简易温度控制器设计

1电子技术综合训练设计报告题目：简易温度控制器制作姓名：张清明学号：09260203班级：控制工程基地二班同组成员：吴舟航指导教师：杨新华李恒杰日期：2010年7月17日2摘要本设计是为了做一个简易温度控制器，其可分为两大部分：测温电路，比较控制电路。测温电路将温度信号通过模拟电路转换成电压信号，采用热敏电阻根据温度的变化来引起电压的变化。比较控制电路将转换后的电压信号利用比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较这样比较器就将模拟的电压信号范围转化为只有几组1和0两种情况的组合，输出高或低电平通过数字逻辑确定LED灯显示温度状态。控制电路也是将转换后的电压信号过比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较，输出高或输出高或低电平控制加热装置，从而控制温度。关键词：温度检测，信号转换，比较，显示，控制。3目录一、设计任务和要求...................................4１.１设计内容...................................4１.２技术要求：.................................4二、系统设计.........................................5２.１系统要求...................................5２.２设计方案...................................5２.３系统工作原理...............................6三、单元电路设计.....................................7３.１温度检测单元电路...........................7３.2温度比较控制单元电路.......................12３.3电源单元电路................................12四、系统仿真.........................错误!未定义书签。五、电路的安装、调试与测试..........................16５.１电路安装.................................16５.２电路的调试...............................16５.２系统功能及性能测试.......................16六、结论............................................18七、参考文献........................................194八、总结体会和建议..................................20附录一、设计任务和要求１.１设计内容设计并制作一个温度监控系统，用温度传感器检测容器内水的温度，以检测到的温度信号控制加热器的开关，将水温控制在一定的范围之内。１.２设计要求：1、当水温小于50℃时，H1、H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热，；2、当水温大于50℃，但小于60℃时，H1加热器打开，H2加热器关闭；3、当水温大于60℃时，H1、H2两个加热器同时关闭；4、当水温小于40℃，或者大于70℃时，用红色发光二极管发出报警信号；5、当水温在40℃～70℃之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；6、电源：220V/50HZ的工频交流电供电。（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室稳压电源调试）7、按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行必要的仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告，。发挥部分：1、提高温度采集及控制精度；2、其他恰当功能；5二、系统设计２.１系统要求系统主要要求将温度信号转化为电压信号，再将其转化为控制信号，从而对外部加热电路进行控制，从而自动的调节水温，电路的细节要求如下：1、当水温小于50℃时，H1、H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热，；2、当水温大于50℃，但小于60℃时，H1加热器打开，H2加热器关闭；3、当水温大于60℃时，H1、H2两个加热器同时关闭；4、当水温小于40℃，或者大于70℃时，用红色发光二极管发出报警信号；5、当水温在40℃～70℃之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；２.２设计方案图1由上面的拓扑图可以得出本温控系统主要为三部分组成，分别是测温部分、根据所测量的温度与给定值进行比较部分，比较后的得出的信号返至加热部分，得以让加热部分调控水温，达到对水温控制的目的。同时也反应到显示部分，让比较部分给定值加热部分水温测温部分显示部分6其正确的表达温度的状态。２.３系统工作原理想要让系统正常稳定的工作，必须要有一个关于温度的准确信号值，为了使信号输出误差很小，可以选用桥式测压电路，这样可以得出稳定的与温度相对应的电压值，关于运放的的选用可以使用lｍ３２４，关于比较部分先通过电源和不同阻值的电阻构成分压电路取得设定电压值，再将检测信号分别和设定信号与比较器计较得到输出高低电平，四个高低电平可以组成数字逻辑，四个数字逻辑通过不同的门电路组合便可根据设计要求来决定不同的加热器通断和红绿led灯亮或者熄灭。同时在加热电路串入黄色二极管来指示加热器的通断。通过对电路的通盘考虑，使用lm324比较容易实现第一部分的功能，同时根据采购的局限，正热敏电阻可以使用200欧姆滑动变阻器代替，，用二极管的亮灭来表示其是否正常工作，这样安排可以节省电路板的使用空间，而且可以有效的方便的调试工作。7三．单元电路设计３.１温度检测单元电路3.1.1电路结构及工作原理图2如上图所示桥式温度测量电路，工作原理是当铂电阻电压改变的时候会给运放部分一个电压差，这个电压差再经过以上的规律放大后可以数去一个电压信号，此电压信号是随温度变化而正比变化的，这也为后面的比较电路提供了信号源。检测元件可采用铂电阻，为设计简单选择最大阻值100欧姆的滑动变阻器代替pt100铂电阻。检测输出由电压跟踪比较器输出来消除负载效应，以免后面的控制和执行电路的等效电阻影响输出精度，整个电路的输出电压值较低。为保证系统精度减小误差，先将信号用比较器放大后再送到比较电路与设定电压值进行比较。运放要选择输入电阻较大的运算放大器，其共模抑制比必须高一点以保证运放的精度,为了使运放两输入端平衡，两个5.6k的店主要尽量相等，K=5.6k/R2.U0=K(U1-U2)。并且通过合理将两桥臂输出端接到合适的比较放大器8的输入端可以使输出电压的值与温度即滑动变阻器的阻值成正比关系3.1.2电路仿真R22kΩR32kΩR4100ΩR55.6kΩR65.6kΩR7300kΩU1OPAMP_RATEDU2OPAMP_RATEDU3OPAMP_RATEDVCC5VVDD12VVCCR150ΩKey=A50%R8300kΩXMM1VDDVEE-12VVEE12347560R9100Ω80图3上图则为在设计软件下仿真的截图，在末端可以加装电压表，调节滑动变阻器可以使输出电压改变，于是可以得出其已经具备的将温度信息转变为电压信号的能力，在阻值的选取也符合现实采购的的要求。3.1.3、元器件的选择及参数的确定为了获得比较高的测量精度，电阻可以选用1%的五环金属膜电阻；或者采用电位器调节得到两只匹配的300k电阻，尽可能实现匹配，提高电路的共模抑制比，A1和A2要选择输入电阻较大的运算放大器，如TL082，A3要选择精度较高9的，输入电阻较大，共模抑制比较高的运算放大器，如op07，lf412等。但因市场购买限制全部使用lm324n，仿真和运行显示满足均要求类型:低功率放大器数目:4带宽:1MHz针脚数:14工作温度范围:-40°Cto+85°CSVH:NoSVHC(18-Jun-2010)封装类型:DIP-3dB带宽增益乘积:1MHz变化斜率:0.5V/μs器件标号:324工作温度最低:-40°C工作温度最高:85°C放大器类型:低功耗电源电压最大:32V电源电压最小:3V芯片标号:324表面安装器件:通孔安装输入偏移电压最大:7mV逻辑功能号:324额定电源电压:+5V3.2控制加执行电路3．2．1控制加执行电路仿真图10电路仿真如上图所示当温度在正常值范围内亮绿灯，在正常工作的范围外时亮红灯，加热器工作时黄灯亮，所以此方案可行。3.2.2元件的选择及参数的确定将温度检测电路检测上的温度信号转化放大后再引出四分路，分别加到比较器与四个设定温度对应的电压值进行比较，设定电压由电压源和不同阻值电阻构成分压电路来引出设定电压值。由比较器的四个输出端地高低电平得到组合数字逻辑，再由数字逻辑决定不同的门电路来决定各个三极管通断，再由三极管使led灯和加热器的通断，由于发光二极管额定电压电流都很小所以前加以保护电阻限制电流和电压防止发光二极管被烧坏。在此由电源和滑动变阻器的分压电压来替代温度检测电路检测上来的温度电压信号。比较器由市场购买lm339j，非门用74ls04p，与门选用hd74ls32p。为保证lm339j正常工作其输出级需要加一上R19k?R22k?R36k?R43k?R51k?R67k?R78k?R84k?U4A4009BCP_5VU6A4071BT_5V12U7A4009BCP_5VQ12SC2655Q22SC2655R910?R1010?Key=A50%VDD5VVDDR13380?R17380?D121N5767D161N5767D21N5767XMM101D11N576724313U5ALM193D32814VDD5VVCC12VVCCR213k?6U1ALM193D32814U2ALM193D32814U3ALM193D32814R223k?R233k?R243k?511VDD90267VDD5VQ32SC2655Q42SC2655R25380?2829R26380?14273132LED7LED8LED1LED3VDD1525353610190VSS11拉电阻。阻值不同将影响输出高电平的大小。这里我们接上2k欧姆的电阻。LM339、LM339LM339电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见LM339引脚图的集成电路。利用lm339可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。目录应用范围:LM339的特点和一些参数1）电压失调小，一般是2mV；LM3392）共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v；3）他对比较信号源的内阻限制很宽；4）LM339vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；5）输出端电位可灵活方便地选用。6）差动输入电压范围很大，甚至能等于vcc；、电压比较器LM339简介:LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围12很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压