温度控制系统的设计《模拟电子技术基础》课程设计说明书.doc

大学模拟电子技术基础课程设计说明书目 录1.原理电路的设计11.1总体方案设计11.1.1简单原理叙述11.1.2设计方案选择11.2单元电路的设计31.2.1温度信号的采集与转化单元温度传感器31.2.2电压信号的处理单元运算放大器41.2.3电压表征温度单元51.2.4电压控制单元迟滞比较器61.2.5驱动单元继电器71.2.6 制冷部分Tec半导体制冷片81.3完整电路图102.仿真结果分析113 实物展示133.1 实物焊接效果图133.2 实物性能测试数据143.2.1制冷测试143.2.2制热测试173.3.3性能测试数据分析194总结、收获与体会20附录一 元件清单21附录二 参考文献.22摘 要本课程设计以温度传感器LM35、运算放大器UA741、NE5532P及电压比较器LM339N为电路系统的主要组成元件，扩展适当的接口电路，制作一个温度控制系统，通过室温的变化和改变设定的温度，来改变电压传感器上两个输入端电压的大小，通过三极管开关电路控制继电器的通断，来控制Tec制冷片的工作。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。学会查询文献资料，撰写论文的方法，并提交课程设计报告和实验成品。关键词：温度；测量；控制。Abstract This course is designed to a temperature sensor LM35, an operational amplifier UA741，NE5532P and a voltage comparator LM339N circuit system of the main components. Extending the appropriate interface circuit, make a temperature control system. By changing the temperature changes and set the temperature to change the size of the two input ends of the voltage on the voltage sensor, an audion tube switch circuit to control the on-off relay to control Tec cooling piece work. This cycle of performing such a periodic motion, thus controlling the temperature in a certain range. Learn to query the literature, writing papers, and submitted to the curriculum design report and experimental products. Key words: temperature ; measure ;control温度控制系统的设计1.原理电路的设计1.1总体方案设计1.1.1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信号，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进行比较，高于设定，控制Tec制冷；低于设定，控制Tec制热。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。1.1.2设计方案选择方案一采用有热敏电阻、tec半导体制冷片和温度控制电路构成的闭环系统。通过将热敏电阻探测的阻值变化转换为电压变化，然后以差分放大的方法得到所需工作电压及电流。温度传感温度控制温度采集图1-1-1 方案一原理框图其中，温度采集部分为热敏电阻，集成的热敏电阻一般采用的是高灵敏度的负温度系数NTC,其材料一般为薄膜铂电阻，其体积小、精度高，它作为传感器探测温控箱内部温度，并将温度转换为自身的电阻变化，然后由温度控制电路将电阻的变化转化为电压的变化，其转换精度决定了测温的精度，所以需要差分放大电路来对热敏电阻测温阻值转换后的电压值进行放大，然后由温度控制电路改变制冷量对制冷片进行制冷或停止制冷，以保持温度稳定。一般NTC热敏电阻在温度高一段区域（25摄氏度以上）阻值变化平缓（10k到0），而在025范围内，阻值从30k到10k变化，趋势较陡。其阻值与温度的变化关系可用公式表示为 RT=RT0expB(1/T-1/T0) (B为热敏电阻材料系数)。优点：便与集成，工作温度范围宽，简单易行。缺点：不稳定，精度不够。方案二：采用温度传感器LM35或AD590采集温度。LM35其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式：0时输出为0V，每升高1，输出电压增加10mV，且常温下不需要额外的校准处理器，可达到的准确率。AD590是一种测温用的集成电路温度传感器，输出电流正比于K氏温度，数值为1A/K,工作电源电压为430V，它只需要一种电源（4.524V）即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻，即可实现电流到电压的转换。它使用方便，并且电流型比电压型的测量精度高，但其价格较高。将采集的温度转换成电信号后，再与基准温度（以电信号表征）比较，Tec置于桥式推挽功率放大电路中，利用放大的差模信号轮流推挽，利用流过BTL电流大小和反向控制Tec制冷速率以及冷端和热端的转换，实现整个温度控制系统。 温度控制温度比较温度传感器信号处理测量温度 图1-1-2 方案二原理框图优点：可以控制Tec制冷速率，能对不同温度变化产生相应的反应。缺点：Tec的电压电流较大，实际中参数难以调整，BTL上电流方向变化频繁。方案三利用LM35采集室内温度，直接将温度信号转化为电压信号。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，同时用单刀双掷开关进行换线，将温度以电压的形式在表头上显示。进行比较后，若高于所设定的电压，则控制制冷的继电器通过三极管开关电路打开，Tec装置开始制冷；若低于所设定的电压，控制制热的继电器通过三极管开关电路打开，Tec装置开始制热。从而达到控制温度的目的。比较器Tec调节三极管开关电路（继电器触发）温度电压转换器温度显示提取温度值温度信号图1-1-3 方案三原理框图优点：精度较好，可行性较好；缺点：实际中LM35输出不太稳定。考虑到AD590价格较高，采用LM35采集温度；桥式推免电路在大功率、大电流的情况下难以做出成品。综合经济、经验、自身情况等，我选择方案三。1.2单元电路的设计1.2.1温度信号的采集与转化单元温度传感器1.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，精度达到1。故要求传感器可以测量0到室温的温度，并具有很好的稳定性。常用的传感器有LM35和AD590，但是AD590价格较高，单价接近30元。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-55150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的比较好。因此，LM35在理论上完全符合要求，故采用之。2.温度信号的采集与转化原理图 图1-2-1温度信号的采集与转化原理图 在仿真中直接用200mV直流电模拟20下LM35的输出电压，后接一个电压跟随器将转化而成的电压与之后的电路隔离，防止之后的电路对信号采集电路的影响。1.2.2电压信号的处理单元运算放大器1.元器件的选择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。因此通用型运放UA741即可满足要求。为了使电路的输出驱动能力提高，也可采用NE5532。NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。 相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。2.该部分电阻阻值的计算LM35的输出电压很小，很难检测。所以需要将它无损的放大一定的倍数。因控制量或测量温度在30摄氏度的时候，LM35输出电压为300mV，温度在0摄氏度时输出为0mV。经计算：Vmax*AV12V，Vmin*AV0V 所以有 0AV40 。考虑到计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数30倍为宜。因此选择电阻R2=10K,R3=300K。3.电压信号的处理原理图图1-2-2电压信号的处理原理图由于初级放大电路是反相比例放大器，所以输出电压为负。因此在放大电路后面再加一级反相比例器，使之成为正电压，再将其输出。1.2.3电压表征温度单元图1-2-3电压表征温度单元原理图（蓝色方框内为该部分电路） 本电路采用一个内阻为3.7k欧（万用表测得）的电压表表头显示温度，采用单刀双掷开关切换所显示的是设定的温度或是实际的温度。 由于温度传感器LM35的特性是温度每变化1，电压值变化10mV，而放大器将其放大了30倍，又分压电阻R16=7.4k，所以表头所显示的值为温度/10， 即 温度值（）=表头显示值（V）*10 表头接在电压跟随器的输出端与地之间，当单刀双掷开关与电位器接通时，所测的值*10为设定的温度；当单刀双掷开关与反相比例电路输出端接通时，所测的值*10为实际的温度。 电位器及电阻阻值的选择，要使控制电压可调范围为09V，由于VCC=12V，选取R9=5k，电位器可调范围为025k。1.2.4电压控制单元迟滞比较器 经由反相比例器得到的输出电压要与设定电压进行大小比较后来确定是制冷还是制热，此处采用一个迟滞比较器。 通常用作比较器的运放有LM311、LM339等，由于LM339的特点如下：工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源：118V；具有非常高的压摆率；消耗电流小，Icc=1.3mA；输入失调电压小，VIO=2mV；共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V等优点，故决定用LM339作为比较器。设计原理图如下：图1-2-4比较器设计原理图迟滞比较器的电压传输特性如下：图1-2-5迟滞比较器的电压传输特性根据图中所示，假定设定温度为20摄氏度，则电压变化上下限为5.8V和6.2V，则从反相比例器输出的电压逐渐升高，若大于6.2V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至低于5.8V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+R7)+(UREF*R7)/(R8+R7)UL=-(UO*R8)/(R8+R7)+(UREF*R7)/(R8+R7)计算得，R7=59R8，在此，取R8=1k，R9=59k。因为希望双极性参考电平为6V，所以稳压管稳定电压应略大于6V。1N4734A的导通压降为6.2V，故采用此型号稳压管。1.2.5驱动单元继电器 通过迟滞比较器和稳压管后，输出控制三极管开关电路的电压，这个启动后续装置的开关由继电器爱充当，设计中的继电器如下图：图1-2-6驱动单元原理图 这里三极管用作开关，对其要求不是很高，并且三极管的VBE一般都在0.6V-0.7V之间。同时在三极管导通时，集电极电流Ic相对较大，普通的三极管S8050和S8550符合要求。 当比较器输出-6V电压时，继电器的开关合拢，启动制冷设备，开始制冷，直到温度降到所设置的温度下限，电压向上翻转，比较器输出+6V的电压，另一个继电器的开关闭合，TEC反向导通，开始制热。就这样，达到温控的效果。 值得注意的是，继电器线圈上并联有二极管。继电器在截断流过负载的电流时（晶体管进入截止状态时）会产生反电动势（楞次定律）。这时产生的电压非常大，晶体管可能会被击穿。所以，在继电器线圈上并联1N4007二极管。1.2.6 制冷部分Tec半导体制冷片图1-2-7 Tec半导体制冷片 半导体致冷器(ThermoelectricCooler)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。一对电偶产生的热电效应很小，故在实际中都将上百对热电偶串联在一起，所有的冷端集中在一边，热端集中在另一边，这样生产出用于实际的致冷器。如果在应用中需要的制冷或加热量较大，可以使用多级半导体致冷器，对于常年运行的设备，增大致冷元件的对数，尽管增加了一些初成本，但可以获得较高的制冷系数。考虑价格和效果，本实验用TEC1-12706。TEC1-12706主要参数：内部阻值：2.12.4（环境温度231，1kHz Ac测试）最大温差：Tmax（Qc=0）67以上工作电流：Imax=44.6A（额定12V时）额定电压：12V（Vmax：15V启动电流5.8A）制冷功率：Qcmax50-60W工作环境：温度范围-55831.3完整电路图图1-3完整电路图2.仿真结果分析 由于multisim中没有TEC，故用小灯泡代替。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21摄氏度，实际温度为20摄氏度时（即输入电压为200mV）仿真结果如下：图2-1制冷时仿真结果分析输入电压经过30倍放大，以6V输入比较器。调节设定电压约为2.1V,则设定端以6.3V电压输入，经过电压比较器后，输出正电压，制热端三极管导通，制热端继电器开启，小灯泡点亮（代表TEC制热）。2. 设定温度为19摄氏度，实际温度为20摄氏度时（即输入电压为200mV）图2-2制热时仿真结果分析 输入电压经过30倍放大，以6V输入比较器。调节设定电压约为1.9V,则设定端以5.7V电压输入，经过电压比较器后，输出负电压，制冷端三极管导通，制冷端继电器开启，小灯泡熄灭（代表TEC制冷）。3 实物展示3.1 实物焊接效果图正面图：图3-1 实物正面图加上所有外设：图3-2 实物正面图背面图：图3-3 实物背面图3.2 实物性能测试数据3.2.1制冷测试用LM35采集温度，直接用万用表测量其输出电压：图3-2-1 LM35输出电压经过运放电路后输电压：图3-2-2经过运放后输出的电压（放大30倍）设定温度为10，用表头显示如下：（温度值（）=表头显示值（V）*10）图3-2-3 表头显示的设定温度此时，温度设定端（比较器同相输入端）电压值：图3-2-4温度设定端（比较器同相输入端）电压值表头实际温度档位显示的电压：（温度值（）=表头显示值（V）*10）图3-2-5表头实际温度档位显示的电压比较器输出电压值：图3-2-6 比较器输出电压制冷端三极管开关电路打开，继电器开启，测试时用万用表蜂鸣档测试，下图用继电器导通后，两端的阻止约为0表示：图3-2-7 制冷端继电器开启所测制冷端正负极电位差：图3-2-8 冷端正负极电位差制冷端负极与地的电位差：图3-2-9制冷端负极与地的电位差：此时，连接TEC，TEC制冷。3.2.2制热测试设定温度为10，用表头显示如下：（温度值（）=表头显示值（V）*10）图3-2-10表头显示的设定温度此时，温度设定端（比较器同相输入端）电压值：图3-2-11温度设定端（比较器同相输入端）电压值比较器输出端电压值：图3-2-12比较器输出端电压值制热端三极管开关电路打开，继电器开启，测试时用万用表蜂鸣档测试，下图用继电器导通后，两端的阻止约为0表示：图3-2-13制热端继电器开启制热端正负极电位差：图3-2-14制热端正负极电位差制热端正极与地的电位差：图3-2-15制热端正极与地的电位差此时，连接TEC，TEC制热。3.3.3性能测试数据分析1.经过运放放大后的电压为8.022V，输入电压的30倍为8.22V，在电路中略有损耗，原因在于走的锡线有电阻，且运放不能无衰减的放大。此时，实际温度端在表头上显示为2.05V，相较于理论值2.674有较大误差，原因在于所用表头量程过大，且其本身性能不好，不是精密仪器。2.设定的电压为3.085V，此时，设定温度在表头上显示为1V，在误差允许范围内。3. 比较器输出电压、制冷端两端电压差、制冷端负极与地电位差均正常。4.调节设定温度使其制热时，比较器输出电压较小，导致接上TEC后，三极管导通状态不稳定，制热效果不好。4总结、收获与体会通过这次模拟电路的设计与制作，提升了我的电子电路设计的思想，掌握了电子电路设计、调试的方法，对之前书本上、课堂上学习的理论知识有了更深的理解。电子技术综合训练不仅帮助我们更好的理解理论知识，而且将理论与实际结合起来，提高了我们的动手能力。回想整个过程，真是痛并快乐着。在这次课设之前所进行的电子设计都是实验室一些简单的小实验，刚拿到这个题目时，自己感到很茫然，不知从何下手，但是通过图书馆、互联网查找多方面的资料，对电路有了基本的构想，从调试方便和成本角度出发，选择了一个较为理想的方案。然后画电路图，进行仿真，为了使电路性能、电路布局尽力做到比较好，我一共修改了七个版本，最终设计出自己较为满意的版本。因为之前做过较多的焊接训练，在焊接过程中并没有出现什么问题，整个过程很顺利，没有出现虚焊漏焊现象。但刚开始准备调试时，却不知从何开始调试。询问了学长后，发现像这种不是特别简单的电路，不能一次性焊完，应该焊一部分，检查调试一部分。但因为已经焊完了，只能将线断开，一部分一部分的调试，最终在实验室调试到凌晨两点，电路板调试完成，没有大问题。在这个调试过程中，我掌握了一些调试的基本方法。但是由于元件特性不理想，制冷片制冷和制热效果不明显，在控温方面不易达到设计要求。（温度传感器LM35的效果不是很好，且不够稳定）模拟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去分析解决问题，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。另一方面，本次课程设计也暴露了我的许多不足。比如说，实验室里的很多学长都能熟练运用更高级的仿真制图软件Altium Designer进行电路仿真，并能利用原理图生成PCB图，再通过腐蚀电路板完成实际电路的制作。在更高级的电子制作中，不可能在利用万用板和锡走线完成线路部署，尽早熟练掌握更高级的辅助软件迫在眉睫。本次课程设计之后，我将在明确不足之后积极弥补，争取更大的进步。附录一 元件清单实验元件型号数量TECTEC1-127061继电器SRD-12VDC-SL-C2温度传感器LM351比较器LM339N1稳压管IN4734A2三极管S80501S85501运算放大器NE5532P4电位器25k1表头110 k4300k15k2电阻56k11k47k1400122附录二 参考文献.1吴友宇.模拟电子电路（第一版）. 科学出版社,20142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,20063铃木雅臣.晶体管电路设计（下）.科学出版社,20144孙梅生.电子技术基础课程设计.高等教育出版社,20055舒庆莹，凌玲模拟电子技术基础实验大学出版社，2008.26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目 录1.原理电路的设计11.1总体方案设计11.1.1简单原理叙述11.1.2设计方案选择11.2单元电路的设计31.2.1温度信号的采集与转化单元温度传感器31.2.2电压信号的处理单元运算放大器41.2.3电压表征温度单元51.2.4电压控制单元迟滞比较器61.2.5驱动单元继电器71.2.6 制冷部分Tec半导体制冷片81.3完整电路图102.仿真结果分析113 实物展示133.1 实物焊接效果图133.2 实物性能测试数据143.2.1制冷测试143.2.2制热测试173.3.3性能测试数据分析194总结、收获与体会20附录一 元件清单21附录二 参考文献.22目 录第一章 总 论11.1 项目概要11.2 可行性研究报告编制依据11.3 项目区简介及建设单位概况21.4 可研报告研究内容61.5 可研报告研究结论、问题及建议7第二章 项目背景及建设的必要性和可行性92.1 建设背景92.2 项目建设的必要性132.3 项目建设的可行性15第三章 项目建设内容及规模173.1 项目建设内容173.2 建设规模17第四章 场址选择及建设条件194.1 场址现状194.2 建设条件19第五章 工程方案245.1 方案设计指导思想及原则245.2 建筑设计245.3 结构设计295.4 给排水设计335.5 暖通设计365.6 电气及弱电设计395.7 消防设计42第六章 能源和资源节约措施456.1 能源节约措施456.2 建筑节能具体措施466.3 给排水资源节约措施466.4 电气节能具体措施466.5 供热系统节能技术措施47第七章 环境影响评价487.1 环境影响487.2 保护措施507.3 安全保护措施517.4 环境影响评价结论52第八章 组织机构538.1 管理机构538.2 项目组织管理53第九章 工程管理及实施计划549.1 项目建设管理原则549.2 工程管理549.3 项目实施步骤559.4 项目实施进度计划55第十章 劳动安全、卫生与消防5810.1 劳动安全与卫生5810.2 消防安全59第十一章 投资估算及资金筹措6111.1 估算依据及内容6111.2 投资估算6311.3 资金筹措6412.1 招标依据6512.2 工程招标65第十三章 社会影响分析及评价6813.1 项目社会评价的依据6813.2 建设地区基本的社会环境情况6813.3 社会影响分析6813.4 项目在建设、运营中的社会风险分析6913.5 社会评价结论70第十四章 结论及建议7114.1 结论7114.2项目建议71第十五章 附表、附图、附件7315.1 附表7315.2 附图7315.3 附件7326