模电课设—温度控制系统的设计

目录1.原理电路的设计 (1)1.1总体方案设计 (1)1.1.1简单原理叙述 (1)1.1.2设计方案选择 (1)1.2单元电路的设计 (3)1.2.1温度信号的采集与转化单元——温度传感器 (3)1.2.2电压信号的处理单元——运算放大器 (4)1.2.3电压表征温度单元 (5)1.2.4电压控制单元——迟滞比较器 (6)1.2.5驱动单元——继电器 (7)1.2.6 制冷部分——Tec半导体制冷片 (8)1.3完整电路图 (10)2.仿真结果分析 (11)3 实物展示 (13)3.1 实物焊接效果图 (13)3.2 实物性能测试数据 (14)3.2.1制冷测试 (14)3.2.2制热测试 (17)3.3.3性能测试数据分析 (19)4总结、收获与体会 (20)附录一元件清单 (21)附录二参考文献. (22)摘要本课程设计以温度传感器LM35、运算放大器UA741、NE5532P及电压比较器LM339N为电路系统的主要组成元件，扩展适当的接口电路，制作一个温度控制系统，通过室温的变化和改变设定的温度，来改变电压传感器上两个输入端电压的大小，通过三极管开关电路控制继电器的通断，来控制Tec制冷片的工作。

这样循环往复执行这样一个周期性的动作，从而把温度控制在一定范围内。

学会查询文献资料，撰写论文的方法，并提交课程设计报告和实验成品。

关键词：温度；测量；控制。

AbstractThis course is designed to a temperature sensor LM35, an operational amplifier UA741，NE5532P and a voltage comparator LM339N circuit system of the main components. Extending the appropriate interface circuit, make a temperature control system. By changing the temperature changes and set the temperature to change the size of the two input ends of the voltage on the voltage sensor, an audion tube switch circuit to control the on-off relay to control Tec cooling piece work. This cycle of performing such a periodic motion, thus controlling the temperature in a certain range. Learn to query the literature, writing papers, and submitted to the curriculum design report and experimental products.Key words: temperature ; measure ;control温度控制系统的设计1.原理电路的设计1.1总体方案设计1.1.1简单原理叙述先采集室内温度信号，将其转化为电压或者电流信号，并线性放大再用万用表测取，可以直接线性反映温度值。

对于提取出的温度值，输入比较器与我们所设定的电压进行比较，高于设定，控制Tec制冷；低于设定，控制Tec制热。

这样循环往复执行这样一个周期性的动作，从而把温度控制在一定范围内。

1.1.2设计方案选择方案一采用有热敏电阻、tec半导体制冷片和温度控制电路构成的闭环系统。

通过将热敏电阻探测的阻值变化转换为电压变化，然后以差分放大的方法得到所需工作电压及电流。

图1-1-1 方案一原理框图其中，温度采集部分为热敏电阻，集成的热敏电阻一般采用的是高灵敏度的负温度系数NTC,其材料一般为薄膜铂电阻，其体积小、精度高，它作为传感器探测温控箱内部温度，并将温度转换为自身的电阻变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转化为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度，所以需要差分放大电路来对热敏电阻测温阻值转换后的电压值进行放大，然后由温度控制电路改变制冷量对制冷片进行制冷或停止制冷，以保持温度稳定。

一般NTC热敏电阻在温度高一段区域（25摄氏度以上）阻值变化平缓（10kΩ到0），而在0~25℃范围内，阻值从30kΩ到10kΩ变化，趋势较陡。

其阻值与温度的变化关系可用公式表示为R T=R T0exp[B(1/T-1/T0)] (B为热敏电阻材料系数)。

优点：便与集成，工作温度范围宽，简单易行。

缺点：不稳定，精度不够。

方案二：采用温度传感器LM35或AD590采集温度。

LM35其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式：0时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV，且常温下不需要额外的校准处理器，可达到±¼℃的准确率。

AD590是一种测温用的集成电路温度传感器，输出电流正比于K氏温度，数值为1μA/K,工作电源电压为4~30V，它只需要一种电源（4.5~24V）即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻，即可实现电流到电压的转换。

它使用方便，并且电流型比电压型的测量精度高，但其价格较高。

将采集的温度转换成电信号后，再与基准温度（以电信号表征）比较，Tec置于桥式推挽功率放大电路中，利用放大的差模信号轮流推挽，利用流过BTL电流大小和反向控制Tec制冷速率以及冷端和热端的转换，实现整个温度控制系统。

优点：可以控制Tec制冷速率，能对不同温度变化产生相应的反应。

缺点：Tec的电压电流较大，实际中参数难以调整，BTL上电流方向变化频繁。

方案三利用LM35采集室内温度，直接将温度信号转化为电压信号。

由于LM35转化成的电压信号较小，因此用运算放大器将信号进行无损放大，并用反相比例器反向输出的电压值即为与我们设定的温度对应的值。

对于提取的温度值，输入迟滞比较器与我们所设定的电压（设定温度对应的电压）进行比较，同时用单刀双掷开关进行换线，将温度以电压的形式在表头上显示。

进行比较后，若高于所设定的电压，则控制制冷的继电器通过三极管开关电路打开，Tec装置开始制冷；若低于所设定的电压，控制制热的继电器通过三极管开关电路打开，Tec装置开始制热。

从而达到控制温度的目的。

图1-1-3 方案三原理框图优点：精度较好，可行性较好；缺点：实际中LM35输出不太稳定。

考虑到AD590价格较高，采用LM35采集温度；桥式推免电路在大功率、大电流的情况下难以做出成品。

综合经济、经验、自身情况等，我选择方案三。

1.2单元电路的设计1.2.1温度信号的采集与转化单元——温度传感器1.温度传感器的选择根据设计要求，可以测量并控制0到室温的温度，精度达到±1℃。

故要求传感器可以测量0到室温的温度，并具有很好的稳定性。

常用的传感器有LM35和AD590，但是AD590价格较高，单价接近30元。

综合性能及价格各方面的原因，我选择了集成温度传感器LM35。

LM35温度传感器在-55~150℃以内是非常稳定的。

当它的工作电压在4到20V之间是可以在每摄氏度变化的时候输出变化10mV。

它的线性度也可以在高温的时候保持的比较好。

因此，LM35在理论上完全符合要求，故采用之。

2.温度信号的采集与转化原理图图1-2-1温度信号的采集与转化原理图在仿真中直接用200mV直流电模拟20℃下LM35的输出电压，后接一个电压跟随器将转化而成的电压与之后的电路隔离，防止之后的电路对信号采集电路的影响。

1.2.2电压信号的处理单元——运算放大器1.元器件的选择本设计对放大器的要求只是有较好的虚短和虚断特性，作为比较器时输出可以接近电源电压。

因此通用型运放UA741即可满足要求。

为了使电路的输出驱动能力提高，也可采用NE5532。

NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。

相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。

这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。

2.该部分电阻阻值的计算LM35的输出电压很小，很难检测。

所以需要将它无损的放大一定的倍数。

因控制量或测量温度在30摄氏度的时候，LM35输出电压为300mV，温度在0摄氏度时输出为0mV。

经计算：V max*A V≤12V，V min*A V≥0V 所以有0＜A V＜40 。

考虑到计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数30倍为宜。

因此选择电阻R2=10K,R3=300K。

3.电压信号的处理原理图图1-2-2电压信号的处理原理图由于初级放大电路是反相比例放大器，所以输出电压为负。

因此在放大电路后面再加一级反相比例器，使之成为正电压，再将其输出。

1.2.3电压表征温度单元图1-2-3电压表征温度单元原理图（蓝色方框内为该部分电路）本电路采用一个内阻为3.7k欧（万用表测得）的电压表表头显示温度，采用单刀双掷开关切换所显示的是设定的温度或是实际的温度。

由于温度传感器LM35的特性是温度每变化1℃，电压值变化10mV，而放大器将其放大了30倍，又分压电阻R16=7.4kΩ，所以表头所显示的值为温度/10，即温度值（℃）=表头显示值（V）*10表头接在电压跟随器的输出端与地之间，当单刀双掷开关与电位器接通时，所测的值*10为设定的温度；当单刀双掷开关与反相比例电路输出端接通时，所测的值*10为实际的温度。

电位器及电阻阻值的选择，要使控制电压可调范围为0~9V，由于VCC=12V，选取R9=5kΩ，电位器可调范围为0~25kΩ。

1.2.4电压控制单元——迟滞比较器经由反相比例器得到的输出电压要与设定电压进行大小比较后来确定是制冷还是制热，此处采用一个迟滞比较器。

通常用作比较器的运放有LM311、LM339等，由于LM339的特点如下：工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：2～36V，双电源：±1～±18V；具有非常高的压摆率；消耗电流小，Icc=1.3mA；输入失调电压小，VIO=±2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V等优点，故决定用LM339作为比较器。

设计原理图如下：图1-2-4比较器设计原理图迟滞比较器的电压传输特性如下：图1-2-5迟滞比较器的电压传输特性根据图中所示，假定设定温度为20摄氏度，则电压变化上下限为5.8V和6.2V，则从反相比例器输出的电压逐渐升高，若大于6.2V的时候，电压向下反转，达到阈值电压的负值传输给继电器，促使继电器闭合开关，启动TEC，开始制冷，直至制冷后的温度降至低于5.8V则电压向上翻转，达到阈值电压的正值，另一个继电器闭合，开始加热。