温度闭环控制电路

大连民族学院

电子工程师资格认证

题目：温度闭环控制设计电路仿真班级：电子115

学号：2011131502

姓名：程江海

一设计内容

1.通过运放差分放大电路将温度传感器的阻值变化转换的电压信号的变化放大；

2.利用A/D转换实现模拟信号到数字信号的转换，根据模拟电路部分电路原理计算得出最后输出电压与温度值的关系, 并通过数码管显示温度值，实现温度的测量；

3.并利用比较器（单限）来实现对温度的控制，通过设定温度上下限可使整个系统工作于一个限定的温度范围内；

4.报警装置，当被测温度超出设定温度范围时，声光报警装置工作。

5. 学会系统仿真、测量和调试。

二方案实现内容及设计思路

1.当水温小于或等于20°C时，系统自动加热。

2.当水温高于或等于50°C时，系统停止加热。

3.并用数码管显示温度情况，水温测量用热敏电阻，加热及停止用不同发光二极管。

4.设计流程：

方案设计：按照要求，将电路划分为若干模块，从而将一个大的系统划分为小的单元电路，并

分配各单元模块要完成的任务，确定各模块间输入输出关系，最后决定单元电路的组成方式。

电路设计：电路设计是按功能模块确定的单元电路设计。在该部分设计中，要详细拟定单元电路组成，性能指标及前后关系，明确采用的方法，理清思路。

器件设计：是在单元电路的结构确定后，根据单元电路的功能，确定具体元器件型号及计算相应电路系数，计算量较大。主要分为①阻容元件的设计；②分立元件的选择③模拟集成电路的相关计算。

电路仿真及测试：使用Proteus软件仿真，争取实现各单元电路的具体功能。

三设计方法及步骤

3.1

⑴信号调理模块

由于被测是温度，由设计要求，温度检测用热敏电阻。而热敏电阻是将温度转化成电阻值的变化，故在系统中有信号调理电路，作用是将温度的变化这样一个非电量转换成电信号，然后加以放大。以便后一单元电路检测。信号调理的任务是将非电量转化成电量并适当放大。固该模块也称为放大电路。

⑵水温检测模块

水温检测模块的任务是将经转换后得到的温度间接测量值与设计要求所设定的上限温度，下限温度进行比较，从而确定被测对象的加热与否。

⑶加热，停止加热模块

加热，停止加热模块的任务是对水温用电热丝进行加热或停止加热。在这里，是用热敏电阻加热，也是放大电路。

⑷温度显示模块

温度显示模块的任务是将当前的温度反映在显示器上，其作用是将温度的间接值的模拟量转化为数字量。

3.2电路设计与器件设计

⑴信号调理模块 ① 电路设计

信号调理模块的任务是将非电量转化成电量，然后加以放大，将非电量转化成电量的传感器用热敏电阻。当环境温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生变化，利用这一特性将非电量转化成电量，因此，选用由运算状态组成的放大电路最为简便。且采用同相比例运算。 ② 器件设计 a ． 运放的选择 b ． 热敏电阻的选择

c ． 电路外围电路所用元件的参数计算

电路的设计以选定的热敏电阻系数入手，然后计算出所需要的电压增益。

经查：在T=25°C 时，电阻值为10K 。

由设计要求，当环境温度下降为20°C 时，系统要加热，当上升为59°C 时，系统停止加热。 20°C ：对应阻值为12.229K ；50°C ：对应阻值为3.958K 分压电路选择为+5v ，R1为20K ，这样 ：

V20°C =1.89V ；V50°C =0.826V

然后再计算电压所需增益，A=2；

则Af=1+Rf/R2,Rf=10k ，R2=10K ； 这样T=20°C ，V==1.89v 此时， V=3.78v ， 当T=50°C 时，V=1.65v （2）水温检测模块

水温检测模块的任务是将温度为20°C 和50°C 相对电压检测值给测出来，并将这两个电压值提供给加热停止模块及加热，停止状态显示模块，因此，这部分由电压比较器组成，利用运放的非线性特征来完成，由于温度不同时对应的2个电压值，故利用2个电压比较器及信号锁存器来完成

a. 对应温度为20°C 时的检测电路

由于采用负温度系数电阻，温度越低，电阻值越大，股采用反向电压比较器，有信号调理电路输出的电压作用与运放的同向输入端 R4=10k ，阙值电压为3.2k

考虑到允许误差，用电位器Rp 代替R5，取Rp=10K 当环境温度大于20°C 时，v=0（实际值为0.3v ） 当温度小于或等于20°C 时，v=+5v （实际值为3.5v ） b ．对应于T=50°C 时的检测电路

由于温度越高，R 的阻值越小，信号调理输出的电压越低, 这样，采用反向电压比较器，即vo1作用于A 的反向输入端

当环境温度没有50°C 时，vO3=0v ；当环境温度大于或等于50°C 时，v=5v c. 阙值电压V 的确定：

取R6=10K, Vt=Vp ，带入数据1.65=10/10+R7 *5, 得到R7=20.3K,考虑到电阻的允许误差，故用阻值为50K 的电位器Rp 代替R7。 综上所述，对于A2：温度大于20小于50°C 时，Vo2=0； 温度小于20°C 时，vo2=5v 。对于A3：温度大于20小于50°C 时，Vo2=0；温度大于50°C 时，vo3=5v 。

我们运放A2，A3不同的输出状态控制加热停止电路的工作，由设计要求，当温度小于20°C 时加热，当T 大于等于50°C 时停止加热，由以上分析，将A2，A3的输出分别接D 触发器的置数端及清零端，可达到要求。

当温度到达50°C 时，对A2，vo2=0，对于A3，vo3=5V ，74ls04输出低电平，d 触发器输出端Q=0，停止加热，当温度从50度减小到20°C 时，对于A2,vo2=0，vo3=0，D 触发器输出状态保持不变，停止加热。

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