温度闭环控制电路设计解析

大连民族大学

温度闭环控制设计电路仿真

专业：通信工程

学生姓名：熊和艳

指导教师：吴宝春老师

完成时间：2020年9月24日

一、设计内容

1.通过运算差分放大电路将温度传感器的阻值变化转化为电压信号的变化放大。

2.利用A/D转换实现魔力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电压与温度值的关系，并通过数码管显示温度的值，实现温度的测量。

3.并利用比较器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.报警设置，当被测温度超出温度范围时，进行相应的报警设。

5.学会系统仿真、测量和测试。

二、方案实现及设计思路

1.当温度小于等于20℃时，系统自动加热。

2.当水温高于或等于50℃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、停止加热用不同的发光二极管。

4.系统流程图：

电路仿真及调试方案设计电路设计器件设计机构设计

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，最后决定各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。在该部分中，要详细拟定单元电路组成，性能指标及前后电路关系，明确采用的算法，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，确定具体器件型号及计算相应的系数，计算量较大。主要分为①阻容原件的设计；②分立元件的选择；③模拟集成电路的相关计算。

电路仿真测试：使用Proteus 软件仿真，争取实现各单元的具体功能。

三、设计方法及步骤 1.系统框图

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。而热敏电阻将温度转化成电阻值的变化，故在系统中由信号调理电路作用是将温度的变化这样一个非电量转化成电信号，然后加以放大。以便后一温度显示 检测对象

信号调理 水温检测 加热、停止、状态显示

加热、停止检测

单元检测。信号调理的任务是将非电量转化成电话并适当放大，故该模块也成为放大电路。

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。在这里使用热敏电阻加热，也是放大电路。

⑷温度显示模块

温度显示模块的任务是对当前温度反应在显示器上，起作用是将温度的间接值得模拟量转化为数字量。

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非电量转化为电量，然后加以放大，将非电量转化为电量的传感器用热敏电阻，环境温度发生变化时，热敏电阻的组织发生变化，利用这一特性将非电量转化为电量，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．电路的外围电路所用元件的参数运算

d．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℃时，电阻为10千欧。

由设计要求，当环境下降为20℃时，系统要加热，当上升为59℃时，系统停止加热。20℃时，对应阻值为12.561千欧；50℃时，对应阻值为4.111千欧，分压电路为+5V，R1为20K，这样V20℃=1.89v；V50℃=0.826v。然后再计算电压所需增益为2.

⑵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，V o2=0；温度小于20°C 时，vo2=5v。对于A3：温度大于20 小于50°C 时，V o2=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。

当温度小于20°C 时，对于A2，VP>VN , Ve2=5V , 74LS04-A 输出由高电平变为低电平，D 触发器74LS74 至数端Sd=0，导致其输出端Q=“1” （实际电压值3.6~4.5），开始加热。对于A3，VPVP , V03=0，74LS04-B 输出为高电平D 触发器置数端Sd=1，其输出状态仍然不变。加热/停止加热控制模块（温度控制）加热/停止解热控制模块电路设计按如下思路进行：通过振荡器，产生持续的占空比一定的脉冲信号来控制三极管的导通。振荡器采用NE555 构成占空比可调的多谐振荡器，电路如图所示。其频率f0=660KHZ，多谐振荡器输出端连接到一开关电路，以控制三极管T 的导通和截止。其工作过程如下，当T<=20°C，Q=“1”，振荡器工作。三极管处于间歇状态，这时开关电路有间歇电流流过。20 欧姆/3W 电阻发热，安装在它旁边的热敏电阻感受到其温度变化，并将该变化转化为相应直，以使后续电路做出判断。在一个震荡周期，三极管导通时间是通过Rp 调节其占空比来实现的。当20°C