模电课设-温度控制器

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：

工作单位：

题目: 温度控制系统的设计

初始条件：

AD590温度传感器，LM324N集成运算放大器，Tec，电阻，电位器，二极管

要求完成的主要任务:

一、设计任务

利用温度传感器件、集成运算放大器和Tec(Thermoelectric Cooler，即半导体致冷器)等设计一个温度控制器。

二、要求

（1）控制密闭容器内空气温度

（2）容器容积>5cm*5cm*5cm

（3）测温和控温范围：0℃~室温

（4）控温精度±1℃

三、发挥部分

（1）测温和控温范围：0℃~（室温+10℃）

时间安排：

1.第19周：查找并阅读相关资料，掌握基本原理

2.第20周：理论设计，实验室安装调试以及撰写设计报告

3.第21周：答辩

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

温度控制系统的设计

第一章温度控制系统设计 (3)

1.1温度控制系统总体方案 (3)

1.2 温度传感单元 (4)

1.2.1温度传感器的选择 (4)

1.2.2温度传感器测温的实现 (5)

1.2.3 放大器应用中Ri与Rf的选择 (8)

1.3 温度比较环节 (9)

1.4 PID控制环节 (9)

1.4.1 PID理论 (9)

1.4.2 PID的参数调节 (11)

1.5 Tec控制单元 (13)

1.5.1 控制温度元件的选择 (13)

1.5.2 桥式推挽功率放大电路 (14)

1.5.3 BTL上三极管选型 (14)

第二章元件清单及总电路图 (16)

2.1 元件及器件明细 (16)

2．2总电路图 (16)

第三章课程设计总结 (18)

参考文献 (19)

一、温度控制系统设计

1.1温度控制系统总体方案

方案一温度传感器接收温度信号，并转化为电信号处理，同时考虑进温度传感器的线性度并将其转换成表征温度的电压信号，完成温度测量。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（BTL）中，利用放大的差模信号轮流推挽，利用流过BTL电流大小和方向控制控制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：实际设计操作中参数难以调整。BTL上电流方向变化频繁。

方案二运用集成运算放大器的非线性功能比较基准电压与变化电压，将连续的电压信号离散成为高电平和低电平分别控制Tec制冷或加热。

优点：电路简单，便宜。可以采用滞回比较器，更好的断续调节Tec工作。

缺点：不能控制Tec制冷速率，滞回比较器可能会降低反应的灵敏度，难以达到将误差控制在1℃以内的要求。

方案三依然采用连续调节式恒温控制电路，混合运用波形发生器和电容的积分作用，平缓信号的变化程度，增强电路的稳定性，运用集成运算放大器比较预置控制温度与接入的温度信号，但以脉动制式通过调整脉冲宽度来实现恒温控制。

优点：改进了方案二中无法控制Tec制冷速率的问题，且连续调节效率更高

缺点：制作麻烦

考虑进元件价格，因素，我选方案一

1.2温度传感单元

1.2.1温度传感器的选择

方案中利用温度传感器将温度信号转化为电信号（电压或电流），考虑过一些温度传感器的电路图。主要是利用四臂电桥和热敏电阻分压作用来放大压差，将温度信号转换为电压信号。二极管和三极管。晶体二极管和三极管的PN结结电压都是随温度的变化而变化的。如硅管的PN结在常温下的节电压约为0.7V，每升高1℃时，节电压下降约2mV，利用玻璃管封装的硅开关二极管IN4148或将硅三极管的集电极与基极短接成二极管，方便而便宜。热时间常数小（0.2~2S），灵敏度约为-2mV/℃，测温范围为-50℃~+150℃。它的缺点是流过PN节的电流不能过大，一般取100~300μA（不超过1mA的最大值），电流过大会因PN结结温变化升高而影响精度。此时它不再单一受控于温度变化，还将引进电流误差，可以考虑引入恒流源。不过这种温度传感器输出的测温信号电压十分微弱，在一般的温度测量电路中多采用高灵敏度四臂电桥来拾取温度变化的电压信号。将这一信号电压通过运算放大器组成的高稳定度放大器的放大后输出。为保证电桥不因工作电源电压的波动而影响测量的准确性，在电桥中一般都采用单独的稳压电路提供工作电源，有时还在电桥中设有温度补偿元件，如二极管或热敏电阻等。

线性式热敏电阻温度计

最终考虑到需要测量温度，而自己制作的温度传感器不管是线性、温度特性、焊接精

度、电阻误差都存在一定难度。转而投向集成温度传感器，参考了两种温度传感器AD590和LM35系列：

AD590是一种测温用的集成电路温度传感器，由美国AD公司生产。该温度传感器具有体积小、测温精度高、稳定性好、反应速度快、线性度好、能进行远距离传送和价格低廉等优点。输出电流正比于K氏温度，数值为1μA/K，在223μA（-50℃）~423μA（+150℃）之间。工作电源电压为4~30V。测温范围为-55℃~+150℃。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

LM35系列集成温度传感器是一种性能优良的温度传感器，它的测温范围为0℃~100℃.包含实验设计要求。它能在单电源下工作，电压范围较宽。它的测温输出电压与摄氏温度成正比，线性系数为+10mV/℃，还可进行远程传送，该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。

由于在电子市场上没有找到合适的型号，最终选定AD590作为电路的温度传感器。1.2.2温度传感器测温的实现

测温环节由电流-电压转换，阻抗变换，比例加法器，反向比例放大器组成。因multisim 中没有AD590故暂时用AC POWER代替，并用直流电压源模拟电路输入信号。AD590输出电流信号通过电阻R1和RP1转换为电流信号，经过U1A阻抗变换后作为被测温度的电压参考值。为实现温度信号的表征，需将K氏温度通过运算放大器转换成摄氏温度。调节方法为，将AD590置于0℃，调节电位器RP1使节点1电压为2.73V（即RP2为1KΩ）。当温度达到室温26℃时，节点1的电压为2.99V。通过U2B进一步调节实现两种温标的转换。调节RP2给节点4提供一个-2.73V来将0℃温度转换为节点4的0V，同理当达到室温26

度时，4点电压为0.026V，与摄氏温度对应。再有R9/R3=1，节点8为节点4电压值的相反数，最后通过集成运放U3C将该信号放大-10倍。