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
加一级反向比例器，使之成为正电压。

但是仿真过程中发现信号采集并放大后马上就影响到了信号值，于是就想到了电压跟随器。

由虚短，虚断可知输出电压=输入电压，可以将电压传输到下一级电路中，并且很好的采集信号，而且把后部电路很好的和信号源隔离，排除了后部操作对信号的影响。

原理电路见图2.
2.3 电压值表征温度单元——万用表
电压值表征温度单元主要是用万用表显示出经放大器无损放大以后的电压值，从而反应出当前的温度值。

由于温度传感器Ua741的特性是温度每变化1摄氏度，电压值变化10mv，而后用放大器将其放大了30倍。

因此温度值与万用表显示的电压值的对应关系如下：
温度值(℃)=万用表显示值(V)/0.3
万用表接在第二个电压跟随器的输出端与地之间，测取电压值，从而显示温度。

图3.电压值表征温度原理图
2.4 电压控制单元——迟滞比较器
元器件选取：
经由反向比例器得到的输出电压要与设定电压（即设定温度对应的电压）进行大小比较以确定以后部分是制冷还是加热，所以要用一个比较器。

考虑到温度传感器的灵敏度，我选择了用迟滞比较器。

由于比较器需要输出正负电压，所以我选择了型号为LM339N的比较器。

LM339N具有失调电压小，差动输入电压范围较大等优点。

设计的迟滞比较器如下图：
图4.迟滞比较器
迟滞比较器的电压传输特性曲线如下：
根据图中所示，假定设定的温度范围为20摄氏度，则电压变化上下限为5.9V 和6.1V ，
则从反相比例器输出的电压逐渐升高，若大于6.1V 的时候，电压向下反转，达到阈值电压的负值传输给继电器，促使继电器闭合开关，启动TEC ，开始制冷，直至制冷后的温度降到低于5.9V 则电压向上翻转，达到阈值电压的正值，另一个继电器闭合，开始加热。

以上的工作过程形成了一个温度的反馈系统。

门限电压的计算：
UH=（Uo*R8）/（R8+R9）+（Uref*R9）/（R8+R9）=上门限电压
6.1V
5.9V Ui
Uo
+Uth
-Uth
UL=-（Uo*R8）/（R8+R9）+（Uref*R9）/（R8+R9）=下门限电压
根据下面稳压管的选取，Uo=+6.2V，假设选取的上下限电压分别为6.1V和5.9V，分别带入上面两个式子中联立方程组求解可得出图中参数的选取为：
R8=10K，R9=10K的电位器
若设定控制温度为20摄氏度，则需调节10k电位计的阻值为5k，使比较电压为6V，且需调节R9=61 R8。

2.5 驱动单元——继电器
通过迟滞比较器和稳压管后，输出控制开关的电压，这个启动后续装置的开关由继电器来充当，设计中的继电器如下图：
图5.控制电路原理图
当比较器输出-6.2V电压时，继电器的开关合拢，启动制冷设备，开始制冷，直到温度降到我们所设置的温度下限，电压向上翻转，比较器输出+6.2V的电压，另一个继电器的开关闭合，TEC装置开始加热。

如此构成了一个控温的系统。

2.6 TEC装置
图6.TEC实物图
Tec(Thermoelectric Cooler)即半导体致冷器。

半导体致冷器是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。

所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。

重掺杂的N型和P型的碲化铋主要用作TEC的半导体材料，碲化铋元件采用电串联，并且是并行发热。

TEC包括一些P型和N型对（组），它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生″热″侧和″冷″侧，这就是TEC的加热与致冷原理。

是致冷还是加热，以及致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定。

当给TEC元件加正极性电流时，一端加热，一端制冷。

而给TEC元件加负极性的电流时，效果刚好相反，原加热面制冷，制冷面加热。

2.8整体电路图
图7.温度控制系统整体电路图
2. 电路仿真
3.1 multisim仿真
由于multisim仿真软件中未找到TEC装置，因此用小灯泡代替。

小灯泡发光表示实际温度低于设定值，TEC制热；小灯泡熄灭表示实际温度高于设定值，TEC制冷。

1.设定温度为20℃，输入温度为19℃（即输入电压为0.19V）
电路仿真如下：
图8.19℃时的仿真图
2.设定温度为20℃，输入温度为20℃（即输入电压为0.2V）
电路仿真如下：
图9.20℃时的仿真图
3.设定温度为20℃，输入温度为21℃（即输入电压为0.21V）
电路仿真如下：
图10.21℃时的仿真图
3.2 仿真分析
设定控制温度为20℃。

1、输入温度为19℃时，输入电压为0.19V，经反向放大后电压应输出-5.7V，实际输出-5.675V，在误差允许范围内符合要求。

输入反向比例器，反向比例器应输出5.7V，实际输出5.676V，在误差允许范围内符合要求。

输入迟滞比较器，低于迟滞比较器的下限电压，向上翻转，应输出正的阈值电压，并经过稳压管稳压成+6.2V，实际输出+6.546V，在误差范围内符合要求。

由于输出+6.546V，开启第一个继电器，开关闭合。

实际结果灯泡亮了，符合要求。

2、输入温度为21℃时，输入电压为0.21V，经反向放大后电压应输出-6.2V，实际输出-6.277V，在误差允许范围内符合要求。

输入反向比例器，反向比例器应输出6.2V，实际输出6.278V，在误差允许范围内符合要求。

输入迟滞比较器，高于迟滞比较器的上限电压，向下翻转，应输出负的阈值电压，并经过稳压管稳压成-6.2V，实际输出-6.546V，在误差范围内符合要求。

由于输出-6.546V，开启第二个继电器，第一个继电器开关断开，灯泡不工作。

实际结果灯泡熄灭了，符合要求。

4.实物焊接
正面图：
图11.实物正面焊接图
反面图：
图12.实物反面焊接图
5.总结及体会
通过这次模拟电路的设计与制作，我掌握了电子电路的设计方法以及一些元件的使用方法，在焊接电路板过程中也掌握了如何正确焊接电路，并对课本及以前学过的知识有了一个更好的认识。

电子技术综合训练不仅帮助我们对理论知识有了更深的理解，而且也将理论与实践结合起来，提高了我们的动手能力。

在这几个星期中，我们为了能够准时完成任务，付出了很大的努力，经常上网或到图书馆去查找相关资料，然后做仿真，也掌握了仿真软件的使用方法，画图，焊接电路。

本设计中采用的是价格便宜且又有较好的线性度的温度传感器LM35，并采用运算放大器几乎无损放大。

但是没有考虑到温度传感器对温度的敏感程度，所以整个温度控制系统不太敏感。

若换成性能更好的温度传感器如AD590，控温效果会更好。

仔细回想一下整个过程，感觉是受益匪浅。

从原来的只会理论知识到现在可以用理论知识指导实践做出实际的模拟电路，从中学到了很多东西。

记得老师刚布置了设计题目，自己感到一无所措，不知从何下手，但是通过查找多方面的资料，终于对电路设计有了基本构思，从调试方便和成本角度出发，选择了一个较为理想的方案，然后画出了电路图，掌握其工作原理之后就对电路进行仿真，验证其功能。

但是有些元件在仿真软件中找不到，只有用其他的代替，导致部分电路不能仿真出来。

但是能仿真的那部分都满足设计要求。

接下来就去购买器件和焊接电路板。

但是由于所购买的元件特性不理想，导致实物调试不易达到设计要求。

模拟电子电路的课程设计为我们提供了一个理论与实践相结合的平台，使我们从掌握单纯的理论知识到学会用理论知识分析解决问题，从而指导实践。

这次训练使我们的知识更加丰富，而且开拓了我们的思维，培养了独立实践、创新精神。

6.元件清单
实验元件型号数量
TEC TEC1-12706 1
继电器SRD-12VDC-SL-C 2
温度传感器LM35 1
发光二极管SST-R-3528-85105-C-12 2
比较器LM339N 1
稳压管IN4735A 2
二极管IN4007 2
三极管S8050 1
S8550 1
运算放大器Ua741cn 4
电位计10kΩ 3
电阻150kΩ 2 10 kΩ7 5.1 kΩ 4 10 Ω 1
7.参考文献
[1]吴友宇.《模拟电子技术基础》. 清华大学出版社，2009.5
[2]孙梅生．《电子技术基础课程设计》．高等教育出版社，2005
[3]舒庆莹,凌玲．《模拟电子技术基础实验》．武汉理工大学出版社，2008.2．
[4]徐国华. 《电子技能实训教程》. 北京航空航天大学出版社，2006
[5]谢自美. 《电子线路设计·实验·测试》. 第三版. 华中科技大学出版社，2006
[6]万嘉若，林康运.《电子线路基础》. 高等教育出版社，2006
[7]梁宗善. 《新型集成电路的应用――电子技术基础课程设计》.华中科技大学出版社。