武汉理工大学模电课设-温度控制系统的设计

课程设计任务书

学生姓名：张亚男专业班级：通信1104班

指导教师：李政颖

工作单位：信息工程学院

题目: 温度控制系统的设计

初始条件：TEC半导体制冷器、UA741 运算放大器、LM339N电压比较器、稳压管、LM35温度传感器、继电器

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、设计要求：（1）控制密闭容器内空气温度

（2）控制容器容积>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：测温和控温范围：0℃~（室温+10℃）

时间安排：19周准备课设所需资料，弄清各元件的原理并设计电路。

20周在仿真软件multisim上画出电路图并进行仿真。

21周周五前进行电路的焊接与调试，周五答辩。

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

1.温度控制系统原理电路的设计 (3)

1.1 温度控制系统工作原理总述 (3)

1.2 方案设计 (3)

2.单元电路设计 (4)

2.1 温度信号的采集与转化单元——温度传感器 (4)

2.2 电压信号的处理单元——运算放大器 (5)

2.3 电压值表征温度单元——万用表 (7)

2.4 电压控制单元——迟滞比较器 (8)

2.5 驱动单元——继电器 (10)

2.6 TEC装置 (11)

2.7 整体电路图 (12)

3.电路仿真 (12)

3.1 multisim仿真 (12)

3.2 仿真分析 (14)

4.实物焊接 (15)

5.总结及体会 (16)

6.元件清单 (18)

7.参考文献 (19)

1.温度控制系统原理电路的设计

1.1 温度控制系统工作原理总述

一、原理框图

二、简单原理叙述

先采集室内温度信号，将其转化为电压或者电流，并线性放大再用万用表测取，可以直接线性反映温度值。对于提取出的温度值，输入比较器与我们所设定的电压(设定温度对应的电压)进行比较，若高于所设定电压，则TEC 装置开始制冷；若低于所设定的电压值，则TEC 装置开始加热。这样循环往复执行这样一个周期性的动作，从而把温度控制在一定范围内。

1.2 方案设计

方案一：

想要让电路正常稳定的工作，必须要有一个关于温度的准确信号值，为了使信号输出误差很小，可以选用桥式测压电路，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构成迟滞比较器，再利用电位计来调节上下限电压，将输出电压值与设定的电压值（与设定的温度值相对应）进行比较来控制三极管，从而控制继电器的开闭以达到控制TEC 装置的目的。

方案二：

温度信号

温度电压转 换器

提取温度值

温度显示

比较器

继电器触发 装置

TEC 调节

用温度传感器LM35采集室内温度，直接将温度信号转化成电压信号。由于LM35转化成的电压信号较小，因此用运算放大器将信号进行无损放大，并用反相比例器反向输出的电压值即为与我们设定的温度对应的值。对于提取出的温度值，输入迟滞比较器与我们所设定的电压(设定温度对应的电压)进行比较，若高于所设定电压，则用TEC装置开始制冷；若低于所设定的温度，则用TEC装置开始加热，从而达到控制温度的目的。

分析得出，方案一和方案二都可行。

但是，方案一中获取电压信号的电路比较复杂，方案二中的温度传感器可以直接将温度信号转化为电压信号，再进行无损放大，相对较方便。

综合考虑，我选择方案二。

2.单元电路设计

2.1 温度信号的采集与转化单元——温度传感器

一、温度传感器的选择：

根据设计要求，可以测量并控制0到室温的温度，精度要达到±1℃。也就是说基本要求为传感器可以测量0到室温的温度，并且具有很好的稳定性。常用的传感器有LM35和AD590两种，但是AD590价格较贵。综合性能及价格各方面的原因，我选择了集成温度传感器LM35。

LM35温度传感器在-55～150摄氏度以内是非常稳定的。当它的工作电压在4到20V 之间是可以在每摄氏度变化的时候输出变化10mV。它的线性度也可以在高温的时候保持得非常好。因此LM35完全符合设计要求。

二、温度信号的采集与转化原理图：

Vcc

图1.温度信号采集与转化原理图

温度传感器需要放入密闭容器内，所以应该在电路中引出一个出口来接温度传感器。LM35有三个引脚，其中0接正电源，2接地，这样在1脚就会输出随温度而线性变化的电压。具体是每变化1摄氏度，输出电压变化10mV。信号采集与转化单元电路如图1所示。后面接一个电压跟随器将转化而成的电压跟随出去，防止后面电路对信号采集电路的影响。

2.2电压信号的处理单元——运算放大器

一、元器件的选择：

1、本设计对放大器的要求只是有较好的虚短和虚断特性，作为比较器时输出可以接近电源电压。因此通用型的运算放大器便可满足要求。因此选用通用型的ua741.

2、LM35输出端的电压因温度改变1摄氏度而改变10mv ，很难检测。所以必须经过一

定的处理方试成为测量以及控制部分所使用的信号。处理方法也就是将它无损的放大一定的倍数。

因控制或测量温度在30摄氏度的时候，LM35输出电压为300mv 。温度在0摄氏度的时候输出为0mv 。经下面计算：

max v ×A 12V V ≤

min

v ×A 0V V

≥

得

m a x 120V V

V A V ≤≤

即0< Av < 40

考虑计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数为30 为宜。因此选择电阻R1=10k ，R3=300k 。

二、电压信号的处理原理图：

图2.电压信号的处理原理图

由于初级放大电路是反向放大电路，所以电压会变成负电压。

因此在放大电路后面再