温度控制电路

1电子技术课程设计报告学院：电气与电子工程学院专业班级：学生姓名：指导教师：林喜荣完成时间：2013.12.23成绩：评阅意见：评阅教师日期2温度控制电路设计报告一.设计要求设计一温度控制电路,用电阻模拟温度传感器,用不同颜色的LED灯的亮灭对应不同温度。,（1）．用电阻模拟温度传感器,。通过调节电位器来调节电压，与串联分压电路的电压进行比较。（2）．要有一个放大电路，调节电压与串联分压的结果通过放大电路来输出。上级的输出通过开环电压比较器，来决定开环电压比较器输出高低电平。（3）．调节电位器，观察红绿发光二极管交替点亮，通过搭建的电路图分析工作原理，验证实验是否正确，测试各电路功能。不同颜色的发光二极管灯的亮灭对应不同温度。（4）.在实验前，通过电脑软件进行仿真，确认实验通过测试，才可以进行实际实验；二.设计的作用、目的作用：简易温度控制器是采用热敏电阻作为温度传感器,由于温度的变化而引起电压的变化，再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，输出高或低电平从而对控制对象即加热器进行控制。其电路可分为三大部分：测温电路，比较/显示电路，控制电路。目的：本次课程设计是对于我们所学的传感器原理知识所进行的一次实际运用，通过自主的课程设计和实际操作，可增加我们自身的动手能力。特别是对温度传感这方面的知识有了实质性的了解，对进一步学习传感器课程起到很大的作用。目的：1，巩固加深对数字电子技术基础知识的理解，提高综合运用所学知识的能力。2，通过查找资料、定方案、设计电路、仿真和调试、等环节的训练，培养我们独立分析问题、解决问题的能力。3．熟悉几种常用集成数字芯片的功能和应用，并掌握其工作原理。4．培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。三.设计的具体实现1．系统概述温度控制电路要求电路对系统的温度变化有着灵敏的反应，将温度信号转化3为电信号，需要在温度的变化超过一定界限时进行报警。因此可知此电路应包含温度传感电路、电信号处理电路、温度控制报警电路。本系统由温度传感器电路即热敏电阻，电信号处理比较电路即电压比较器LM324D及附加电阻，温度控制报警电路即三极管2SC1815及红绿LED发光二极管各一盏。其温度传感控制系统如下图：温度控制电路框图这样设计的系统结构简单易于搭建和仿真，，可行性更高。所采用的元件都是常见方便使用的，因此更适合实验使用。通过主要执行的功能不同可以分为三个功能块，分别是温度传感、信号处理和报警控制。温度传感部分使用最为常见的热敏电阻，其阻值近似随着环境温度的变化而环境温度温度传感器信号处理报警控制4线性变化。在实验过程中可以使用滑动变阻器来代替热敏电阻。这样在实验过程中更易于操作电阻的变化和电压比较器输出的信号。从而控制LED发光二极管的交替发亮。温度控制电路在工作过程中，在环境温度高于设定的温度时，热敏电阻将温度信号转换为电信号，触发电压比较器，使比较器输出高电平，三极管导通，短路绿色LED发光二极管，导通红色LED发光二极管。当温度低于设定温度时，，热敏电阻将温度信号转换为电信号，该电压信号低于设定的电压，电压比较器输出低电平，三极管不导通，绿色LED发光二极管导通发亮，红色LED发光二极管截止。2．单元电路设计(或仿真)与分析温度控制电路分为三个单元，分别是温度传感单元、信号处理单元和温度控制报警单元，下面详细分析各个单元电路器件的选择、设计和工作原理的分析、仿真，包括有关参数的计算及元器件参数的选择。(1).温度传感单元此单元主要由温度传感器构成。在温度传感器的选择上，常有两种方案。一是选用阻值随温度变化的热敏电阻，二是选用数字集成芯片如LM35。正温度系数热敏电阻器也称PTC型热敏电阻器，属于直热式热敏电阻器，其主要特性是电阻值与温度变化成正比例关系，即当温度升高时，电阻随之增大。LM35是美国国家半导体公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度成线性关系。因而，从使用角度来说，LM35与开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之粗，LM35无需外部校准或微调，可以提供常用的室温精度。为了实验和设计的方便，在温度传感器的选择上，本次设计采用热敏电阻器。在仿真模拟电路和实验搭建电路的过程中，由于直接控制温度变化而使热敏电阻发生变化较为困难，因此采用阻值可以线性变化的滑动变阻器来近似代替热敏电阻，二者在输出电阻方面性质方面几乎一致，采用滑动变阻器可以使实验过程更为方便，误差和变化更小。温度传感单元需要将温度信号转换为电压信号，在热敏电阻即滑动变阻器一侧串联一电阻，并接入直流稳压电源，则可以通过串联分压将电阻信号转换为电压信号。如图所示：5定值电阻阻值可以选择R3=2千欧，滑动变阻器选择R1=5千欧。(2).信号处理单元此单元主要由同相比例放大器和附加电阻构成。通过电阻串联分压，滑动变阻器一端输出微小的电压信号，而这样微小的电压信号是不足以点亮LED发光二极管的，因此要在它的输出端接入同相比例放大器。经过放大的电压信号输入电压比较器，与设定的电压对比而产生高低电平来控制三极管的导通。其电路如图所示：6为了获得更大的放大系数，取R5=R6=2kΩ，R9=R13=10kΩ。(3).温度控制报警单元虽然传感器的输出信号经过放大器进行了放大，但如果直接点亮二极管就无法起到对设定的上限温度或设定的下限温度进行判断的作用，从而分别点亮不同颜色的二极管。在此，可以选择电压比较器来对输出电压和某特定电压进行比较，这个比较电压可以根据电阻分压电路的输出电压和温度特性，以及放大后的信号和电阻分压电路的输出信号的关系得出，进而起到设定的上限温度或下限温度的作用。放大器输出的电压信号与比较器另一端输入的电压信号进行比较，分别输出高电平与低电平。当输入电压大于设定电压时，输出高电平，LED2被点亮，三极管导通，使得LED1被短路，因而不亮。当输入电压小于设定电压时，输出低电平，LED2被截止，不能被点亮，三极管同样截止，相当于断路，因而LED1导通。当输入电压等于设定电压时，电压比较器输出为零，此时三极管导通，LED1被截止，不亮；LED2所在电路电流不足以使LED2导通，同样发光二极管LED2也不回被点亮。具体的温度控制报警单元电路图如下图所示7在参数的选择上，为了使输出高电平时三极管不被烧坏，应串联较大电阻，取R10=R8=10kΩR7=2kΩ。为了使LED发光二极管不被烧坏，应在每个发光二极管一侧串联R11=R12=200Ω电压比较器使用LM324D，每个芯片内集成四个电压比较器。使用其中一个串联电阻组成信号处理单元的电压比较器，另一个作为温度控制报警电路中的电压比较器。三极管采用2SC1815，采用TO-92封装方式。总电路图如下83．电路的安装与调试指导教师所给元件：序号名称型号数量备注1LM324D22电阻42kΩ电阻10kΩ电阻2200Ω3三极管2SC181514电位器15电源1+5V6彩灯2温度控制电路主要由以上器件LM324D运放，三极管，电阻，电位器，继电器等组成.温度控制电路的安装过程如下：（1）把所需元器件找齐全，准备好面包板。（2）用万能表测试各个电阻阻值，把电阻分类放好。（3）按照仿真电路图连接好各个器件。在调试时遇到的主要问题及原因：在实验的过程中，主要面因为临初次使用无焊面包板而对电路连接不熟悉。在连接电路过程中，对LM324D的每个引脚所代表的功能不熟悉造成我们在连接过程当中接触不良，管脚连接出错，出现二极管不亮，通过仔细检查电路纠正了错误，再次来回旋转电位器旋钮，可以观察到两盏二极管灯交替点亮。电路连接好之后，应该会在电位器旋转在一个特定角度时，两盏二极管灯发生亮与灭的交换变化。此时说明电路连接没有失误，工作正常。电位器是在近似代替热敏电阻，电位器的旋转代表着着外界环境温度变化导致热敏电阻阻值发生变化。环境温度大于设定温度时，热敏电阻分到的电压经放大器放大后大于设定的电压，红色二极管灯点亮，绿色二极管灯熄灭。当温度小于设定温度时，热敏电阻分到的电压经放大器放大后小于设定的电压，红色二极管灯熄灭，绿色二极管灯点亮。由此可知温度控制电路的工作原理以及工作性能的测试方法。四.心得体会、存在问题和进一步的改进意见等这次课程设计给我的第一感觉就是繁杂，因为第一次进行这种工作量很大的工作，但仔细回顾设计的过程，收获颇多。通过这次实验提高了我们连接电路的实际动手能力。对每个芯片与器件的9功能更加了解，在连接的过程中可以知道在实际焊接电路中可能会遇见的问题。因此在理论学习过程中安排实践是非常有必要而且有意义的，可以在实践过程中提高动手能力，提高在实际生活中理论应用的能力，可以发现自己理论和实践的不足之处，然后可以进一步改进。本次设计是通过上网查阅资料，参考所学书本内容，独立思考设计完成的。虽然在设计的过程中遇到不少的困难和困惑，如原理图太过复杂而不知道该怎么画，电路图的数量太多，不知道某个物理量如何求得以及设计书的文本格式要求复杂等等，但是这些都没有阻挡我完成设计的脚步。相反，通过这次设计，让我对电子技术的相关知识进行了复习巩固，加深了对word、wps和multisim等软件的了解和运用，真正做到了学以致用。除此之外，本次设计还培养了我的耐心，独立思考能力，知识的运用能力以及认真仔细的做事态度。五．附录。三极管三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管,晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件·其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。1三极管的发明1947年12月23日，美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，3位科学家——巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士在紧张而又有条不紊地做着实验。他们在导体电路中正在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的，而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响，所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。另外这3位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。2工作原理10晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic这就是说，在基极补充一