模电课程设计 温度控制系统的设计

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位：

题 目: 温度控制的设计 初始条件：

电阻、二极管、正负12V电源、UA741、电位器、LED、半导冷片，温度传感器LM35、开关

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写

等具体要求） 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、要求

（1）控制密闭容器内空气温度 （2）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

（1）测温和控温范围： 0℃~（室温+10℃）

时间安排： 时间安排：

（1）第18周理论讲解。

（2）第19周理论设计、实验设计及安装调试。

地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1）

指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

I

目 录

摘要 .............................................................. I Abstract ......................................................... II 1 绪论 ............................................................. 1 2设计任务及要求 .................................................... 2

2.1设计任务及要求 .............................................. 2 2.2设计思想..................................................... 2 3 选定方案的论证及整体电路的工作原理 ............................... 3

3.1 设计方案选择 ................................................ 3

3.1.1可行方案............................................... 3 3.1.2 方案讨论和选择 ........................................ 4 3.2 选定方案的论证 .............................................. 5

3.2.1选定温度传感器的论证 ................................... 5 3.2.2选定继电器的论证 ....................................... 5 3.2.3选定运算放大器的论证 ................................... 5 3.3 整体电路的工作原理 .......................................... 6 4单元电路的设计计算、元器件选择及电路图 ............................ 7 4.1 测温单元.................................................... 7 4.2 信号处理单元................................................ 8

4.3 温度显示单元................................................ 9 4.4 控制单元 .................................................. 10 5 整体电路图、元件及器件明细 ...................................... 13 5.1 整体电路图................................................. 13 5.2 实物图展示................................................. 14 5.3 元件及器件明细............................................. 15 6 设计小结 ........................................................ 16 6.1 成果的评价................................................. 16 6.2 本设计的特点............................................... 16

6.3 存在的问题和改进的意义..................................... 16 参考文献 ………………………………………………………………………… 17

II

摘要

控制系统一般由温度测量部分和温度控制部分组成。温度测量部分主要用来接收当前系统中的温度，然后发送到控制部分；温度控制系统主要是用来控制外部降温系统的，它接受来自温度测量部分的信号，然后与所要控制的温度信号进行比较，从而决定是否降温。本设计同样采用这两大部分，通过对当前与控制温度的对比决定是否进行加热，从而达到控制温度的目的。

关键词：温度；测量；控制。

I

Abstract

General system for temperature is made of the part of measuring temperature and the part of controling temperature. The part of measuring is to receive the signal of current temperature. And then ,it will transfor this signal to the part of controling,which is to contorl if it should be heated up or cooled. The part of controling compare it to the controled temperature after receiving the signal from the forward. Then ,it is going to determine is the system need to be heated up or cooled. This design for water temperature is also made of these parts.This system control the temperature of water by comparing temperature to temperature to control to decide if to heat up.So that we can get the destination of controling temperature.

Key words: temperature ; measure ;control

II

1 绪论

冬暖夏凉是人们对温度的第一感觉，而如果要对温度进行精确的测量，则要进行利用仪器进行测量，这就要用到温度测量和控制系统。温度控制系统在工业生产，生活娱乐，仪器运行等很多方面都有着广泛的应用。

而现今很多的温度控制系统大多数都有很多的缺点，最主要的就是价格昂贵，反应速度慢或者是精度不高等。这些缺点使得温度控制部分成为整个系统中的一个污点。本设计通过本人自身的所学知识，以及所考虑到的问题，尽量设计比较完美的温度控制系统，希望通过设计这样一个简单而价格便宜的温度控制系统达到抛砖引玉的目的。当然，现今应该是存在比我的系统更加完美的设计，如果可能，仅希望提供另外一种设计思路，也许会有某些火花的碰撞。

1

2 设计的技术指标及要求

2.1设计任务及要求

2.1.1设计任务

根据技术要求和所给条件，完成对温度控制系统的设计，装配与调试。

2.1.2 设计要求 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、要求

（1）控制密闭容器内空气温度 （2）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

（1）测温和控温范围： 0℃~（室温+10℃）

2.2设计思想

本次设计使用温度传感器收集当前密室的温度，然后经过各部分电路处理，与所要控制的电路进行比较。电路根据比较的结果决定是否对密室空气进行降温，如果需要制冷会自动开启半导冷片。当温度低于所控制的温度后，控制部分要断开制冷电路。在不制冷的情况下，密室会自动升温，当温度上升到控制温度以下的时候电路就会依照以前的步骤重新来一遍，然后对密室进行降温，然后循环往复执行这样一个周期性的动作，从而达到把温度控制在一定范围内的目的。

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3 选定方案的论证及整体电路的工作原理 3.1设计方案选择 3.1.1可行方案：

方案一：

通过集成运放构成的比例器，把温度传感器获得的信号放大，再将信号传输给功放，带动半导冷片工作，从而实现对温度的控制。功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分通过测温度传感器输出端与基准端的电压，在转化为相应的温度值。其中，基准端的电压有事先调试好。

方案二：

利用集成运放在非线性工作区（即饱和区）的输出端电压为正负电源电压的特性，构造温度比较器，将温度信号离散成为高电平和低电平，高电平时制冷，低电平时加热，从而实现对温度的控制。其中功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。测温部分方案同方案一。

方案三：

用半导冷片分别实现制冷功能，该方案中同样用比较器将温度信号离散为高电平和低电平，高电平时制冷片工作，低电平时，加热器工作，这样就可也实现对温度的控制。其中功放电路采用两个的二级放大电路，且只用正电源。测温部分方案同方案一。

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3.1.2方案的讨论与选择：

方案一可行，可是存在着许多缺点，如反应慢，且温度相近时，灵敏度也降低了。

方案二可行，它将变化的温度信息转变为离散的高电平和低电平，通过功放的作用，从而实现对温度的控制。但是半导冷片一直工作在较大功率条件下，耗能较多，且加热器和制冷器始终有其一在工作中，所以会造成资源浪费，电路也相对复杂。

方案三可以很好得实现对温度的控制和测量，虽然方案三使用的电子器件较多且繁杂，电路也较复杂，但是对于控制电路来说更加准确，迅速，因为不需要对电路进行加热，则这个电路是不错的。

综合考虑之后，采用方案三作为具体实现方案。

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3.2 选定方案的论证

3.2.1选定温度传感器的论证

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。再结合性能以及价格方面的原因，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。

3.2.2选定继电器的论证

继电器是低压控制高压的部分，它的开启电压以及稳定性相当重要。因为选用的电源电压是12V的，所以继电器的开启电压应当适当低于12V当接近它，因此选用开启电压为9V的比较适合。另外，由于加热部分的电流比较大，所以继电器的承受电流要大，一般1000W的加热装置电流为4.5A，选择4.5A×2=9A以上的比较适合。

3.2.3选定运算放大器的论证

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.

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3.3 整体电路的工作原理

电路设计的总体思想是测温——比较——控温如图3.1所示

传感器接收信号 加热 显示 控制 温度比较

信号处理 图3.3.1 模块框图

传感器采用封装形式，将其放入欲控制系统中。收集温度所表征的信号，主要是电压信号。这个由传感器所采集到的信号是非常微弱的，因此设计了一个信号处理单元，主要作用是对信号无损放大。放大后的信号就可以送到温度比较单元了。这个单元将处理后的信号与预订值进行比较，从而决定是否进行加热。显示部分用来显示所测的密室和所要控制的温度。

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4单元电路的设计计算、元器件选择及电路图

4.1 测温单元

Vcc

图4.1.1 测温单元电路图

温度传感器需要放入水中，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现行变化的电压。具体是每变化1摄氏度，输出电压变化10mV。信号采集单元电路如图4.1.1所示。

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4.2 信号处理单元

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可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：

Vmax×Av12V

Vmin×Av0V

得

0VAV12VVmax

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。电路如图4.2.1。

Vcc

Vin

-Vee

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图4.2.1 信号处理单元电路图

4.3 温度显示单元

温度显示单元承担两个主要的任务，主要是显示当前以及控制的温度，如果没有它就不知道自己到哪里了。

温度显示实质上就是电压显示，主要是设计一个可以表征温度的电压表。因低温区的电压比较小，因此为了提高测量和控制的精度，需要设置两个量程。

电阻选择计算：

已知：万用表内阻R0=250

满量程为V0=0.25V

所以若使其测量10V电压，串联电阻R1需要满足：

R1R0VgR0Vo

带入数据可算出 R110k 若使其测量5V电压，串联电阻R2需要满足：

R2R05k

因此可以通过设置一个开关来达到改变量程的目的。 另外控制和测量温度都需要使用一个表头来显示。如图4.3.1

当单刀双掷开关S2打到左边的时候，可以通过调节电位器R7来调整控制电压，具体的会在控制单元中说明。当开关S2打到右边的时候，表头用来显示当前传感器传过来的经过处理的信号，也就是表征温度的电压量。

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图4.3.1 显示单元电路图

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4.4 控制单元

控制单元的作用是通过接收来自传感器处理后的信号，判别是否需要对当前的水体进行加热。因为初级放大电路是反向放大电路，所以，电压会变成负电压。因此控制电路处的比较基准电压应该从负电源中索取。

电位器选择计算：

为了使电位器在阻值最小的时候电路中电流在1.5mA以下，选择固定电阻R为2k。虽然控制温度需要达到30摄氏度，但是为了适应实际，同时以防被毁，控制电压设置最大为50摄氏度。

Vo = 500mV × 30= 15 V

因此电位器选择10k为宜。具体电路图如图4.4.1

图4.4.1控制单元电路图

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控制电路是一个比较器，如图4.4.2所示。输出为正负12V，而继电器没有正负，所以必须使比较器输出负电压的时候继电器截止，因此把继电器和一个二极管串联，这样当电压为负的时候继电器就会很快地断开了。

继电器内部是一个磁线圈，在断电的时候会有很大的电流，为了保护电路需要在继电器两端并联一个二极管，以使继电器断电后它的保留电流可以在二极管和电阻中快速消完。

图4.4.2继电器使用电路图

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5 整体电路图、元件及器件明细

5.1 整体电路图

电路如图5.1.1所示

图5.1.1 水温控制系统整体电路图

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5.2 实物图展示

图6.2.1主模块实物图（正面）

图6.2.2实物演示图（反面）

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图6.2.3电路板测试图

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5.3元件及器件明细

元件及器件明细如表6.3.1所示

表6.3.1元件及器件明细

元件 继电器 二极管1N4007 LM35 LED uA741 电位器 单刀双掷开关 普通开关 表头 器件明细 1个，9V 开启，28A 4个 1个，每1摄氏度输出变化10mV 3个，2个黄，1个红 3个 1个 ，10k 1个 2个 1个，0.25V，250欧姆 电阻（10kΩ，100kΩ，5kΩ，1kΩ，若干，有的需要串并联得到 2kΩ……）

6 设计小结

6.1 成果的评价

在电路的设计和制作中，使我无形中加深了对模拟电子技术基础的理解和运用能力，对课本及以前学过的知识有了一个更好的总结。在电路的实物连接中出现了一些问题，需要不断的解决，所以这几周下来，我对问题的排查能力有了很大的提高；再次，通过此次课程设计，我对设计所用到的集成块有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。

在这次的温度控制系统设计中，实物的测试还在进行中。

6.2 本设计的特点

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，非常准群反映了所测量的温度。另外由于比较器比较好的开关特性。

6.3 存在的问题和改进的意义

温度的能力和传感器的反应速度有非常大的关系。如果温度传感器对温度的敏感速度非常低，控制器就无法及时得在欲控制温度处停止降温，这样就起不到控制温度的目的了。LM35的反应速度也不是非常快，当我用热水进行试验的时候，温度滞后可以达到3到4度。于是我使其贴附在散热片上，这样它对温度的反应速度才提高到控制精度为1度以内。

然而，如果控制的密室温度上升速度再快点，或者密室再大点，控制的精度就又会降下来的。因此，在温度传感器方面必须进行改进。我的改进意见是加大传感器的表面积，或者是跟换效果更好的传感器，这样就会在更苛刻的条件下也可以有较大的精度了。

参考文献

[1]吴友宇. 模拟电子技术基础. 武汉：清华大学出版社，2009. [2]康华光．模拟电子技术基础．武汉：高等教育出版社，2005.7．

[3]舒庆莹，凌玲．模拟电子技术基础实验．武汉：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: 北京航空航天大学出版社，2006 [5]谢自美. 电子线路设计. 第三版. 武汉: 华中科技大学出版社，2006 [6]万嘉若，林康运. 电子线路基础. 上海: 高等教育出版社，2006

仪器引脚、特性、使用方法均来自

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姓 名 专业、班级 课程设计题目： 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字：

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