简易温度控制器制作

电子技术综合训练

设计报告

题目：简易温度控制器制作

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摘要

本设计是为了做一个简易温度控制器，其可分为三大部分：测温电路，比较/显示电路，控制电路。测温电路将温度信号转换成电压信号，采用热敏电阻根据温度的变化来引起电压的变化。比较/显示电路将转换后的电压信号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，输出高或输出高或低电平通过LED灯显示温度状态。控制电路也是将转换后的电压信号过比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较，输出高或输出高或低电平控制加热装置，从而控制温度。

关键词：温度检测，信号转换，比较，显示，控制。

目录

一、设计任务和要求............................... - 4 -

１.１设计内容............................... - 4 - １.２技术要求：............................. - 4 - 二、系统设计..................................... - 5 -

２.１系统要求............................... - 5 - ２.２设计方案.. (5)

２.３系统工作原理........................... - 6 - 三、单元电路设计................................. - 7 -

３.１温度检测单元电路 (7)

３.２比较显示电路........................... - 9 - ３.３温度控制单元电路...................... - 11 -３.４电源单元电路......................... - 11 -

四、系统仿真.................................... - 14 -

五、电路的安装、调试与测试...................... - 17 -

５.１电路安装............................. - 17 - ５.２电路的调试........................... - 17 - ５.２系统功能及性能测试................... - 17 -

六、结论........................................ - 19 -

七、参考文献.................................... - 20 -

八、总结体会和建议.............................. - 21 -

附录

一、设计任务和要求

１.１设计内容

设计并制作一个温度监控系统，用温度传感器检测容器内水的温度，以检测到的温度信号控制加热器的开关，将水温控制在一定的范围之内。

１.２设计要求：

1、当水温小于50℃时，H1、H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热，；

2、当水温大于50℃，但小于60℃时，H1加热器打开，H2加热器关闭；

3、当水温大于60℃时，H1、H2两个加热器同时关闭；

4、当水温小于40℃，或者大于70℃时，用红色发光二极管发出报警信号；

5、当水温在40℃～70℃之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；

6、电源：220V/50HZ的工频交流电供电。

（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室稳压电源调试）

7、按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行必要的仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告，。

发挥部分：

1、提高温度采集及控制精度；

2、其他恰当功能；

二、系统设计

２.１系统要求

系统主要要求将温度信号转化为电压信号，再将其转化为控制信号，从而对外部加热电路进行控制，从而自动的调节水温，电路的细节要求如下：

1、当水温小于50℃时，H1、H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热，；

2、当水温大于50℃，但小于60℃时，H1加热器打开，H2加热器关闭；

3、当水温大于60℃时，H1、H2两个加热器同时关闭；

4、当水温小于40℃，或者大于70℃时，用红色发光二极管发出报警信号；

5、当水温在40℃～70℃之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；２.２设计方案

图1

由上面的拓扑图可以得出本温控系统主要为三部分组成，分别是测温部分、根据所测量的温度与给定值进行比较部分，比较后的得出的信号返至加热部分，得以让加热部分调控水温，达到对水温控制的目的。同时也反应到显示部分，让

其正确的表达温度的状态。

２.３系统工作原理

想要让系统正常稳定的工作，必须要有一个关于温度的准确信号值，为了使信号输出误差很小，可以选用桥式测压电路，这样可以得出稳定的与温度相对应的电压值，关于运放的的选用可以使用lｍ３２４或者ＴＬ０８２，关于比较部分可以选则滑动变阻器来调节上下限电压，通过电压的不同来开关三极管，以达到使绿色和红色二极管根据不同温度亮灭的目的。同时也可根据第一部分输出的电压通过运算放大器的放大来控制继电器以达到控制外电路的目的。通过对电路的通盘考虑，，使用lm324比较容易实现第一部分的功能，同时根据采购的局限，正热敏电阻可以使用150欧姆的换东变阻器代替，至于继电器和外部电路，可以用二级管将其代替，用二极管的亮灭来表示其是否正常工作，这样安排可以节省电路板的使用空间，而且可以有效的方便的调试工作。

三．单元电路设计

３.１温度检测单元电路

3.1.1电路结构及工作原理

图2

如上图所示桥式温度测量电路，检测元件可采用铂电阻运放要选择输入电阻较大的运算放大器，其共模抑制比必须高一点以保证运放的精度,为了使运放两输入端平衡，两个5.6k的店主要尽量相等，K=5.6k/R2.U0=K(U1-U2)，，工作原理是当铂电阻电压改变的时候会给运放部分一个电压差，这个电压差再经过以上的规律放大后可以数去一个电压信号，此电压信号是随温度变化而正比变化的，这也为后面的比较电路提供了信号源。

3.1.2 电路仿真

图3

上图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的将温度信息转变为电压信号的能力，在阻值的选取也符合现实采购的的要求。

3.1.3、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，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。

3.2 比较显示电路

3.2.1 电路结构及工作原理

图4

正如上图为比较/显示电路，其中A4,A5构成窗口比较器，假设Ur1和Ur2分别对应70度和40度水温， Ur1和Ur2实际大小可通过调节电位器测得。对水加热，测出四十度时和七十度时的电压，将其分别置于A5和A4的电压。当Ur1>U0>Ur2时，即水温在40度到70度之间窗口比较器输出为低电平，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5

电路仿真如上图所示当U0在U1和U2之间时亮绿灯，在U1和U2的范围外时亮红灯，所以此方案可行。

3.2.3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，两个三极管可以使用2sc1815,更重要的一点还需要两个 3.9k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6

控制电路由两个运放，晶体三极管，电位器，继电器，加热器及电阻组成，运放选用LM339，通过改变电位器来改变电压，从而控制加热器，设U2和U3分别对应50度和60度的水温，则Ur3和Ur4分别可通过调节电位器来设定，当U0

H2闭合，当U0>Ur4时两个继电器都断开两个加热器都停止工作。

3.3.2 温度控制单元仿真电路

图7

由仿真电路可得当Uo的电压小于3v且大于2.5v时只有一个加热电路工作，当Uo小于2.5v时，两个加热电路都会工作，当电压Uo大于3v时两个加恩电路将会停止工作。上图为大于3v时的反应。

３.４电源单元电路

图8

图8为电源电路，这个单元电路可以将220v的交流电变为5v,12v,-12v 的直流电，为了给后面的电路提供稳定的工作电压，并联的电阻可以滤波，防止

杂波对电路的干扰。

四、系统仿真仿真截图

图9

由上图的电压表读数2.57ｖ可知其电压在3.5ｖ和2ｖ之间的检测电路故应该亮绿灯，2.57v也在3v在2.5v之间，故只有一个加热电路工作。

五、电路的安装、调试与测试

5．1电路安装

电路是通过使用焊锡将器件连接在试验板上，对于74lm324和74LM339不用使用单个的比较运算放大器，可以选用集成块将其集成，电路安装的时候首先要注意安全，要防止电烙铁把自己和他人烫伤，还要防止将电源线的绝缘皮损坏。器件要焊接的在有金属一面，有利于器件的正常导通，，安装时部局要合理，根据三个单元讲电路板划分为三个部分，方便一一焊接，检查。

5.2、电路的调试

此电路是由电子技术中的模电部分制作而成，由于共模抑制比难以稳定，想要得到精确的值需要大量的调试，调试可以分步进行，首先可以调试温度检测电路，调节电位器，测量Uo的电压是否符合计算值，如果出现了过大或者过小的情况，则应该检测焊接中是否出现短路或者断路，排除问题后再进行下一部分调试。

在调试中要注意电源的接法，在检测部分应该注意应加装上拉电阻否则三极管基极会承受巨大的电压会导致三极管发热甚至烧坏。

在加热部分安装时要在继电器反向并联一个二极管，防止继电器中的绕组形成环路。在后面的电路中也应该加装上拉电阻。

5.3系统功能及性能测试

5.3.1 测试方法设计

测试时首先要确保没有短路断路现象发生，且各器件都可以正常工作，检测的步骤如下，首先要将调控电路和显示电路的电位器调到需要的百分比，分别是%40、%70、%50、%60，通电源后可用万用表测量将其电压调为设计所需要的数值。然后调试前面桥型电路中的电位器，用它来代替热敏电阻，根据电压的变化来代表温度变化引起的电压变化。

5.3.2、测试结果及分析

当给电路通电时用万用表测量电压采集部分输出的电压Uo为2.6V，发现显示电路绿灯亮起，加热电路只有一个灯亮起，这符合设计要求，当电位器器为21欧姆时相当于水温为57摄氏度左右，57度小于60度大于50度，因此加热部分只有一个发光二极管工作，代表只有一个加热部分加热。实验结果与设计结果完全符合,在红绿灯转换时红灯有时不能完全关闭，这是由于限流电阻稍小和上拉电压为15v的缘故，可以通过增大限流电阻和降低限流电压来达到。

六、结论

综合训练要求设计一个简易温度控制电路,能够采集温度信号,并将所采集到的温度信号处理成电压信号，两个指示灯相应于相应情况时各自发光,表示所在电路工作在相应的过程中。红色发光二极管放光表示温度低于温度最小值40度的工作状态，此时继电器启动导致两个电阻丝工作进行加热；或温度高于最大值70度时的工作状态，此时两个加热器都不工作。绿色发光二极管发光表示温度在最大值与最小值之间的工作状态，此时继电器启动导致相应的元件进行工作。所以该电路已基本达到任务要求及性能指标。

1、当水温小于40°C,或者大于70°C时，根据R0=100欧姆+0.386欧姆t/°C，就等于电压小于2kv或电压大于3.5kv.此时红色发光二极管发出警报信号；

2、当水温40°C到70°C时同理上式，即电压在2kv到3.5kv时，此时绿色发光二极管指示水温正常；

3、当水温大于50°C,但小于60°C时，即电压在2.5kv到3kv时，H1加热器打开，H2加热器关闭（此电路图中用发光二极管代替）；

4、当水温小于50°C，即电压在2kv到2.5kv时，H1.H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热。

该电路已基本达到任务要求及性能指标。

七、参考文献

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[2]童诗白模拟电子技术基础［M］北京：高等教育出版社，2000，10

[3]成立数字电子技术［M］北京：机械工业出版社，2004，1

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[6]谢自美电子线路设计·实验·测试（第4版）［M］北京：高等教育出版社，2000，3

[7]孙肖子邓建国陈男电子设计指南［M］北京：高等教育出版社，2006，10

[8]赵曙光可编程器件原理、开发及应用［M］西安：西安电子科技大学出版社，2002,2

[9]潘松黄继业EDA技术实用教程（第二版）［M］北京：科学出版社，2006，6