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电源电压围，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的测温围为- 55℃~+150℃；AD590的电源电压围为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℃围，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：

测温电路温度校正

温度显示

温度判决低温报警，启动加热器

不动作

高温报警，启动风扇

T > TH

T < TL

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、测温电路

在仿真中，测温电路由恒流源代替温度传感器，通过R1变为电压量，并且经过一个电压比较器构成射极跟随器稳定电压，使得测量Uo时不分出任何电流，避免造成测量值不准确。Uo=I*R1

2、温度校正电路

在温度校正电路中，采一个电压比较器构成一个减法器，也就是把热力学温度温

u1=i*10KΩ，度转变成摄氏温度。具体的计算为uo=R3/R6(u1-u2)，其中

u2=2.73V，由电阻分压得到的，因为R3/R6=10，也就是温度每上升一度，输出

u0增加0.1V。

电压

3、控制电路

这是用集成运放构成两个电压比较器，一个比较上限30摄氏度，一个比较下限20摄氏度，换算为电压就是3V和2V。3V和2V通过电阻分压得到，分别接在两个比较器的反相端和正向端。

u0<2V时，灯LED GREEN亮，，低温报警，启动加热器。

当

u0<3V时，灯都不亮。

当2V<

u0>3V时，灯LED1 RED亮，高温报警，启动风扇。

当

后面的部分即为工作电路，由继电器驱动。当温度低于20，绿色LED亮，heater 工作加热。当温度高于30摄氏度，红色LED亮，motor工作散热。

4、显示电路

显示电路采用ADC0809经过模数转换，然后通过单片机控制数码管显示相应的温度值。

在仿真时，改变电流源的值得大小，得到相应温度显示。

五、原理图与PCB

1、根据得出正确结果的仿真图连接了DXP的原理图，并且进行了检查

(1)进入DXP，新建原理图文档schematic document

(2)在原理图元件库找元件，常用的有protel Dos schematic libraries.ddb

(3)连接电线，器件之间的电路必须要连通。

（4）修改元器件属性。注意：双击左键打开属性对话框，修改相关属性和参数。左键+空格键可以修改元件方向。

（6）保存文件，至此原理图以设计完毕

2、然后根据实际的元件大小进行测量和画封装

在画封装的过程中，除了真实脚距，考虑到三极管三个引脚之间距离太小不利于焊接，所以自己重新画了一个封装把引脚之间的距离适当变大，因为实物的引脚是可以用力来改变的。这个做法也得到了老师的认可。

在画封装的过程中，也发现了芯片是集成在一起的四个运放，所以又改变了原理图中的运放的引脚，使用几个芯片即可实现，节约成本！

3、PCB图

画这块PCB，用了我三天的时间！芯片周围的电阻很多，但是只要按照对应的位置来摆放，接线是不难的。我先画好了芯片及其周围电阻的摆放连接。但是，由于VCC和GROUND必须各处都是接在一起的，要使左边的和右边的接在一起要绕开许多元件，所以继电器和与它相连的LED和二极管、三极管的位置我换了好多次才找到最完美的位置和接线方式！而且，三极管的焊盘是椭圆的，而且距离比较近，焊线不能太粗不然违反规则，所以我就在连接三极管中间一脚时细化了焊线。其余的焊线都适当的粗，防止短路，焊盘也尽量大，为打孔和焊接提供方便！

六、制版、焊接与调试

1、转印、腐蚀、打孔

在制作电路板的过程中，碰到了许多困难。

1）首先是，由于打印机的问题，打印效果不好，中间总有一部分被抹了，应该是从打印机出来时压到了那里。所以我们思考后决定先转印，然后再用笔补！花费了很多时间和精力！但是可行。我们还发现，用笔补之后，再用什么都没有的转印纸包好再热转印几次，可以把补上的笔墨烘干压紧，效果和打印机里的墨一样。

2）第一次板子转印用笔补充后腐蚀时，由于热转印次数不够，墨不够压紧，在腐蚀过程中导线都脱落了，真的很可惜，一块板子就这么费了。所以在第二次制版多热转印了两次，最后顺利制作出了板子。大约转印了10多次。

腐蚀时间很长，要耐心等待。

3）接下来打孔，我们去的时候只有一毫米的打孔机有针头了，但焊盘直径只有2mm，幸好把焊盘画大了一点，很小心的打孔才没有让焊盘被打掉。

2、焊接

腐蚀完，已经晚上12点了，我和其他组的负责做板子的人决定通宵把板子焊出来，所以在实验室里完成了板子。焊接过程很顺利，是由于之前金工实习时练习过焊接还有做电源的经验，因此这次焊接也得心顺手。只有有些引脚，因为打孔有点歪，铜很细的地方不上锡，多补了几次才好。

3、调试

在调试过程中，很困难很困难！

1）由于我们班没有面包板，没有在制作电路板之前搭建元件做过调试，所以只能直接制版看效果。

2）我们班没有AD590，我们只能用直接加电压的方式来调试板子

3）还是因为经验不足，我没有在板子上留出调试点，又因为板子做的很小，电压夹线很难夹在元件引脚上，所以很困难。我思考之后，决定

在板子底层需要加电压的焊盘位置焊上导线，然后加电压。

4）在加+-12v时，发现，夹子靠近导线时有电火花产生，吓了一跳，第一次看到这种情况，好害怕会烧了，但是其实没有什么大碍。

5）在加好+-12v，GROUND和待测电压后，发现灯并没有如预期中亮起来，这时，我思考可能实验是失败了。所以，我这时就反应过来要检查芯

片，发现芯片是有热度的，证明它在工作，我又怕它是烧了，所以先

断开电压，等到恢复室温我再加上电压，发现芯片还是会热，证明没

有被烧，芯片是好的在工作的。那么没有灯亮，是其他原因造成的。

6）为了找出失败的原因吗，我决定用万用表测量各点电压，看是从哪一

部分开始较大偏离了理论值。后来发现，从最后一个运放输出的电压

都是没有问题的，前面的电路都是正常通的，但是通过继电器之后的

电路出现了异常，电压变得很小很小，原因可能是：1）继电器有问

题，没有在电流通过下通过电磁将开关导通到另一边2）电阻值太大，

使通过LED的电流太小不足以让它发光。

七、元件清单

Bill of Material for 温控.PcbDoc

On 2015/5/14 at 23:24:19

Comment Pattern Quantity Components

2N3903 三极管 2 Q1, Q2

Diode

IN4048 2 D1, D2

1N4148

Header 3 HDR1X3 1 P1

LED1 LED 2 GREEN1, RED1

Relay JZC-23F 2 K1, K2

R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, Res1 AXIAL-0.3 17

R13, R14, R15, R16, R17

TL084ACN TL084CN 1 U1

八、实验总结

在本次实验中，仿真方面，我并没有按照老师给出的流程毫无思考直接进行

搭建，而是经过了自己的思考，比如：老师在讲解的时候，说先经过一个反相减法器再经过一个反相器来实现对温度的调整，当时我就想，为什么要反两次，不能一次完成呢？所以在仿真中我就直接用了一个正向减法器来实现了同样的功能。这使我明白，方法有很多，但是也有更优的选择。在试验中，要有自己的思考，如果只是一味的为了完成任务而实验就失去了实验的意义，实验就是要让你发现些什么新的东西，得到一些新的思考和理解。

本次实验，使我积累了许多制板的经验和教训。我都详细写在了上面的第五六部分，我会在以后也牢牢谨记，不犯同样的错误。同时，我也明白了理论和实践之间是有很大差别的，而我们所追求的是在实践中的实现，所以不要太在理论和实践的差异上较真，而是要找出方法解决实践时出现的问题。

还有，如果真的将实验视作是一个工程问题，我们也要开始考虑实际问题，比如成本问题，我就比别的同学更节省成本。因为他们看到有四个运放就用了四片芯片，但我发现每片芯片都是四个运放集成的，我用一片就完成了他们四片的工作，节约了三片芯片的成本。

这次实验收获很多，做的多收获就多，每次实验我都会认真对待，总能学到很多新的知识，增长各方面的经验。