恒温箱温度控制电路设计

恒温箱温度控制电路设计学生学号设定温度热敏电阻继电器报警灯TS（℃)RN（kΩ）B（Ｋ）线圈电压（V）线圈电阻（Ω）指示灯闪亮周期（S）20091101912530340012160253034001216012V5W1.5一，概述衡温箱的基本功能：利用测量电路测量温度，反馈于控制电路，控制电路根据温度的高低做出反应，控制制冷系统或加热系统对温度做出改变，总的来说，恒温箱的功能就是保持温度。其典型应用为用以饲养或培养生物或生物的一部分（细胞等），以前用于孵卵的恒温器，有的是通过热水加热（水温式），但实验用的大部分为电热式，装有电热器和温度调节器，是一种外壁上装有绝热材料的箱子或柜橱。恒温箱的组成下图所示：恒温箱体制冷系统加热系统220VAC报警显示电路测温电路电源电路控制电路工作原理:恒温箱由制冷系统，加热系统，控制系统，温度系统空气循环系统，和传感器系统等组成.恒温箱的温度控制是一个典型的自动控制问题，属于自动控制理论和控制系统设计课程的内容。在本课程的设计作业中，我们采用一种简单的控制策略，当恒温箱的温度低于下限值TL=TS-0.5的时候通过继电器启动加热系统，当恒温箱的温度高于上限值TH=TS+0.5的时候通过继电器启动制冷系统。设计任务:(一)、温度测量电路设计一个温度测量电路，用输出电压值指示被测温度。当被测温度为TS=25时，测量电路输出电压为0V；当被测温度处在25±2℃之间时，输出电压为-5V~+5V之间一个随被测温度变化的值。此处的设计需用到NTC热敏电阻，即具有负温度系数的热敏电阻，其阻值随温度的升高而降低。（二）、温度控制电路设计一个温度控制电路，当恒温箱的温度低于下限值TL=TS-0.5的时候通过继电器启动加热系统，当恒温箱的温度高于上限值TH=TS+0.5的时候通过继电器启动制冷系统。（三）、报警电路设计一个报警电路，当恒温箱的温度处于设定的正常范围时绿灯闪亮，当温度高于TH时红灯闪亮，当温度低于TL时黄灯闪亮。指示灯为白炽灯，闪亮方式为由暗逐渐变亮在逐渐变暗。（四）、电源电路设计一个电源电路，把220V交流电变换成稳定的低电压直流电源供控制电路使用。总之，整个设计思路就是，用热敏电阻感知温度变化,由电阻电压的变化反映温度变化,将电压放大后输出。设定温度的上下限值为25±2℃,控制相关设备（制冷系统与加热系统），并在温度超出限值时发出相应的报警信号。二、温度测量电路设计1）温度测量电路的组成、原理和基本功能它的组成有：差分比例运算电路跟反向运算电路各一个，第一级放大电路的正向输入端跟一个回路相连，UI2由该回路的分压提供。原理:（1）在电压源回路中接入一个定值电阻跟一个热敏电阻，随着温度的变动，热敏电阻的阻值会随之改变，其两端的电压也会发生改变。（2）第一级放大电路：将热敏电阻的电压作为电压源，输入第一级放大电路（差分比例运算电路）的正向输入端，第一级放大电路的反向输入端的输入电压有确定值，两输入端的差值会随着温度的变化而出现正负值。当温度低于Ts时，输出电压为正值，否则为负值。（3）第二级放大电路：为了使温度低于Ts时输出的电压为负值，高于Ts时为正值，还需接一个反向运算电路方可，控制运算电路的参数，使被测温度处在25±2℃之间时，输出电压为-5V~+5V之间一个随被测温度变化的值。基本功能：测量温度，并将结果表现在输出电压上。2）输出电压与被测温度之间的关系（可以用数学表达式或特性曲线表示）。（Ts=298.15k）由（1）可得，UO’=Rf/R2*(U*RT/(RT+R1)-UI1)UO=—Rf2/R3*UO’热力学转换公式：T=t+273.15又)11(NTTBNTeRR联立可得：UO=—Rf2*RfR3*R2*(U*/(+R1)-UI1)其中Rf2/R3为第二级放大电路放大的倍数，Rf/R2为第一级放大电路放大的倍数。作其特性曲线：输出电压与被测温度之间的关系-15-10-5051015293294295296297298299300301302303温度（k）输出电压（mV）系列13）放大电路的输入方式和主要性能指标。输入方式：先接一个差分比例运算电路，再接一个反向运算电路。差分比例运算电路的正向输入端连接RT端的电压，即与RT的阻值同步，而反向输入端输入不变的电压。反向运算电路的反向输入端跟第一级放大电路的输出电压相连，正向输入端接地。主要性能指标:对于第一级运算电路，放大的倍数略小，Rf=40Ω，R2=30Ω，放大倍数为4/3，UI1=20V对于第二级运算电路，放大倍数较第一级的高，其中Rf2=500Ω，R3=100Ω，放大倍数为5倍。如图（一）所示图（一）4）分析设计要求，确定合理的温度控制电路形式，计算电路中元器件的参数，画出电路图。设计要求，当被测温度为TS时，测量电路输出电压为0V；当被测温度处在TS±2℃之间时，输出电压为-5V~+5V之间一个随被测温度变化的值。列下表：温度阻值(欧姆)热敏电阻两端电压294.15348311.5475296.15322160.7697298.15298280300.1527645-0.7596302.1525648-1.5069观察到若要当被测温度处在TS±2℃之间时，输出电压为-5V~+5V之间一个随被测温度变化的值。必须将热敏电阻两端的电压放大约20/3倍，分两次放大，于是第一次放大4/3倍，第二次5倍。电路中器件的参数与电路图如图（二）所示：图（二）5）通过理论分析和计算说明电路设计和参数选择的合理性。由（2）可得，UO=—Rf2*RfR3*R2*(U*/(+R1)-UI1)代入数据：UO=—20/3*｛40*30*e^(3400*(1/T-1/298))/（30*e^(3400*(1/T-1/298))+29828）—20｝当T=Ts时，UO=0当T=Ts+2时，计算可得UO=5.06,约等于5V当T=Ts-2时，计算可得UO=-5.13，同样很接近5V.对于热敏电阻端的回路，选择输出电压为40V，远小于热敏电阻的耐电压700V，因此热敏电阻不会因电压过大而损坏。故从总体上来说，参数的选择有一定的合理性。