0809 为8路输出，即（5.29-2.73）/（2^8）=0.01V 输出端接2个7448N译码器，分为高位和地位输出，且都是16进制表示。

左图：T为37℃，此时I为310uA，射随器后的电压为3.10V，高于TH的门限电压3.03(TH=30℃),所以散热电路启动。显示电路显示16进制数25，转换为十进制：2*16+5=37=T，即为该时刻的实时温度。

右图：T为12℃，此时I为285uA，射随器后的电压为2.85V，低于TL的门限电压2.93(TL=20℃),所以加热电路启动。显示电路显示16进制数0U（查看下图数码管16进制显示图），转换为十进制：0+12=12=T，即为该时刻的实时温度。

7段数码管16进制的表示方法如下：

五、面包板电路调试

六、系统设计（PCB设计、制板、焊接与调试）

1、测温电路

测量温度的方法多种多样，测温传感器是决定技术指标的关键元件，设计训采用AD590作为温度传感器。且AD590直接接12V的电压，不可为5V,理由为AD590是与10K的电阻串连，当温度上升到30摄氏度时电阻两端的电压为3V而供电电压为5V。由此可知AD590两端的电压为2V这一电压远远低于正常工作电压。其他的元件工作电压有5V的电压，所以设计加入了一个7805W稳压芯片，为其他芯片供电。

2、应答电路

经过运放器的输出端接一个LED灯，并且并接一个跳线帽，用做输出的指示信号，正常工作可将其短接。LM324的输出不可直接驱动电机和电热丝，所以由一个NPN三极管和继电器组成开关电路。当输出有响应时，NPN三极管基极有电流通过，三极管导通，继电器接通，随之驱动电机和电热丝。继电器后接LED 指示灯，用以报警。

3、模数转换

1）ADC0809必须由外部提供时钟信号，需要一个时钟脉冲输入端，要求时钟频率不高于1000KHZ，不低于10KHZ。之前的想法是用NE555经过多谐振荡产生500kHZ左右的脉冲，但是用面包板调试之后发现NE555产生频率过高的脉冲会失真，且相当不稳定，有时候不起振。所以最后还是选择了用有源晶振产生500KHZ左右的脉冲，有源晶振接通后输出的频率为12MHZ，也不符合ADC0809的时钟脉冲输入，所以又经过了2次分频，先8分频在4分频，即12M/4/8=375KHZ，满足了ADC0809时钟脉冲输入。ADC即可正常工作。（时钟脉冲输入采样频率越高）

2）ADC0809采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。8路只要选一路即可，参考电压出有2个10K的滑动变阻器构成，可以方便的将参考电压调整，输出端接2个译码器分别为16进制的高位和低位，译码器为7段共阴数码管。

4、原理图和PCB

5、实物照片

第一张为温度为12℃（0*16+12=12）低温的照片第二张为温度为50℃（3*16+02=50）高温的照片

七、设计总结

通过这次实训,我发现在现实设计中还需要注意很多的细节,包括程序设计和硬件设计都要我们小心仔细,一个地方出错就可能会整个系统失效。在硬件设计时，由于电路图转印不好使得腐蚀后的电路板出现断线，在调试过程中引来很大的麻烦，在调整显示时，数码管的刷新率也是一个要考虑的因素。其次，PCB设计我们要把电路图弄清楚，要知道每一个器件的意义和电路板的原理，还有电路是怎么走的，每个线路是如何导通都要先弄清楚，这样我们才能明白整个电路是怎样的，其次，在电路板上元器件并不是像书本上那样排版位置很好，实际中会碰到器件位置排版情况很难的时候，电路板上器件的排版会使焊接的点靠的很近，不容易去焊接，所以我们要去想哪种才是最好的排版位置方式。

本次设计电路原理图时还有一个错误，这一错误导致电路不能正常工作，在看AD590的资料后，发现AD590供电电压为4-13V，所以我把电源供电设为5V。电路板制作完成后调试发现测量温度不准确，测到30多摄氏度之后就上不去了。后来才发现AD590是与10K的电阻串连，当温度上升到30摄氏度时电阻两端的电压为3V而供电电压为5V。由此可知AD590两端的电压为2V这一电压远远低于正常工作电压，找出问题的原因后我立即把供电电压改为12V然后重新制作一块电路板，最后终于调试成功。

此次设计的顺利完成也给了我巨大的鼓励。成功就是在不断摸索中前进实现的，通过这次课程设计，我不仅巩固了以前所学的知识，还学到了许多设计方法以及新知识。