温度制动控制系统仿真设计

０ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
从上表知，在常温（ T 25 C ）时，热敏电阻的阻值为 10Ｋ 。
o
由设计要求，当环境温度为下降至 20 C ，系统要加热；当温度上升为 50 C 时，停止 加热，故查表 1 得： 20 C ，对应阻值 Rt 为 12.229Ｋ 50 C ，对应阻值 Rt 为 3.958Ｋ 即当 T 20 C 时， Rt ( 20 o C ) 12.229K
Байду номын сангаас
VCC
3.958 5 0.826 V 23.958
然后再计算所需要的电压增益设所要求的电压增益 AV1 2
则 AV 1
Rf R2
， 取 R f 10K ，R2 10K
这样， 当 T 20C 时Ｖ ＝Vp 1.89V ,此时 20Ｃ
Ｖ01( 20C ) (1
c.电路外围电路所用元件参数计算 电路的设计以选定的热敏电阻系数入手，然后计算出所需要的电压增益，以ＭＦ58 系 列热敏电阻为例说明计算方法。 经查，在 T 25 C 时，电阻值为 10 K 的热敏电阻分段如表 1：
o o
C
单位：
K
29.394 23.319 18.659 15.052 12.229 10.000 8.225 6.802 5.654 4.721 3.958 3.330
换成相应的电阻值，以使后续电路作出判断。 在一个振荡周期，三极管导通时间是通过 R p 调节其占空比来实现的。当 20℃〈T〈50℃时, 由于定时器 NE555 ④脚始终是高电平，则振荡 器持续工作。开关电路间歇导通，则热敏电阻 温度持续上升。当 T≥50℃时，定时器 NE555 ④脚为低电平，振荡器停止工作，NE555 ③脚 输出为低电平，三极管 T 截止，则 20 /3W 电 阻无电流流过，热敏电阻温度逐渐下降。 图 9 4）控制状态显示模块 控制状态显示模块实际上是通过一个开关电路使加热/停止加热的两种状态通过发光二 极管显出来，这部分电路如图 10 所示。 图 10 中，74LS74 为温度检测电路中的 D 触发器 74LS74。 当 t≤20℃时， 74LS74 Q=“1” ， Q =“0” （为增强 Q 端带负载的能力，在其输出端
Rf ， R2
即
Vo1 R 1 f 。 V2 R2
这样， Vo1 (1
Rf )Vi ，其中 Vi 热敏电阻上的电压。 R2
电路的设计思想是这样的：设热敏电阻 Rt 在环境温 度 为 T1 时 阻 值 为 Rta 则 Via = V p
Rta Vcc ， 这 样 R1 Rta
Vo1a (1
这样，采用反相电压比较器，即 Vo1 作用于 A3 的反相输入端 电路如图７所示。 其工作原理如下： 当环境温度没有到 50 C 时， Vo3 VN Vp 当环境温度大于或等于 50 C 时，Vo1 （ 50C） VN Vp Ｖ） 阀值电压 VT2 的确定： 取 R6 10K 图 ７
图 2
Rf R2
)Via 。
当选用负温度系数电阻时， 环境温度越高， 则热敏电阻的阻值愈小， 设环境温度为 T2 时，其阻值为 R tb ，则此时 Vib V p
R Rtb Vcc Vo1b (1 f ) Vib 这样由于温度变化引 R1 Rtb R2
起的热敏电阻变化，就通过运算放大器转换成了电信号。 采用同相比例运算电路的理由如下： 由于同相比例放大电路具有深度电压串联负反馈电 路，它的输出电压 Vo1 较稳定，其输出电阻很小，故对后级电路而言，相当于一个电压源， 因此带负载能力强。 串联型的负反馈其输出电阻增大， 这样就减少了对前级电路取用的电流。 故对前级电路的测量精度不会产生不良影响。 ② 器件设计 a.运放的选择 普通型运放常有的有 A741，其供电电源为 ±5V～±18V，且可以用正电源以+5V～ +18V 供电；精度型运放常有的有 OP07,其电源供电范围为±5V～±18V 通常为±12V，且不 能单电源供电。综合以上情况，选用运放 A741且采用+5V 单电源供电。图 3-2 所示电路 中的电阻 R2 及 R f 的阻值要结合热敏电阻的具体参数来确定。 将热敏电阻的阻值转换成电压 的电路可采用分压电路，如图 3-3 所示。这里分压电压值 Vi 应在 1～3V，分压电路的直流电 源采用+5V 电源。 b.热敏电阻的选择 负温度系数热敏电阻一般应用于各种电子产品中的温度检测、 温度控制等。 常用的温度 检测用 NTC 热敏电阻有 MF53～MF57 系列， 每个系列又有多种型号， 同一类型不同型号的 NTC; 其标称电阻阻值也不相同。 常用测温及温度控制用 NTC 热敏电阻有 MF51 系列、 MF54 系列、 MF55 系列等,因此,信号 调理部分电阻 R1 的选择是在选定热敏电阻后来进行的。
R4 VCC V01( 20C ) R4 R5
代入数据， 3.78
10 5 计算得 R5 3.2 K 10 R5
图 5 考 虑 到 电 阻 的 允 许 误 差 ， 用 电 位 器 Rp 代 替 R5 ， 取
Rp 10 K ，这样得到图６所示电路。
其工作原理如下 图 6 当环境温度大于 20 C 时， Vo1 Vp VN V02 0 （实际值为 0.3Ｖ）当温度小于或等 于 20 C 时， V01 Vp VN V02 5V （实际值为 3.5～4.8Ｖ） 。 b.对应于Ｔ＝50 C 时的检测电路 由于温度越高， Rt 的阻值越小，信号调理输出的电压越低。
o
当 T 50 C 时， Rt (50 o C ) 3.958K
o
分压电路所用电源选为+5Ｖ。 R1取20K ，这样
图 3
Ｖ20Ｃ＝
Rt ( 20 o C ) R1 Rt ( 20 o C )
VCC
12.229 5 1.89V 20 12.229
Ｖ50Ｃ＝
Rt (50 o C ) R1 Rt (50 o C )
表2 通过振荡器，产生持续的占空比一定的脉冲信号来控制三极管的导通，此时，三极管处 于开关状态（即三极管只有导通和截止二种状态） ，而且振荡器要处于可控状态，即温度检 测控制信号高电平到来时， 振荡器工作， 产生持续的方波脉冲， 使三极管处于间歇工作方式， 当三极管导通时，有电流流过 3Ｗ电阻，从而电阻上产生热量，以使热敏电阻感受到；当温 度检测控制信号为低电平时，振荡器不产生振荡信号，三极管截止，从而没有电流流过 3Ｗ 电阻，即加热/停止加热模块处于不工作状态。 振荡器采用 NE555 构成占空比可调(占空比从 20％～80％)的多谐振荡器,电路如图９所 示。其振荡频率 f 0 660KHz，多谐振荡器输出端连接一开关电路，以控制三极管 T 的导通 和截止。 其工作过程如下： 当 T≤20℃时， Q＝“1” ，振荡点工作。三极 管处于间歇开关状态，这时开关电路有间歇电 流流过。20 /3W 电阻发热，安装在它旁边的 热敏电阻感受到其温度变化，并将该度变化转
图 4
Rf R2
)V20 o C 3.78V
当 T 50C 时 ， Ｖ ＝Vp 0.8 2 V 6 ,此时 50Ｃ
Ｖo1(50C ) 1.65 V 。这样得到的电路如图４所示。
2）水温检测模块 水温检测模块的任务是将Ｔ＝20 C 和Ｔ＝50 C 的相对电压值检测出来，并将这二个 电压值提供给加热/停止模块及加热、停止状态显示模块，因此，这部分由电压比较器组成， 利用运放的非线性特性来完成，由于对应Ｔ＝20 C 和Ｔ＝50 C 有两个电压值，故应使用 二个电压比较器及信号锁存器来完成。 a.对应于Ｔ＝20 C 时的检测电路 由于采用负温度系数电阻，温度越低，电阻值越大，故采用反相电压比较器，电路如图 ５。由信号调理电 输出的电压作用于运放 A2 的同相输入端， 取 R4 10K ，阀值电压 VT1
20C 加热，当 T 50C 时，停止加热，由以上分析，将 A2 、 A3 的输出分别接Ｄ触发器
的置数端 Sd 及清零端 Rd ，可达到要求，电路如图８所示。 控制过程如下： a（ T 50C ）当温度到达 50 C 时，对 A2 ，VN Vp ，Vo 2 0 ；对于 A3 ，Vp VN ，
Vo3 5V 。74ＬＳ04_B 输出低电平，Ｄ触发器 74LS74 输出端Ｑ＝0，停止加热。
b（20 C <T<50 C ）当温度从 50 C 逐渐减小到大于 20 C ，即 20 C <T<50 C 。对于
A2 ， VN Vp
Vo 2 0 74LS04_A 输出为高电平； Vo3 0
V03 0 ，74LS04_Ｂ输出维
Vo 2 0
74LS 04 _ A 输出为高电平，Ｄ触发器置数端 Sd ＝1.由其输出状态不变，即Ｑ＝
“1”不变，继续加热。对于 A3 ， VN Vp 发器置数端 Sd ＝1.其输出状态仍然不变。 综上所述，其逻辑状态表如表 2 所示。
V03 0 ， 74LS 04 _ B 输出为高电平，Ｄ触
74LS04_B 输出为高电平，这样,D 触发器 74ＬＳ74 输出
对于 A3 ， VN Vp
端Ｑ状态保持不变，即Ｑ＝“0”不变，停止加热。 c （ T 20C ） 当温度小于 20 C 时， 即Ｔ 20C 时， 对于 A2 ， Vp VN
Vo 2 5V
74LS04_A 输出由高电平变为低电平， D 触发器 74LS74 置数端 S d ＝0， 导致其输出端Ｑ＝ “1” （实际电压值 3.6～4.5Ｖ） ，开始加热。对于 A3 ， Vp VN 持高电平不变 d.温度从 20 C 逐渐上升至小于 50 C 时，即 20 C <T<50 C 时，对于 A2 ， VN Vp
水温自动控制系统仿真设计