简易温度控制器的设计(DOC)
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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
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目录
一、设计任务和要求 0
设计内容 0
设计要求 0
二、系统设计 0
系统要求 0
系统工作原理 0
方案设计 0
三．单元电路设计 (1)
温度检测电路 (1)
电路结构及工作原理 (1)
电路仿真 (2)
、元器件的选择及参数的确定 (3)
比较/显示电路 (3)
电路结构及工作原理 (3)
电路仿真 (4)
元件的选择及参数的确定 (5)
、温度控制单元电路 (5)
电路结构及工作原理 (5)
温度控制单元仿真电路 (6)
电源部分 (7)
四.系统仿真 (9)
结论 (9)
致谢 (9)
参考文献 (9)
一、设计任务和要求
设计内容
采用热敏电阻作为温度传感器，由于温度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，从而通过输出电平对加热器进行控制。
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
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，
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。
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
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
３.１温度检测电路
电路结构及工作原理
图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=100Ω+Ω/℃t 式中，100Ω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×[(100Ω+Ω/℃t)∕（2100Ω+Ω/℃t）]V
U2=5×(100Ω/2100Ω)V
U0=（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℃时,U0=5V,则K=,故有R2/R1=,取R1=Ω，则有R2=Ω，故有R1=R2=Ω，取R2=R4=300KΩ。
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。电路仿真
图2
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+Ω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。
、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]。
比较/显示电路
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
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UR2>U0>UR1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。
电路仿真
图4
电路仿真如图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。
元件的选择及参数的确定
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的上拉电阻以保证三极管的正常运行。
、温度控制单元电路
电路结构及工作原理
图5
如图5所示控制电路由两个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U0
温度控制单元仿真电路
图6[2]
由图6仿真电路可得当U0的电压小于3v且大于时只有一个加热电路工作，当U0小于时，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。
电源部分
图7[2]
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]。
四.系统仿真[2]
仿真截图
图8
由电压表读数ｖ可知其电压在ｖ和2ｖ之间的检测电路故应该亮绿灯，也在3v在之间，故只有一个加热电路工作。
进行系统仿真时,用滑动变阻器代替热敏电阻,在控制电路部分用两个发光二极管代替继电器和加热器。当两个发光二极管同时发光,则表示两个加热器同时工作；有一个发光则表示一个加热器工作；两个均不发光则两个加热器都关闭[6]。
结论
通过仿真软件对所设计的电路进行仿真，其结果与电路要求相符合。再通过电路板的焊接及其调试，能完全实现电路功能。用滑动变阻器模拟热敏电阻，调节滑动变阻器来改变输出电压，再利用比较器与设置温度值对应的电压值进行比较，从而对后边电路
进行控制。水温小于40摄氏度时，红色发光二极管发出报警信号且H1和H2两个加热
器同时加热；水温在40至60摄氏度之间时，绿色发光二极管指示水温正常，且一个加
热器工作，另一个加热器关闭；水温在60到70摄氏度之间时，绿灯亮且两个加热器都
停止工作。显示电路和加热电路完全按照测温电路的温度变化而有规律的变化，满足设
计要求。
致谢
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的理论知识到学会用理论知识分析解决问题，通过这两周时间的努力学习，通过老师和
同学的帮助顺利完成老师布置的任务，同时这次训练也使我们的知识更加丰富，而且开
拓了我们的思维，培养了独立实践、创新精神。
参考文献
[1]《模拟电子技术基础》北京:高等教育出版社董诗白
[2]《电子技术实验与课程设计（第三版）》北京:机械工业出版社毕满清
[3]《电子线路设计、实验、测试（第二版）》北京:高等教育出版社谢自美
[4]《模拟电子技术基础》北京:高等教育出版社康华光
[5]《数字电子电路毕业设计指导》电子工业出版社陈有卿
[6]《电子电路实践及仿真（第一版）》北京：清华大学出版社路勇.
[7] 《数字电路与数字电子技术（第一版）》西安：西北工业大学出版社
岳怡.
[8]《电子技术基础——模拟部分》高教出版社康华光
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