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1、温度控制系统的设计书1. 设计思想及方案1.1 设计思想本次设计使用温度传感器收集当前密室的温度，然后经过各部分电路处理，与所要控制的电路进行比较。电路根据比较的结果决定是否对密室空气进行降温，如果需要制冷会自动开启半导体制冷片。当温度低于所控制的温度后，控制部分要断开制冷电路。在不制冷的情况下，密室会自动升温，当温度上升到控制温度以下的时候电路就会依照以前的步骤重新来一遍，然后对密室进行降温，然后循环往复执行这样一个周期性的动作，从而达到把温度控制在一定范围内的目的。1.2 设计方案的选择1.2.1 可行方案方案一：通过集成运放构成的比例器，把温度传感器获得的信号放大，再将信号传输给功放，带
2、动半导体制冷片工作，从而实现对温度的控制。功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分通过测温度传感器输出端与基准端的电压，在转化为相应的温度值。其中，基准端的电压有事先调试好。方案二：利用集成运放在非线性工作区（即饱和区）的输出端电压为正负电源电压的特性，构造温度比较器，将温度信号离散成为高电平和低电平，高电平时制冷，低电平时加热，从而实现对温度的控制。其中功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分方案同方案一。方案三：用温度传感器将采集到的温度转换成电压信号，通过集成运放构成放大器，将微弱的电压信号放大成所需要的电压信号，再通过电压比较器将温度信号离散成为高电平和低电平，高电平时
3、制冷，低电平时加热，从而实现对温度的控制，并用LED指示灯指示半导体的工作状态。1.2.2 方案的讨论与选择三个方案理论上均为可行的，但各有缺点：方案一反应慢，且到了与设定温度相近时，灵敏度非常差；方案二将温度离散成高电平与低电平，通过功放，进行对温度的控制，但半导体制冷器一直处于大功率工作状态，耗能较多，且加热和制冷器始终在工作，造成资源浪费，电路相对来说也很复杂。方案三可以很好地实现对温度的测量与控制，虽然使用的电子元件较多，电路也相对复杂，但是控制电路更加准确迅速，所以这个方案较好。综合以上讨论，我选择了方案三作为设计方案。2. 设计流程及相关器件的选择2.1 设计流程温度传感器接受信号
4、运算放大电压比较器大于基准电压LED亮继电器开启制冷器导通小于基准电压LED不亮继电器关闭制冷器未导通自动升温降温维持设定温度图2.1 整体流程图2.2 相关器材选择 2.2.1 温度传感器的选择根据设计要求，可以测量并控制0到室温的温度，精度要达到1。也就是说基本要求为传感器可以测量0到室温的温度，并且具有很好的稳定性。再结合性能以及价格方面的原因，选择了集成温度传感器LM35。LM35温度传感器在-55150摄氏度以内是非常稳定的。当它的工作电压在4到20v之间是可以在每摄氏度变化的时候输出变化10mv。它的线性度也可以在高温的时候保持得非常好。因此LM35完全符合设计要求。2.2.2 继
5、电器的选择继电器是控制制冷的关键所在，故而继电器的选择很重要。因为使用的电源是正负15V的电压，所以继电器的开启电压应适当接近15V，考虑到实际中电压跟随器的电压损耗，继电器开启电压选择12V较为合适。而输出部分是带动半导体制冷器，半导体制冷器的工作电流为2A，故继电器的承受电流应大于2A，选用3A的比较合适。2.2.3 运算放大器的选择因为此次的设计使用的运放只需要完成基本的功能，所以只需要其具有良好的虚短虚断特性，使其作为电压比较器输出的电压接近电源电压，故通用型的运算放大器就可以满足要求。因此选用通用型运放UA741。3. 单元电路的设计3.1 单元电路的选择3.1.1 测温电路图3.1
6、.1 测温电路温度传感器LM35三个引脚分别接正电源，地及信号输入端，如上图所示。其中1脚的电位根据环境温度而变化。具体是环境温度每改变1，其电压变化10mV。 3.1.2 信号处理电路LM35输出的电压为每改变10mV，这个电压太小，很难检测到，所以必须经过一定的处理方可成为测量及控制电路所用的信号。处理方法也就是将其无损地放大一定倍数。由于当温度与电压的关系为V=10t，单位为mV。所以通过下面的计算得 即0 Av 40考虑到计算的方便及测量输出，放大倍数设置为20倍为宜 图3.1.2 信号处理电路 3.1.3 电压比较电路 知道了所输出的电压的大小，然后与所给的电压进行比较，从而知道电压
7、是偏高还是偏低，即温度是偏高还是偏低。当控制温度为30度时， V=300mv*20=6V,所以，比较电压就选择-6V。当输入电压大于6V时，电压比较器输出+15V，当输入小于6V时，电压比较器输出-15V。 图3.1.3 电压比较电路3.1.4 电压跟随器与控制电路电压比较器输出两种电压高电平与低电平，以此控制继电器，因为继电器开启电压没有正负之分，所以要加一个二极管控制电压方向。考虑到LED灯的承受能力，需要串联一个保护电阻，10K即可。为了防止前后电路互相影响，因此在两者之间加上一个电压跟随器，以隔离前后电路。 图3.1.4 电压跟随器及继电器 （图中1k电阻代替继电器）继电器内部是一个磁
8、线圈，在断电的时候会有很大的电流，为了保护电路需要在继电器两端并联一个二极管，以使继电器断电后它的保留电流可以在二极管和电阻中快速消完。4. 电路仿真4.1 信号放大电路仿真 图4.1.1 输入为0.1V时 图4.1.2 输入为0.3V时 从图中易看出：当输入为0.1V时，输出为1.98V； 当输入为0.3V时，输出为5.98V，放大倍数约为20倍。4.2 比较电路的仿真 图4.2.1 输入电压为3V. 图4.2.2 输入电压为8V当比较器的输入电压为3V时，输出低电平；当比较器的输入电压为8V时，输出高电平，故比较器可以实现将电压信号离散成高低电平的功能。若需要调节输出大小，只需改变运放电源
9、大小即可。4.3 整体电路仿真图4.3.1 源输入0.2V输入电压为0.2V时，表示容器温度为20，低于30，此时继电器要关闭，制冷不工作，并且LED1不发光。由仿真图4.3.1可看出LED1并没有发光，符合预期结果 图4.3.2 源输入为0.5V输入为0.5V，表示容器温度为50度，高于30度，此时继电器要打开，制冷器通电，同时LED1亮起表示制冷器正在工作。由仿真图4.3.2可看出LED1确实发光了，故此时TEC在制冷，符合预期结果。5. 整体电路图及元件清单5.1 整体电路图 图5.1 整体电路图 5.2 元件清单元件说明运算放大器ua7413个温度传感器LM351个LED2个，一红一绿
10、二极管1N40072个半导体制冷器TEC127031块继电器1个电阻若干 表5.2 元件清单6. 设计小结6.1 设计感悟及实物图这次课程设计，使我对模拟电子技术基础知识的运用有了更加深刻的理解，加强了实际操作能力，对课本及以前学过的电路知识有了一个更好的总结。当在电路的连接时出现了问题，需要不断的排查，而调试时也需要调出各种需要的电源，测量各种电压电流量，所以这两周来的努力让我的动手能力更上了一层楼。通过这次设计，我接触到了各种电路模拟的电脑软件，知道了有些东西不必实际去焊，去做，就可以知道具体的结果。在以后的学习工作中，使用这些仿真软件将极大的帮助我完成各项任务。 图6.1.1 装配图 图
11、6.1.2 接线图 6.2 设计特点 本设计中采用的是价格便宜且又有较好的线性度的温度传感器LM35，并采用运算放大器几乎无损放大，非常准群反映了所测量的温度。另外由于比较器比较好的开关特性。6.3 存在的问题及改进温度的调控能力和传感器的反应速度有非常大的关系。如果温度传感器对温度的敏感速度非常低，控制器就无法及时得在欲控制温度处停止降温，这样就起不到控制温度的目的了。LM35的反应速度也不是非常快，当我进行试验的时候，温度滞后可以达到3到4度。于是我使其贴附在散热片上，这样它对温度的反应速度才提高到控制精度为1度以内。然而，如果控制的密室温度上升速度再快点，或者密室再大点，控制的精度就又会
12、降下来的。因此，在温度传感器方面必须进行改进。我的改进意见是加大传感器的表面积，或者是跟换效果更好的传感器，这样就会在更苛刻的条件下也可以有较大的精度了7. 参考文献1吴友宇. 模拟电子技术基础. 武汉：清华大学出版社，2009.2康华光模拟电子技术基础武汉：高等教育出版社，2005.73舒庆莹，凌玲模拟电子技术基础实验武汉：武汉理工大学出版社，2008.2 4徐国华. 电子技能实训教程. 北京: 北京航空航天大学出版社，2006.5谢自美. 电子线路设计. 第三版. 武汉: 华中科技大学出版社，2006.6万嘉若，林康运. 电子线路基础. 上海: 高等教育出版社，2006.7梁宗善。新型集成电路的应用电子技术基础课程设计。武汉：华中科技大学出版社。1999.
