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1、辽宁工程技术大学电子技术课程设计综述闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环1。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统2。在闭环负反馈系统中，其核心元件为滞回比较器，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差，滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也具有一定的抗干扰能力3温度这个物理量在我们的生活中起着举足轻重的作用，对它的测量与控制有
2、十分重要的意义4。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，温度的控制和检测变得愈加重要。为了设计出一个简单易行的温度控制器，在翻阅了大量资料后，进行了一些简单的设计，一个包括电桥电阻、放大器、滞回比较器和加热电路的闭环温度控制器，1方案设计与分析为了将温度的变化和电路中电压的变化联系在一起，故在电阻电桥中添加一个感温元件热敏电阻Rt，由此热敏电阻接受温度的变化，从而转化为向后传输的电压的变化。电压跟随器U1，U2和运算放大器U3构成闭环放大电路，由此放大电路放大的电压传输给后面的U3滞回比较器，由U3比较出电压的变换量，从而控制加热系统是否进行加热，即使灯泡发光或熄灭。2电路设计框
3、图及功能描述该电路初始时候设定一个温度值，即为那时候的电压电流值为初设值，将此时候的电流值传输给电压测量放大器，经放大器对电压的放大将电流传输给滞回比较器，在一定范围内滞回比较器输出的电压值是不会变化的，而当输入的电压的变化范围确实是很大时候就会导致滞回比较器的输出电压发生变化，滞回比较器输出的电压传输给隔离驱动电路，在电流流过隔离驱动电路时候，从而使电路中的发热元件发热，是温度升高。升高的温度会由热敏电阻接受，从而由温度传感器传输给设定值的电压比较器，有电压比较器作出决定，减少电压的输入量，是发热源减少发热，从而使温度下降下来。反之，当发热源发热不足时候温度传感器传输给设定值处的电压比较器的
4、电压值变小，从而导致输入电压量变大，从而加大加热源的加热功能。使温度处于一定得范围内，从而达到对温度的控制功能。 图2-1闭环温度控制框图2.1 电阻电桥电路图2-2电阻电桥电路图如上电阻电桥电路是由不同的阻值的电阻和热敏电阻Rt组成，通过改变不同Rp的不同阻值，在电桥电路的输出端就会得到不同的输出电压，当设定好阻值后，当温度发生变化时候，热敏电阻Rt就会有很大的变化，从而导致电桥输出端输出电压发生很大的变化，从而影响后面的电路效果。在如上电桥电路中，电桥平衡的条件为：R1*Rt=(Rp+R2)*R3电桥平衡时U1=U22.1.1关于热敏电阻热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件热敏
5、电阻由半导体陶瓷材料组成， 利用的原理是温度引起电阻变化若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为n、p，则半导体的电导为： =q（nn+pp） 因为n、p、n、p都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线这就是半导体热敏电阻的工作原理 热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR）。热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000）
6、，低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。2.2闭环放大电路闭环放大电路是由两个结构组成，第一部分是由两个电压跟随器组成，是用于对电压的缓冲，让以后电路能够更好的发挥所用；第二部分是由一个电压放大器组成，用于对电压的放大，那样对以后的电路才会有明显的反应。下图为电压跟随器：图2-3电压跟随器图2-4电压放大器图2-5闭环放大电路2.3滞回比较器滞回比较器是用于控制电压输出的一种器件。在电路设计中，经常用到比较器，比如温度控制。如果只用运放
7、做的差分比较器，缓慢变化的输入信号，当其接近门限电平时，叠加在信号上面的干扰信号会使比较器产生误翻转，这就是所谓的电平比较器“振铃”现象。这样温度加热装置处于连续的开关状态。为了解决这些问题，采用滞回比较器比较合适。从电路的输出端至运算放大器同相输入端之间引入一个正反馈，就称为滞回比较器，电路原理图及特性如上图所示，从图中可以看出，传输特性具有滞回线形状。如果设比较器输出高低电平电压分别是UoH和UoL，这个电路产生的两个门限电压U1和U2分别为： U1=(UR*R1)/(R1+R2)+(UoLR2)/(R1+R2) （2-1）U2=(UR*R1)/(R1+R2)+(UoHR2)/(R1+R2
8、) （2-2）U2的U1的差值称为滞后电平，值为：U2U1R2(UoHUoL)/(R1+R2) （2-3）由此可以算出，滞后电压可以用R1和R2来调节，合理选择大小，使之稍大于预计的干扰信号，就可以消除上述“振铃”现象，从而提高了抗干扰能力。但是使用时应该注意的是：加宽输入转换区，就不可能规定很窄的比较电平，使检测误差增大，所以U2的U1的差值不要取得太大。电路图如下：图2-6滞回比较器图2-7滞回比较器的传输特性2.4加热系统此加热系统是由一灯泡代替的，有灯泡代替能够比较明显的观察到电路是否加热。图2-8加热系统2.4.1关于温度传感器近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)
9、传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器5。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。 接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。
10、此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。 温度传感器的发展 1、传统的分立式温度传感器热电偶传感器 热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测量,特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到-269，钨铼最高可达2800。2、模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及
11、模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653)中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。
12、3、智能温度传感器智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(cpu)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。3电路原理设计及参数计算电路原理图如下：图3-1闭环温度放大电路如上图中通过左端电阻电桥电路的Rp的调整，以及对温度的设置，控制好电路的输出电压，即控制好U1,U2的输入电压的值。当电压发生变化时候U1，U2把变化的电压传
13、输给U3，通过U3把所得电压放大交给电压比较器U4处理，当U4所得电压能够驱动其输出电压发生变化就会导致后续加热系统产生影响。即使得原理正在加热情况变为不再进行加热，把原来不在加热状态变为进行加热。即使得灯泡熄灭或发光。热敏电阻的计算：设：为温度系数，To取25 C。Rt=Ro1+(T-To) （3-1）=-B/T2 （3-2） B=-2.133*10-7/ C （3-3）T=25 C25 C时：=2.1092*10-12 （3-4） Rt=Ro （3-5）对于电路中的一些参数：R1=R3=R7=R9=R11=R12=10 KR2=820 Rp=300 Rt=1.2 KR4=R5=R6=R15=1 KR8=R10=R13=100 KR14=2 K由于电路中热敏电阻的存在，在电桥部分，输出的电压差会随温度的变化而发生变化，输出的电压差经过闭环放大电路放大约30倍左右，放大后的电压输入到滞回比较器，当温度升高到T2使电压增大到阀值电压+Ut时，滞回比较器的输出电压U0=Uz,为高电平，加热电路停止加热。当电桥部分输出的电压经放大后输入到滞回比较器，当温度下降到T1是电压下降到阀值电压-Ut时，滞回比较器的输出电压U0=-Uz，为低电平，加热电路开始加热。
