简易温度控制器制作

电子技术综合训练
设计报告
题目：简易温度控制器制作
姓名：***
学号：
班级：自动化
同组成员：
指导教师：
日期：
电子技术综合训练任务书5
摘要
本次课程设计的主题是做一个简易温度控制器。

根据课题，制定方案，经赛选比较、分析以及所学知识，最后用纯比较运算放大器实现其任务要求。

具体方法是采用Pt100热敏电阻作为温度采集，将温度模拟量转化为数字量，再利用比较运算放大器与设定温度值进行比较，输出高或低电平至电路控制元件从而对控制对象进行控制。

整个电路分为四个部分：测温电路，比较电路，报警电路，控制电路。

其中后三者为课题重点。

为模拟温度变化，此设计用滑动变阻器代替Pt100热敏电阻，加热部分用俩个绿色LED灯模拟实现，报警部分用一红一绿LED灯模拟实现。

关键词：温度控制、温度模拟量、放大比较
目录
1、设计任务和要求 (4)
1.1设计任务 (4)
1.2设计要求 (4)
2、系统设计 (4)
2.1系统要求 (4)
2.2方案设计 (5)
2.3系统工作原理 (5)
3、单元电路设计 (8)
3.1 测温部分单元电路 (8)
3.1.1电路结构及工作原理 (8)
3.1.2电路仿真 (8)
3.1.3元器件的选择及参数确定 (8)
3.2 比较部分单元电路 (8)
3.2.1电路结构及工作原理 (8)
3.2.2电路仿真 (9)
3.2.3元器件的选择及参数确定 (9)
3.3 报警部分单元电路 (9)
3.3.1电路结构及工作原理 (9)
3.3.2电路仿真 (10)
3.3.3元器件的选择及参数确定 (10)
3.4 控制部分单元电路 (10)
3.4.1电路结构及工作原理 (11)
3.4.2电路仿真 (11)
3.4.3元器件的选择及参数确定 (11)
3.5电源设计 (11)
3.5.1电路结构及工作原理 (11)
3.5.2电路仿真 (11)
4、系统仿真 (13)
5、电路安装、调试与测试 (16)
5.1电路安装 (16)
5.2电路调试 (16)
5.3系统功能及性能测试 (17)
5.3.1测试方法设计 (17)
5.3.2测试结果及分析 (17)
6、总结和体会 (20)
7、参考文献 (19)
8、附录 (21)
1、设计任务及要求
1.1设计任务
设计并制作一个温度监控系统，用温度传感器检测容器内水的温度，以检测到的温度信号控制加热器的开关，将水温控制在一定的范围之内。

1.2设计要求
1、当水温小于50℃时，H1、H2两个加热器同时打开，将容器内的水加热；
2、当水温大于50℃，但小于60℃时，H1加热器打开，H2加热器关闭；
3、当水温大于60℃时，H1、H2两个加热器同时关闭；
4、当水温小于40℃，或者大于70℃时，用红色发光二极管发出报警信号；
5、当水温在40℃～70℃之间时，用绿色发光二极管指示水温正常；
6、电源：220V/50HZ的工频交流电供电。

（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室稳压电源调试）
7、按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行必要的仿真，仿真通过后购买元器件，用万用板焊接电路，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。

2、系统设计
2.1系统要求
主要技术要求为将温度模拟信号转变为数字温度信号，再转化为控制信号，对报警电路和控制电路进行控制。

任务要求有四个温度控制点（分别存在各个器件的控制）。

如下（H1.H2均为加热器，红灯报警表示，绿灯表示正常）：
图表1设计要求图
2.2方案设计
根据任务要求，经查阅资料可采用555时基电路、比较运算放大器和555
集成逻辑电路的组合电路、纯比较运算放大器电路、单片机。

方案一：555时基电路
IC1555集成电路接成自激多谐振荡器，Rt为热敏电阻，当水温温度发生变化时，由电阻器R1、热敏电阻器Rt、电容器C1组成的振荡频率发生变化，频率的变化通过集成电路IC1555的3脚送入频率解码器集成电路IC2 LM567的3脚，当输入的频率正好落在IC2集成电路的中心频率时，8脚输出一个低电平，使得继电器K导通，触电吸合，从而控制设备的通断，形成温度控制电路的作用。

方案二：单片机
对于单片机而言，由于现阶段专业知识有限，单片机还不能完全掌握，并且其成本较组合电路更高。

方案三：组合电路
对组合电路而言，一个组合只能完成一个温度控制点的控制，成本较高并且非常不实用。

方案四：纯比较运算放大器
运算放大器可以实现对温度控制的报警和控制加热。

综合考虑成本、焊接难度和任务要求后选用了纯比较运算放大器电路.其有
以下优点：输入输出规则、元件体积小、管脚少焊接简单、价格低廉。

测温部分方案：
方案一：利用温度传感器来采集温度，其性能稳定，精度较高，但由于价格
昂贵不经济。

方案二：利用热电偶，化率小，需修正冷节点温度，操作不便，使用要求较
高。

方案三：利用Pt100热敏电阻，可测量小范围的温度，变化率较大，精度较
高，固有电阻较大，其Pt100阻值为：R=100+0.386t(t表示摄氏温度，单位是 ,100表示0度时的电阻阻值)。

且利用起始100Ω可组成桥式测量电路，符C
合课题要求。

2.3系统组成及工作原理
设计原理如下：
图表2设计原理图
系统组成及工作原理：由上面的拓扑图可以得出本温控系统主要由测温部分，比较部分，报警部分，控制部分四部分组成，测温部分用热敏电阻将温度模拟量转变为数字信号，与给定值在比较部分进行比较，输出高地电平来控制报警部分的LED灯和控制部分LED灯，进而以弱电控制强电使控制部分的加热器工作，达到控制温度的目的。

3、单元电路设计
3.1测温部分单元电路
3.1.电路结构及工作原理
图表3测温原理图
如上图所示桥式温度测量电路，检测元件可采用100Ω可变电阻代替实际的Pt100热敏电阻,运放要选择输入电阻较大的运算放大器，其共模抑制比必须高一点以保证运放的精度,为了使运放两输入端平衡，两个 5.6k的电阻要尽量相等，K=5.6k/R2.U0=K(U1-U2)，工作原理是当热敏电阻电压改变的时候会给运放输入一个电压差，这个电压差再经过以上的规律放大后可以输出一个电压信号，此电压信号是随温度变化而正比变化的，这也为后面的比较电路提供了信号源。

3.1.2电路仿真
仿真图如右图，用可控电阻模拟热敏电阻。

图表4测温部分仿真图
3.1.3元器件的选择
选择使用100Ω的可控电阻来模拟热敏电阻，连接桥式温度测量电路。

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，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。

理论值计算：
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
在焊接电路板时，我们取R1=5.6k,R2=300k,当温度t=40℃时，U0=1.96V,
当t=70℃，U0=3.45V。

3.2 比较部分单元电路
3.2.1电路结构及工作原理
主要由4个比较运算放大器、4个有等差阻值的电阻组成。

通过运放对测温部分的输出电压和设置电压的比较所输出的电平来控制报警电路和控制电路。

VCC与地间串联的电阻为温度设置电阻。

通过从中取得电压获得温度比较点。

图表5控制加热比较原理图
图表6控制报警比较原理图
3.2.2电路仿真
3.2.3元器件的选择
此部分为了比较电压大小运放可以选取LM339，四个电位器可以选10k大小，运放的电压为正负12v，滑动变阻器的上边电压接5v， ,更重要的一点还需要四个3.3k的上拉电阻以保证后续电路正常运行。

3.3 报警部分单元电路
3.2.1电路结构及工作原理
正如上图为比较/显示电路，其中A4,A5构成窗口比较器，假设Ur1和Ur2分别对应70度和40度水温，Ur1和Ur2可通过调节电位器R1和R2设定，另一方面，Ur1和Ur2实际大小可通过调节电位器测得。

对水加热，测出四十度时和
七十度时的电压，将其分别置于A5和A4的电压。

当Ur1>U0>Ur2时，即水温在40度到70度之间窗口比较器输出为低电平，绿发光二极管点亮，红发光二极管熄灭，指示水温正常。

否则绿发光二极管熄灭，红发光二极管电亮，处于报警状态。

3.2.2电路仿真
3.2.3元器件的选择
红LED灯1个，绿LED灯1个，2个控压电阻360Ω限流电阻，两个三极管可以使用2sc1815。

3.4 控制部分单元电路
3.4.1电路结构及工作原理
控制电路由两个运放，晶体三极管，电位器，加热器（LED代替）及电阻组成，运放选用LM339，接上拉电阻保证三极管正常导通，通过改变电位器来改变电压，从而控制加热器，设U6和U7分别对应50度和60度的水温，则Ur3和Ur4分别可通过调节电位器来设定，当U0<Ur3时，即水温小于50度，三极管
Q3、Q4同时导通，加热器H1和H2都工作。

当Ur3<U0<Ur4时（即水温在50到60度之间），三极管Q3导通，Q4截止，加热器H1闭合，H2断开。

当U0>Ur4时三极管Q3、Q4都截止。

3.4.2电路仿真
3.4.3元器件的选择
1N4001二极管2个，绿LED灯2个，360Ω限流电阻2个，
2SC1815三极管2个
3.5直流稳压电源电路:
由课题要求可知，该课题有集成运放芯片LM423、LM339工作电压为+12V
和—12V，另外还有5V电压，则要求电源设计可以将220v的交流电变为5v,12v,-12v的直流电，为了给后面的电路提供稳定的工作电压，并联的电容可以滤波，防止杂波对电路的干扰，保证输出电压稳定，使电路正常工作。

电源仿真结果：
由仿真结果可以电路设计满足课题要求。

5、系统仿真
1、温度低于40度，红灯报警，H1\H2加热器打开
2、温度高于40度，小于50度，H1\H2加热器打开，绿灯亮
3、温度高于50度，小于60度，H1打开，H2关闭，绿灯亮
4、温度高于60度，小于70度，H1\H2关闭，绿灯亮
5、温度高于70度，H1\H2关闭，红灯报警
5、电路安装、调试与测试
5.1电路安装
此电路是将器件依照原理图焊接于万用板上，焊接时要用导线将各个元件依照原理图连接好后，检查其连接是否正确，经有序地排列好后再焊接，以便于后面电路的调试与检查。

对于74LM324和74LM339（二者均集成四个运放）不用使用单个的比较运算放大器，可以选用集成块将其代替。

电路焊接的时首先要注意安全，要防止电烙铁烫伤自己和他人，要防止将电源线的绝缘皮损坏，还要防止短路等现象的出现。

安装时部局要合理，根据四个单元讲电路板划分为四个部分，方便一一焊接，检查。

元件依照仿真图购买，有相关器件购买不到，用其他参数接近的器件代替（如LM339J可以用LM339N代替）。

5.2电路调试
此电路是由电子技术中的模电部分制作而成，由于共模抑制比难以稳定，想要得到精确的值需要大量的调试，调试可以分步进行，首先可以调试温度检测电路，调节电位器，测量Uo的电压是否符合计算值，如果出现了过大或者过小的
情况，则应该检测焊接中是否出现短路或者断路，排除问题后再进行下一部分调试。

在调试中要注意电源的接法，在检测部分应该注意应加上拉电阻，否则三极管基极会承受巨大的电压会导致三极管发热甚至烧坏。

在加热部分安装时要在加热反向并联一个稳压二极管，防止烧坏加热部分的二极管。

在后面的电路中也应该加装上拉电阻。

根据原理图连接焊接好电路后，就要进入调试阶段，Multisim仿真虽然成功，但电脑仿真时都是理想情况，与实际状况会有偏差。

所以，连接好的电路多数是无法正常运行的，故需仔细调试修改。

我们设计的电路在调试过程中发现如下几个问题：
（1）连接好电源后，报警部分红灯绿灯同时亮起
解决：很显然三极管Q1，Q2同时导通所致，致使红绿两灯都为导通状态，经查找2SC1815的PDF资料后发现，我们在电路板焊接时三极管的基极，发射极，集电极的连接出现错误，致使个两三极管同时导通。

（2）报警部分两个绿色二极管均不发光
解决：两绿灯不能实现，我们首先想到的是电位器不能正常工作，不能设定预定的比较电压，经用万用表的测试，电位器正常，经检测是LM339没有接上拉电阻，我们根据报警部分原理，接入来个3.3k的上拉电阻，结果输出正常。

（3）LM339不工作
解决：首先，我用万用表测了LM339是否损坏，经测量后发现，并未损坏，之后我想到，应该是接入电源线路出现虚焊，故无法工作，用万用表的侧二极管的档位，可以测出虚焊点。

（4）电路不工作
解决：经万用表来测量，运放LM324输出电压会出现小于5V的范围，最后我们经检查线路，以及芯片管脚连接，均没有问题，我们将问题最终归于虚焊，便用（3）的步骤可以排除。

（5）电位器的调节
根据向老师求教，我们起初不给输入，在外接电压0-5V之间，先观察控制部分和报警部分是否会出现课题要求的情况，结果大大减少了调试难度，同时也
指明了调试的方法。

当给电路通电时用万用表测量电压采集部分输出的电压Uo 为2.6V，发现显示电路绿灯亮起，加热电路只有一个灯亮起，这符合设计要求，当电位器器为21欧姆时相当于水温为57摄氏度左右，57度小于60度大于50度，因此加热部分只有一个发光二极管工作，代表只有一个加热部分加热。

实验结果与设计结果完全符合,在红绿灯转换时红灯有时不能完全关闭，这是由于限流电阻稍小和上拉电压为15v的缘故，可以通过增大限流电阻和降低限流电压来达到。

5.3系统功能及性能测试
5.3.1测试方法设计
测试时首先要确保没有短路断路现象发生，且各器件都可以正常工作，检测的步骤如下。

首先要将调控电路和显示电路的电位器调到需要的百分比，分别是%40、%70、%50、%60，通电源后可用万用表测量将其电压调为设计所需要的数值。

然后给装用纸杯的水，用蜡烛给其慢慢加热，其Pt100的电阻发生变化，使其输入电压发生变化，观察电路板上控制部分和加热部分红绿二极管的变化情况，判断是否满足课题要求。

将电路导通后，调节可控电阻，调整其阻值，然后与给定阻值进行比较，再观察其报警与控制部分，是否可以按照任务要求的工作，因与理想状态偏差，故焊接好的电路板与仿真原理图电阻值有所差异。

其测试时，与仿真状态有所不同，但不影响整体任务要求。

5.3.2测试结果及分析
综合训练要求设计一个简易温度控制电路,能够采集温度信号,并将所采集到的温度信号处理成电压信号，两个指示灯相应于相应情况时各自发光,表示所在电路工作在相应的过程中。

红色发光二极管放光表示温度低于温度最小40度两个加热绿色二极管发光，或温度高于最大值70度时的工作状态，两个加热绿色二极管不发光。

绿色发光二极管光表示温度在最大值与最小值之间的工作状
态。

所以该电路已基本达到任务要求及性能指标。

1、利用万用表测量U0输出电压为2.1V时，报警部分红色二极管熄灭，同时绿色二极管发光，表示水温为40°C。

2、测量U0输出电压为2.5V时，加热部分一个二极管熄灭，报警部分绿色二极管依然发光，表示水温为50°C。

3、测量U0输出电压为3.1V时，加热部分俩个个二极管熄灭，报警部分绿色二极管依然发光，表示水温为60°C。

4、测量U0输出电压为3.6V时，加热部分俩个个二极管熄灭，报警部分红色二极管发光，绿色二极管熄灭，表示水温为70°C。

（有前面的理论数值计算，U0分别为1,96V和3,46,该电路已基本达到任务要求及性能指标）
6、总结及体会
为期三周的电子线路课设，到此画上短暂而完美的句号，深刻体会到“授之一鱼，不如授之一渔”哲理意味。

所收获不仅仅是知识的累积，更重要的是我们以后道路的缩影，让我们每一人获益匪浅，终身受益。

短短的三周时间，让我学会了许多的知识，同时也感受到电子线路在生活中的应用广泛，提升了我们对这门课，以及自动化这个专业更加深刻的认识，巩固平时在课堂所学的知识，加深了理解。

三周的时间，短暂而又充实，我们每一个人，每天天都在忙碌着查阅资料，设计电路，焊接电路板，写说明书；我们每一个小组成员，一起构思、设计、采购、安装、检测，每一个步我们都融入了汗水与思考，每天都有不同的感受与收获。

大家一起研究方案，不仅仅提高了我们的团队意识，也提高了个人协作和动手能力。

“实践是检验真理的标准”，现在我终于明白了。

仅仅依靠书本的知识是远远不能做成一件事情的，没有实践的经验，就无法将一件事情做的完整，需要耐力，需要毅力，更加需要团队精神，需要每一人孜孜不倦的努力。

知识只是给予帮助实践的一个脊柱；只是提供了一个大概的轮廓；只是指明了一个实践的方向。

我们在此次课设中，通过对原理图的设计计算，才选择出器件的参数，然后再搜寻器件信息，最后选择好器件。

从设计到最后的调试成功，每一个步骤的成功都需要认真的思考，只要有一点衔接不上，那就会导致各种错误。

在所有的步骤中我觉得调试是最困难的，前面的正确的设计、正确的仿真、正确器件的焊接、其实都是为实现电路功能的准备，真正重要的是是否能将前面所有的准备变成现实，事实告诉我们，这，真的很难，如同现实与理想之间的差距。

即便如此，但我们不曾言过放弃，每一次错误的出现，我们都会认真，细心，谨慎检查错误，经过一系列严密的排查之后，一个个错误接二连三排除掉，最终调试成功。

有些事情不经历，怎么会知道其中的艰辛与快乐。

除了学习我还有些许的想法想借这个机会说一下，，电子技术综合这种实践可以更早一点走入我们的学习安排中，也希望学校能多安排像电子线路设计这类型的课程，比如大一大二期间也可以开设类似的综合训练，这有利于我们更早更好的的掌握所学的知识点。

最后我感谢吴丽珍老师每天对我们细心、严格、深刻的教诲，正因为老师的谆谆教导，我们的过程还算顺利。

希望我们以此为契机，以实践为平台，在知识的天空里飞的更高，更远！
7、参考文献
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[2]童诗白模拟电子技术基础［M］北京：高等教育出版社，2000，10
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[4]阎石数字电子技术［M］北京：高等教育出版社，2000，5
[5]毕满清电子技术实验与课程设计（第三版）［M］北京：机械工业出版社，2005，7
[6]谢自美电子线路设计·实验·测试（第4版）［M］北京：高等教育出版社，2000，3
[7]孙肖子邓建国陈男电子设计指南［M］北京：高等教育出版社，2006，10
[8]赵曙光可编程器件原理、开发及应用［M］西安：西安电子科技大学出版社，2002,2
[9]潘松黄继业 EDA技术实用教程（第二版）［M］北京：科学出版社，2006，6
8、附录
Pt100热敏电阻 1个
10KΩ滑动变阻器 4个
二极管1N4001 2个
二极管1N4148 2个
红发光二极管 1个
绿发光二极管 3个
三极管2SC1815 4个
运算放大器LM324 1片
比较器LM339 1片
所用器件信息
LM339：
l：宽的双电源范围在2-36V；
2：较LM324精密；
3：偏置电流低25nA，
4：可直接与TTL及CMOS电路配接；
5：共模输入电压范围能到地电位；
6：差模输入电压范围能与电源同电位；
7：电源驱动电流低且与电源无关；
LM324： 2SC1815
集电极-基极击穿电压(V
)：60V
CBO
)：50V 集电极-发射极击穿电压(V
CEO
发射极-基极击穿电压(V
)：5V
EBO
)：150mA
集电极电流(I
C
基极电流(I
)：50mA
B
耗散功率(P
)：400mW
C
集电极-发射极饱和压降(V
)：0.25V
CE
特征频率(fr)：80MHz。