水温控制系统

课 程 设 计（报告）任 务 书
题 目 水温控制系统
任务与要求
以AD590为传感器，制作能对温度变化敏感的电路。学会查询
文献资料，撰写论文的方法，并提交课程设计报告和实验成品。

开始日期 2012 年 2 月 23 日 完成日期 2012 年 2 月 26 日
水温控制系统

摘要：
本文主要运用了模拟电子技术基础中的电压跟随器，减法器，同相比例放大
器，电压比较器，相关知识实行对水温的控制。本设计实现了温度的测量和对水温
的控制，具有较好的可行性和实用性。信号通过AD590温度传感器输入转化为电信
号，经过电压跟随器、减法器和放大器放大后与设定的电压值比较，输出正电压或
负电压来实现电路的通断，间接控制继电器和蜂鸣器的工作，实现温度控制。
关键词：
AD590温度传感器，电压跟随器，减法器，放大器，比较器。

Abstract:
This paper mainly used for simulating electronics voltage follower，

subtractor，proportion of amplifiers, voltage comparator, related knowledge of relays.
The design and implementation of a temperature measurement and control of temperature,
good feasibility and practicality. By AD590 temperature sensor signal input into electrical
signals in the amplifier amplification, and set the voltage output voltage, negative or
positive to realize the circuit, indirect control relay, realize temperature control.
Keywords: AD590 temperature sensor, voltage follower, subtractor, proportion of
amplifiers, voltage comparator

1 引言
温度是工业上常见的被控参数之一，特别是在冶金、化工、建材、食品加工、
机械制造等领域，恒温控制系统被广泛应用于加热炉、热处理炉、反应炉等。在
日常生活中，也经常用到电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等需要进行温度检
测与控制的家用电器。因此本小组想通过自身所学知识设计具有控制方便、简单、
灵活等优点的水温控制系统。

2 总体结构
2.1 总体设计流程

2.2总电路图
仿真电路图
3 基本原理
3.1 AD590
AD590是电流输出型温度传感器。AD590是AD公司利用PN结构正向电流与
温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。（热敏器件）AD590是美国模拟

减 法 器 比
较
器

数
据
采
集

电压跟随器

图2.1模拟控制方案框图
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：
1）流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，
即：mA/K式中： —流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T—热力学温度，
单位为K。
2）AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
3）AD590的电源电压范围为4V～30V。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可以承受44V正向电压和20V反向电压，
因而器件反接也不会被损坏。
AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流其
规格如下：
1）温度每增加1℃,它会增加1μA输出电流。
2）可量测范围-55℃至150℃。
3）供应电压范围+4V至30V。
AD590的接脚图及零件符号如下图所示：（右图中R取10K，方便计算）

AD590的输出电流值说明如下：

其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Io=(273+25)=298μA。
Vo的值为Io乘上10K,以室温25℃而言,输出值为2.98V(10K×298μA)。
量测Vo时,不可分出任何电流,否则量测值会不准。而在我们的具体实验中，我
们的Vo将会再做处理，而不是直接输出，目的是为了更方便人观察。
电路分析：
AD590的输出电流I=(273+T)μA(T为摄氏温度),因此量测的电压V为
(273+T)μA ×10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不
分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。
3.2 UA741
由于经过AD590和电压跟随器之后，输出电压为(2.73+T/100)V。不易于观
察温度的变化而引起的输出电压的变化。在此我们引入UA741，目的是将
(2.73+T/100)V转为（T/10）V。
UA741是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用.这类单片硅集成
电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。 这些类型还具有广泛的共同模式，
差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。

UA741的外形及引脚如图：
说明：1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，
6为输出，7接电源 8空脚
我们将输出电压接到引脚3，引脚2接一滑动变阻器，调节其阻值，使其电
压刚好为2.73V，再根据减法器的原理，可在引脚6处得到输出电压为（T/10）
V。计算过程如下：
U2=(2.73+T/100)
根据虚短可得：
U2*R3/(R3+R2)=(2.73-U)*R4/(R4+R1)
因为 R4/R1=R3/R2=100K/10K=10
所以 U=(U2-2.73)*10=(T/10)V。

3.3 LM311
在具体的实验过程中，我们难以实现对温度的控制，只能做到加热和降温。
而为了实现这个功能，我们必须要把输出信号（模拟信号）转换为数字信号-----
引入电压比较器LM311。
在电路中电压比较器是将待测电压与基准电压进行比较，当待测电压高于基
准电压比较器输出高（低）电平，当待测电压低于基准电压比较器输出低（高）
电平。电压比较器就是通过设置不同的基准电压，完成检测不同的待测电压。
LM311电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大
器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS
电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。
LM311的主要特性如下：
采用SOIC 封装方式。 比较器类型:通用
响应时间:200ns 电源电流:5.1mA
针脚数:8 工作温度范围:0°C to +70°C
比较器数目:1 电源电压 最大:36V
电源电压 最小:5V 输入偏移电压 最大:7.5mV
LM311规格图如下：

如上图，实验中引脚8接电源电压6V，引脚7接地，引脚3的电压为3V
（此为比较电压）。在室温下，我们测得引脚2的电压为1.72V，即小于3V，
得到输出端引脚7的电压约为0，用电热棒靠近AD590片刻，输出电压跳
变到高电平6V。达到实验效果。
4 结果检测
总体电路实物图
5 结束语
由于缺少单片机的控制，本小组的实验只完成了传感输入部分，并不能实现
完整的水温控制，然而本小组的电路设计相信可以达到实用电路的要求，只要加
上单片机，便可以组成实用的水温控制系统。

总结：经过三天的讨论，我们按照原理要求设计出了初步的原理电路，并且进行
了软件的仿真，最后完成了理论设计部分。期间，虽然我们有许多意见相矛盾，
但是最终都顺利的得到解决的方法。这让我们明白了合作的重要性，如果仅仅靠
一个人进行，相信将会大大延长设计的时间，拖慢完成的进度。理论指导实践，
有了理论方向，剩下的就是进行元件的焊接了。由于缺乏经验，焊接过程遇到了
许多困难，既要注意正反两面的引脚方向相反，又要注意锡的用量不能太多也不
能太少，连接两个元件是用导线还是直接用锡，蛮多东西要衡量的。相信实际应
用上更要考虑材料的节省如何达到最优，元件的位置如何设计能使焊点减少。在
焊接完成后的测试中，我们发现并不是焊接完了电路就一定会正常工作，也有焊
接错误的情况存在，万用表就是一个检测错误非常好的工具。当然，在实验中我
们本着坚持独立自主完成的原则，只有当实在想不出问题出在什么地方，才去请
教老师指导。由于老师的细心指导，我们克服了重重困难，成功地设计了这个课
程设计。经过本次课程设计实验，我们巩固了许多理论知识，得到了动手能力的
提高，吸取了许多宝贵经验。
参考文献
1. 任希才. 传感器及其应用电路. 电子工业出版社
2. 张志利. 蔡伟. 基于AD590的温度测控装置研究[J].自动化与仪器仪表.
3. 王瑞福. 单片微机测控系统设计大全[M].北京航天大学出版社.
4. 百度文库. http://wenku.baidu.com/