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1、摘 要 本设计主要以模拟器件为核心器件设计并制作了测温和控温电路。该电路能够实现对某些特定环境下的温度进行测量和控制，如,精密的仪器仪表室,在不同的季节,室内的温度要能控制在一定的范围内,本设计就能实现温度的测量和控制,设计中利用传感器将温度信号转化为电压信号,即测量的温度能够通过电压表头来指示，同时还可以通过设置温度控制器，对温度进行人为可调节并能自动地控制在所调节的温度上,在设计过程中，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计到装配、调试、试验、检测、应用以及注意事项等进行了细致的介绍。关键词： 温度测量；温度控制目 录目 录摘 要I目 录II第一章 绪论11.1课题研究的背景11.2主要研
2、究的内容1第二章 系统总体的设计22.1系统实现功能及技术指标22.2系统实现原理框图2第三章 系统硬件电路的设计43.1温度检测与控制电路设计43.1.1温度检测电路的分析与设计43.1.2放大器电路的设计73.1.3比较和调节电路的设计83.2电源电路的设计8第四章 系统电路的调试104.1电源电路的调试104.2恒流源电路的调试104.3放大器电路的调试104.4控制电路的调试104.5不具备0定标环境下的调试方法10第五章 总结与展望12致 谢14参考文献15附录1 温度控制器原理图16附录2 材料清单1717 绪 论第一章 绪论1.1课题研究的背景温度的检测与控制在实际应用中比较广泛
3、，如,精密的仪器仪表室,在不同的季节,室内的温度要能控制在一定的范围内,温度参数作为一个重要的执行参量,其精确度和准确度关系着仪器仪表的测量精度。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式,控制方式都不同，一般用晶体管制作而成的电路，存在测量误差大，且电路比较复杂。1.2主要研究的内容本文是用集成运放来实现温度的检测与控制电路，则可以克服此类问题。该电路能够实现对室内温度的测量、自动控制加热、并人为可调节温度。测量范围为：01002。且有一温度传感器置于室内本设计主要以模拟器件为核心器件设计并制作了测温和控温电路。该电路能够实现对室内的温度进行测量和控制，设计中用传感器将温度信号
4、转化为电压信号,即测量的温度能够通过电压表头来指示，同时还可以通过设置温度控制器，对温度进行人为可调节并能自动地控制在所调节的温度上,在设计过程方面，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计到装配、调试、试验、检测、应用以及注意事项等同样进行了细致的介绍。系统总体的设计第二章 系统总体的设计2.1系统实现功能及技术指标1、测量：能够用万用表直流电压档（或直流电压表）监测当前所检测到的实际温度，测量温度范围为05022、控制：能够在监测范围内对室内温度进行人为可调节并能自动地控制在所调节的温度上（所要加热的目标温度要比当前室温高）。3、加热器电参数：交流220V/500W。2.2系统实现原理框图电
5、热丝根据课题的要求和技术指标，能实现对加热器温度的测量、自动控制加热、调节等的方案可谓很多。但要对方案的性能、成本、体积、难易程度等进行分析与比较，本着以满足功能要求为前提，综合考虑，确定方案。本设计包含二大部分：温度测量与控制、电源部分。总体框图如图2-1所示。温度传感器调节器功率驱动器比较器放大器图2-1系统总体框图根据框图，显然需要温度传感器、放大器、比较器、调节元件和可控功率驱动元件等功能部件，其中的每一个功能部件又都有多种选择的余地，当我们对每一个功能部件进行分析、比较、选择和确定后，总体方案便确定下来了。这里列举出各功能部件的部分内容：1、传感器：热电偶、热敏电阻、铂热电阻、双金属
6、片、PN结温度传感器、(模拟或数字)集成电路温度传感器；2、放大器：晶体三极管、MOS或结型场效应管、集成电路运算放大器、直流放大器、交流放大器；3、比较器：专用集成电路比较器、用运放设计的比较器；4、调节元件：电位器、多档开关、组合开关；5、可控功率驱动元件：单向可控硅、双向可控硅、电磁继电器、交流接触器、固态继电器；6、任何电子装置都离不开电源：交流电源、高压电源、专用直流稳压电源、自己设计装配开关型、线性型直流稳压电源等、。经过综合分析比较，本设计中温度传感器采用PN结温度传感器、放大器采用集成电路运算放大器、比较器用运算放大器来设计、调节元件采用线性电位器（尚有对数和指数电位器）、可控
7、功率驱动元件采用继电器等这些部件作为该项目的设计方案。系统硬件电路的设计第三章 系统硬件电路的设计 3.1温度检测与控制电路设计仪器仪表的测量方精度受到很多因素影响，比如室内的温度，湿度等都会影响到测量的精度，考虑到实际的条件，我们只设计了影响测量精度的温度因素，设计此部分电路能够对室内的温度进行监测，同时还能人为对室内温度进行设置，并能够自动控制在所设定的温度上。温度检测与控制方案的确定：温度传感器采用廉价的PN结温度传感器。PN结受温度的影响为：温度每升高1，正向电压降约降低1.8 mV2.5mV ，即温度系数为-1.8 mV/-2.5mV/，呈线性关系；温度每升高10，反向饱和电流约增大
8、1倍，呈指数关系。如果采用呈指数关系的反向饱和电流温度系数来设计电路，将使得监测仪表的高端的观测分辨率降低。所以，从方便于监测的角度来看，宜采用线性关系的正向电压降温度系数来设计。考虑到要用电压表头来对温度予以监测。而-1.8 mV/-2.5mV/的灵敏度不宜观测的很精确，况且，温度升高时表头电压读数减小，也不符合人们观测的习惯。我们先拟订一种既能分辨1误差又符合人们习惯的数据观测方案：用万用表的直流5V电压档监测；当指针指示在最左边0V时，对应0；当指针指示在最右边5V时，对应+50。当指针指示在0V5V任意位置时，对应0+50线性均匀分布。也就是如图2所对应的刻度盘。从图3-5中表头刻度看
9、，每误差0.25V对应误差10，5V电压表头刻度的观测分辨率为0.05V，则对应每小格2。可见，每摄氏度对应半格（0.025V）。 2.5 V 25 0V 5V0 50 图3-5 电压表头3.1.1温度检测电路的分析与设计由于温度传感器置于室内中，温度传感器的输出将转换为随温度而变化的电信号。PN结随着温度的变化有两项UD VID mA10 0.575 0.7 0.82550 0 -50参数将发生相应的变化：一是其反向饱和电流呈正温度系数而变化，二是其正向电压降呈负温度系数而变化。我们采用后者，并且已经知道，在0（有些教材介绍是室温）附近，若满足某一恒定正向电流如1mA的条件下，温度每升高1，
10、PN结的正向电压降降低约22.5mV，温度每降低1，PN结的正向电压降升高约22.5mV，即正向电压降随温度的变化速率为约-2-2.5mV/，并且在约50温差范围内线性度优于1%。一个典型的PN结其伏安特性曲线如图3-2所示。UD VID mA10 0.575 0.7 0.82550 0 -50图3-2 PN结其伏安特性曲线在1mA的条件下，环境温度为0时，正向电压降为0.7V，环境温度为+50时，正向电压降降低为0.7-0.002550=0.575V，环境条件为-50时，正向电压降升高为0.7+0.002550=0.825V。一般地，从PN结取出正向电压降的典型电路如图3-3所示：R 300
11、 E 1V D UD 图3-3典型电路在图3-3电路中，如果按照图中所示的元件参数，在-50、0、+50时，假设UD仍为0.825V、0.7V、0.575V，则难以保证在PN结上的电流始终保持恒定，计算如下：-50时的电流 ID-50 =（E-UD-50）/R=（1-0.825）V/0.3k=0.58mA；0时的电流ID0 =（E-UD0）/R=（1-0.7）V/0.3k=1mA；+50时的电流ID+50 =（E-UD+50）/R=（1-0.575）V/0.3k=1.4mA。由此得到PN结随温度的变化，其两项参数的变化如图3-4所示：1.410.58UD VID mA50 0 -500 0.5
12、75 0.7 0.825非线性图3-4 PN结参数变化图显然，在固定电压供电、环境温度不同的情况下，由于正向电压降的变化，导致流过PN结的电流变化，从而进一步导致假设的UD在-50、0、+50时已经不是分别为0.825V、0.7V、0.575V了，由图3-4可见，正向电压降随着温度的变化其线性度变坏了，所以使用图3-3电路取温度的变化量是不可取的，应舍弃并重新选择电路。由上述的分析可知，只要设法保证PN结上的电流随温度变化保持恒定，则可保证UD在-50、0、+50时分别为0.825V、0.7V、0.575V 是精确的，那么如何才能实现呢？显然，必须要用恒流源电路给PN结供电。恒流源电路形式很多
13、，图3-5是用运算放大器组成的压控恒流源电路。图3-5温度检测电路图3-5中，在流过温度传感器电流为恒定的条件下，温度变化和温度传感器两端电压呈线形关系，该电路是电压电流变换器，只要同向输入端所加的电压E和R11下方电位是恒定的，其PN结上的电流也是恒定的。由图分析，根据虚短的概念，运算放大器的U+和U-电位相等，则流过R11电阻的电流是IR=U-/R=U+/R （3.1）又根据虚断的概念，I-电流为0，则流过R11的电流必须完全由PN结D6提供，所以ID=IR （3.2）并且ID不随温度而变化（PN结正向电压降仍然随温度变化）。同向输入端上电位E的取值方法是以0时输出电压UO所需达到的电压值为依据的，要求0对应输出0V，并设0时UD=0.7V，显然，输出电压UO的表达式为UO=UR+UD （
