溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)書(shū).docx

武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)書(shū)1. 設(shè)計(jì)思想及方案1.1 設(shè)計(jì)思想本次設(shè)計(jì)使用溫度傳感器收集當(dāng)前密室的溫度，然后經(jīng)過(guò)各部分電路處理，與所要控制的電路進(jìn)行比較。電路根據(jù)比較的結(jié)果決定是否對(duì)密室空氣進(jìn)行降溫，如果需要制冷會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟半導(dǎo)體制冷片。當(dāng)溫度低于所控制的溫度后，控制部分要斷開(kāi)制冷電路。在不制冷的情況下，密室會(huì)自動(dòng)升溫，當(dāng)溫度上升到控制溫度以下的時(shí)候電路就會(huì)依照以前的步驟重新來(lái)一遍，然后對(duì)密室進(jìn)行降溫，然后循環(huán)往復(fù)執(zhí)行這樣一個(gè)周期性的動(dòng)作，從而達(dá)到把溫度控制在一定范圍內(nèi)的目的。1.2 設(shè)計(jì)方案的選擇1.2.1 可行方案方案一：通過(guò)集成運(yùn)放構(gòu)成的比例器，把溫度傳感器獲得的信號(hào)放大，再將信號(hào)傳輸給功放，帶動(dòng)半導(dǎo)體制冷片工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。測(cè)溫部分通過(guò)測(cè)溫度傳感器輸出端與基準(zhǔn)端的電壓，在轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值。其中，基準(zhǔn)端的電壓有事先調(diào)試好。方案二：利用集成運(yùn)放在非線性工作區(qū)（即飽和區(qū)）的輸出端電壓為正負(fù)電源電壓的特性，構(gòu)造溫度比較器，將溫度信號(hào)離散成為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷，低電平時(shí)加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。其中功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。測(cè)溫部分方案同方案一。方案三：用溫度傳感器將采集到的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)集成運(yùn)放構(gòu)成放大器，將微弱的電壓信號(hào)放大成所需要的電壓信號(hào)，再通過(guò)電壓比較器將溫度信號(hào)離散成為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷，低電平時(shí)加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，并用LED指示燈指示半導(dǎo)體的工作狀態(tài)。1.2.2 方案的討論與選擇三個(gè)方案理論上均為可行的，但各有缺點(diǎn)：方案一反應(yīng)慢，且到了與設(shè)定溫度相近時(shí)，靈敏度非常差；方案二將溫度離散成高電平與低電平，通過(guò)功放，進(jìn)行對(duì)溫度的控制，但半導(dǎo)體制冷器一直處于大功率工作狀態(tài)，耗能較多，且加熱和制冷器始終在工作，造成資源浪費(fèi)，電路相對(duì)來(lái)說(shuō)也很復(fù)雜。方案三可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量與控制，雖然使用的電子元件較多，電路也相對(duì)復(fù)雜，但是控制電路更加準(zhǔn)確迅速，所以這個(gè)方案較好。綜合以上討論，我選擇了方案三作為設(shè)計(jì)方案。2. 設(shè)計(jì)流程及相關(guān)器件的選擇2.1 設(shè)計(jì)流程溫度傳感器接受信號(hào)運(yùn)算放大電壓比較器大于基準(zhǔn)電壓LED亮繼電器開(kāi)啟制冷器導(dǎo)通小于基準(zhǔn)電壓LED不亮繼電器關(guān)閉制冷器未導(dǎo)通自動(dòng)升溫降溫維持設(shè)定溫度圖2.1 整體流程圖2.2 相關(guān)器材選擇 2.2.1 溫度傳感器的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以測(cè)量并控制0到室溫的溫度，精度要達(dá)到1。也就是說(shuō)基本要求為傳感器可以測(cè)量0到室溫的溫度，并且具有很好的穩(wěn)定性。再結(jié)合性能以及價(jià)格方面的原因，選擇了集成溫度傳感器LM35。LM35溫度傳感器在-55150攝氏度以內(nèi)是非常穩(wěn)定的。當(dāng)它的工作電壓在4到20v之間是可以在每攝氏度變化的時(shí)候輸出變化10mv。它的線性度也可以在高溫的時(shí)候保持得非常好。因此LM35完全符合設(shè)計(jì)要求。2.2.2 繼電器的選擇繼電器是控制制冷的關(guān)鍵所在，故而繼電器的選擇很重要。因?yàn)槭褂玫碾娫词钦?fù)15V的電壓，所以繼電器的開(kāi)啟電壓應(yīng)適當(dāng)接近15V，考慮到實(shí)際中電壓跟隨器的電壓損耗，繼電器開(kāi)啟電壓選擇12V較為合適。而輸出部分是帶動(dòng)半導(dǎo)體制冷器，半導(dǎo)體制冷器的工作電流為2A，故繼電器的承受電流應(yīng)大于2A，選用3A的比較合適。2.2.3 運(yùn)算放大器的選擇因?yàn)榇舜蔚脑O(shè)計(jì)使用的運(yùn)放只需要完成基本的功能，所以只需要其具有良好的虛短虛斷特性，使其作為電壓比較器輸出的電壓接近電源電壓，故通用型的運(yùn)算放大器就可以滿足要求。因此選用通用型運(yùn)放UA741。3. 單元電路的設(shè)計(jì)3.1 單元電路的選擇3.1.1 測(cè)溫電路圖3.1.1 測(cè)溫電路溫度傳感器LM35三個(gè)引腳分別接正電源，地及信號(hào)輸入端，如上圖所示。其中1腳的電位根據(jù)環(huán)境溫度而變化。具體是環(huán)境溫度每改變1，其電壓變化10mV。 3.1.2 信號(hào)處理電路LM35輸出的電壓為每改變10mV，這個(gè)電壓太小，很難檢測(cè)到，所以必須經(jīng)過(guò)一定的處理方可成為測(cè)量及控制電路所用的信號(hào)。處理方法也就是將其無(wú)損地放大一定倍數(shù)。由于當(dāng)溫度與電壓的關(guān)系為V=10t，單位為mV。所以通過(guò)下面的計(jì)算得 即0 Av 40考慮到計(jì)算的方便及測(cè)量輸出，放大倍數(shù)設(shè)置為20倍為宜 圖3.1.2 信號(hào)處理電路 3.1.3 電壓比較電路 知道了所輸出的電壓的大小，然后與所給的電壓進(jìn)行比較，從而知道電壓是偏高還是偏低，即溫度是偏高還是偏低。當(dāng)控制溫度為30度時(shí)， V=300mv*20=6V,所以，比較電壓就選擇-6V。當(dāng)輸入電壓大于6V時(shí)，電壓比較器輸出+15V，當(dāng)輸入小于6V時(shí)，電壓比較器輸出-15V。 圖3.1.3 電壓比較電路3.1.4 電壓跟隨器與控制電路電壓比較器輸出兩種電壓高電平與低電平，以此控制繼電器，因?yàn)槔^電器開(kāi)啟電壓沒(méi)有正負(fù)之分，所以要加一個(gè)二極管控制電壓方向?？紤]到LED燈的承受能力，需要串聯(lián)一個(gè)保護(hù)電阻，10K即可。為了防止前后電路互相影響，因此在兩者之間加上一個(gè)電壓跟隨器，以隔離前后電路。 圖3.1.4 電壓跟隨器及繼電器 （圖中1k電阻代替繼電器）繼電器內(nèi)部是一個(gè)磁線圈，在斷電的時(shí)候會(huì)有很大的電流，為了保護(hù)電路需要在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，以使繼電器斷電后它的保留電流可以在二極管和電阻中快速消完。4. 電路仿真4.1 信號(hào)放大電路仿真 圖4.1.1 輸入為0.1V時(shí) 圖4.1.2 輸入為0.3V時(shí) 從圖中易看出：當(dāng)輸入為0.1V時(shí)，輸出為1.98V； 當(dāng)輸入為0.3V時(shí)，輸出為5.98V，放大倍數(shù)約為20倍。4.2 比較電路的仿真 圖4.2.1 輸入電壓為3V. 圖4.2.2 輸入電壓為8V當(dāng)比較器的輸入電壓為3V時(shí)，輸出低電平；當(dāng)比較器的輸入電壓為8V時(shí)，輸出高電平，故比較器可以實(shí)現(xiàn)將電壓信號(hào)離散成高低電平的功能。若需要調(diào)節(jié)輸出大小，只需改變運(yùn)放電源大小即可。4.3 整體電路仿真圖4.3.1 源輸入0.2V輸入電壓為0.2V時(shí)，表示容器溫度為20，低于30，此時(shí)繼電器要關(guān)閉，制冷不工作，并且LED1不發(fā)光。由仿真圖4.3.1可看出LED1并沒(méi)有發(fā)光，符合預(yù)期結(jié)果 圖4.3.2 源輸入為0.5V輸入為0.5V，表示容器溫度為50度，高于30度，此時(shí)繼電器要打開(kāi)，制冷器通電，同時(shí)LED1亮起表示制冷器正在工作。由仿真圖4.3.2可看出LED1確實(shí)發(fā)光了，故此時(shí)TEC在制冷，符合預(yù)期結(jié)果。5. 整體電路圖及元件清單5.1 整體電路圖 圖5.1 整體電路圖 5.2 元件清單元件說(shuō)明運(yùn)算放大器ua7413個(gè)溫度傳感器LM351個(gè)LED2個(gè)，一紅一綠二極管1N40072個(gè)半導(dǎo)體制冷器TEC127031塊繼電器1個(gè)電阻若干 表5.2 元件清單6. 設(shè)計(jì)小結(jié)6.1 設(shè)計(jì)感悟及實(shí)物圖這次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用有了更加深刻的理解，加強(qiáng)了實(shí)際操作能力，對(duì)課本及以前學(xué)過(guò)的電路知識(shí)有了一個(gè)更好的總結(jié)。當(dāng)在電路的連接時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題，需要不斷的排查，而調(diào)試時(shí)也需要調(diào)出各種需要的電源，測(cè)量各種電壓電流量，所以這兩周來(lái)的努力讓我的動(dòng)手能力更上了一層樓。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我接觸到了各種電路模擬的電腦軟件，知道了有些東西不必實(shí)際去焊，去做，就可以知道具體的結(jié)果。在以后的學(xué)習(xí)工作中，使用這些仿真軟件將極大的幫助我完成各項(xiàng)任務(wù)。 圖6.1.1 裝配圖 圖6.1.2 接線圖 6.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)中采用的是價(jià)格便宜且又有較好的線性度的溫度傳感器LM35，并采用運(yùn)算放大器幾乎無(wú)損放大，非常準(zhǔn)群反映了所測(cè)量的溫度。另外由于比較器比較好的開(kāi)關(guān)特性。6.3 存在的問(wèn)題及改進(jìn)溫度的調(diào)控能力和傳感器的反應(yīng)速度有非常大的關(guān)系。如果溫度傳感器對(duì)溫度的敏感速度非常低，控制器就無(wú)法及時(shí)得在欲控制溫度處停止降溫，這樣就起不到控制溫度的目的了。LM35的反應(yīng)速度也不是非?？欤?dāng)我進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，溫度滯后可以達(dá)到3到4度。于是我使其貼附在散熱片上，這樣它對(duì)溫度的反應(yīng)速度才提高到控制精度為1度以內(nèi)。然而，如果控制的密室溫度上升速度再快點(diǎn)，或者密室再大點(diǎn)，控制的精度就又會(huì)降下來(lái)的。因此，在溫度傳感器方面必須進(jìn)行改進(jìn)。我的改進(jìn)意見(jiàn)是加大傳感器的表面積，或者是跟換效果更好的傳感器，這樣就會(huì)在更苛刻的條件下也可以有較大的精度了7. 參考文獻(xiàn)1吳友宇. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ). 武漢：清華大學(xué)出版社，2009.2康華光模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)武漢：高等教育出版社，2005.73舒慶瑩，凌玲模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)