简易温度控制器的设计(DOC)

课程设计说明书

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I

简易温度控制器的设计

摘要

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。

关键词：测温，显示，加热

目录

一、设计任务和要求 (1)

1.1设计内容 (1)

1.2设计要求 (1)

二、系统设计 (1)

2.1系统要求 (1)

2.2系统工作原理 (1)

2.3方案设计 (1)

三．单元电路设计 (2)

3.1 温度检测电路 (2)

3.1.1电路结构及工作原理 (2)

3.1.2电路仿真 (3)

3.1.3、元器件的选择及参数的确定 (4)

3.2 比较/显示电路 (4)

3.2.1 电路结构及工作原理 (4)

3.2.2电路仿真 (5)

3.2.3元件的选择及参数的确定 (5)

3.3、温度控制单元电路 (5)

3.3.1 电路结构及工作原理 (5)

3.3.2 温度控制单元仿真电路 (6)

3.4电源部分 (7)

四.系统仿真 (9)

结论 (9)

致谢 (10)

参考文献 (10)

一、设计任务和要求

1.1设计内容

采用热敏电阻作为温度传感器，由于温度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，从而通过输出电平对加热器进行控制。1.2设计要求

首先通过电源变压器把220V的交流电变成所需要的5V电压；当水温小于40℃时，H1、H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热；当水温大于50℃，但小于70℃时，H1加热器打开，H2加热器关闭；当水温大于50℃时，H1、H2两个加热器同时关闭；当水温小于30℃，或者大于80℃时，红色发光二极管报警；当水温在30℃～80℃之间时，用绿色发光二极管指示水温正常[2]。

二、系统设计

2.1系统要求

系统主要要求将温度模拟量转化为数字量，再将其转化为控制信号，从而对显示电路和控制电路进行控制，从而自动的调节水温，

2.2系统工作原理

通过对水温进行测量，将所测量的温度值与给定值进行比较，利用比较后的输出信号至加热部分，让加热部分调控水温，从而实现对水温控制的目的。同时也反应到显示部分，让其正确的表示温度的状态。温度值的变化引起电阻值的变化，从而最终引起测温电路输出的电压值的变化，经过后边比较电路进行比较，从而控制显示电路和加热电路。

2.3方案设计

为了使信号输出误差很小，选用桥式测压电路，这样可以得出较为准确的与温度相对应的电压值，关于比较部分可以选用比较器LM339构成窗口比较器，再利用滑动变阻

器来调节上下限电压，将输出电压值与设定的电压值进行比较来控制三极管，以达到使绿色和红色二极管根据不同温度亮灭的目的。同时也将第一部分输出的电压值在比较部分进行比较来控制继电器以达到控制外电路的目的。通过对电路设计要求的全面考虑，使用LM324比较容易实现第一部分的功能，同时为了方便电路的调试，热敏电阻可以使用150欧姆的滑动变阻器代替，至于继电器和外部电路，可以用发光二级管将其代替，用发光二极管的亮灭来表示其是否对容器内的水加热，这样设计电路既可以节省电路板的使用空间和成本，而且可以有效的方便的调试工作[8]。

三．单元电路设计

３.１温度检测电路

3.1.1电路结构及工作原理

图1

如图1所示桥式温度测量电路，检测元件可采用铂电阻Pt100作为温度传感器,运放要选择输入电阻较大的，Pt100的阻值与温度之间的关系为R=R0(1+At+Bt×t) 式中，t为摄氏温度；R0为t=0时的阻值；A、B为常数。由于此电路控制精度并不是很高，因此可以将二次项忽略，这样，铂电阻与温度之间的关系变为R=100Ω+0.386Ω/℃t 式中，100Ω为Pt100在0℃时的阻值。

为使运放在静态时两输入端平衡，令R1=R3,R2=R4。图1如果设A3的输出为U0，则有

U1=5×[(100Ω+0.386Ω/℃t)∕（2100Ω+0.386Ω/℃t）]V

U2=5×(100Ω/2100Ω)V

U0=（U1-U2）R2/R1

=K(U1-U2) (其中K=R2/R1)

=5K×[(100OΩ+0.386Ω/℃t)/(2100Ω+0.386Ω/℃t)-100Ω/2100Ω]V

≈5K×0.386Ω/℃t /(2100Ω+0.386Ω/℃t)

≈5K×0.386t/2100

令t=100℃时,U0=5V,则K=54.4,故有R2/R1=54.4,取R1=5.6KΩ，则有R2=304.64K Ω，故有R1=R2=5.6KΩ，取R2=R4=300KΩ。

工作原理是当铂电阻阻值改变时,会给运放部分一个较小的电压，这个电压再经过运算放大器放大后输出一个电压信号，此电压信号是随铂电阻阻值变化即温度值而变化。这个输出电压为后面的比较电路提供一个比较值,从而控制显示电路和加热电路。

3.1.2电路仿真

图2

图2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将温度值转变为电压信号的能力[3]。

用滑动变阻器代替热敏电阻，调节滑动变阻器模拟热敏电阻阻值随温度的变化，由公式R=100+0.386tΩ可以得30℃、40℃、50℃、70℃ 80℃以及低于30℃和高于80℃水温对应的滑动变阻器的阻值，从而控制输出电压。

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，使阻值尽可能实现匹配，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要选择精度较高的，输入电阻较大，共模抑制比较高的运算放大器，如OP07，LF412等[6]。

3.2 比较/显示电路

3.2.1 电路结构及工作原理

图3

图3为比较/显示电路，其中A4,A5两个运放构成窗口比较器，连接两个滑动变阻器,通过调节电位器来设定40℃和70℃相对应的电压值。假设UR1和UR2分别对应40℃和70℃水温，则UR1和UR2可通过调节电位器R1和R2设定。另一方面，UR1和UR2实