闭环温度控制器设计Word下载.docx

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图2电阻电桥电路图

如上电阻电桥电路是由不同的阻值的电阻和热敏电阻Rt组成，通过改变不同Rp的不同阻值，在电桥电路的输出端就会得到不同的输出电压，当设定好阻值后，当温度发生变化时候，热敏电阻Rt就会有很大的变化，从而导致电桥输出端输出电压发生很大的变化，从而影响后面的电路效果。

在如上电桥电路中，电桥平衡的条件为：

R1*Rt=（Rp+R2）*R3

电桥平衡时

U1=U2

2.1.1关于热敏电阻

　热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起电阻变化,若电子和空穴的浓度分别为n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：

　　σ=q（nμn+pμp）

　　因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量电导而推算出温度的高低，并能做出电阻-温度特性曲线．这就是半导体热敏电阻的工作原理．

热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR）。

热敏电阻的主要特点是：

①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；

②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；

③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；

④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；

⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；

⑥稳定性好、过载能力强。

2.2闭环放大电路

闭环放大电路是由两个结构组成，第一部分是由两个电压跟随器组成，是用于对电压的缓冲，让以后电路能够更好的发挥所用；

第二部分是由一个电压放大器组成，用于对电压的放大，那样对以后的电路才会有明显的反应。

下图为电压跟随器：

图3电压跟随器

图4电压放大器

图5闭环放大电路

2.3滞回比较器

滞回比较器是用于控制电压输出的一种器件。

在电路设计中，经常用到比较器，比如温度控制。

如果只用运放做的差分比较器，缓慢变化的输入信号，当其接近门限电平时，叠加在信号上面的干扰信号会使比较器产生误翻转，这就是所谓的电平比较器“振铃”现象。

这样温度加热装置处于连续的开关状态。

为了解决这些问题，采用滞回比较器比较合适。

从电路的输出端至运算放大器同相输入端之间引入一个正反馈，就称为滞回比较器，电路原理图及特性如上图所示，从图中可以看出，传输特性具有滞回线形状。

如果设比较器输出高低电平电压分别是UoH和UoL，这个电路产生的两个门限电压U1和U2分别为：

U1=（UR*R1）/（R1+R2）+（UoLR2）/（R1+R2）（2-1）U2=（UR*R1）/（R1+R2）+（UoHR2）/（R1+R2）（2-2）

U2的U1的差值称为滞后电平，值为：

U2－U1＝R2（UoH－UoL）/（R1+R2）（2-3）

由此可以算出，滞后电压可以用R1和R2来调节，合理选择大小，使之稍大于预计的干扰信号，就可以消除上述“振铃”现象，从而提高了抗干扰能力。

但是使用时应该注意的是：

加宽输入转换区，就不可能规定很窄的比较电平，使检测误差增大，所以U2的U1的差值不要取得太大。

电路图如下：

图6滞回比较器

2.4加热系统

加热系统是由一灯泡代替的，有灯泡代替能够比较明显的观察到电路是否加热。

图7加热系统

2.4.1关于温度传感器

近百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；

（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；

（2）模拟集成温度传感器／控制器；

（3）智能温度传感器[5]。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：

一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。

接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。

这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。

但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。

常用的是辐射热交换原理。

此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

温度传感器的发展

1、传统的分立式温度传感器——热电偶传感器

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；

测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。

2、模拟集成温度传感器

集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。

某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。

但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。

3、智能温度传感器

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（cpu）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

3.电路原理设计及参数计算

电路原理图如下：

图8闭环温度放大电路

如上图中通过左端电阻电桥电路的Rp的调整，以及对温度的设置，控制好电路的输出电压，即控制好U1,U2的输入电压的值。

当电压发生变化时候U1，U2把变化的电压传输给U3，通过U3把所得电压放大交给电压比较器U4处理，当U4所得电压能够驱动其输出电压发生变化就会导致后续加热系统产生影响。

即使得原理正在加热情况变为不再进行加热，把原来不在加热状态变为进行加热。

即使得灯泡熄灭或发光。

热敏电阻的计算：

设：

α为温度系数，To取25º

C。

Rt=Ro[1+α（T-To）]（3-1）

α=-B/T2（3-2）

B=-2.133*10-7/º

C（3-3）

T=25º

C

25º

C时：

α=2.1092*10-12（3-4）

Rt=Ro（3-5）

由于电路中热敏电阻的存在，在电桥部分，输出的电压差会随温度的变化而发生变化，输出的电压差经过闭环放大电路放大约10倍左右，放大后的电压输入到滞回比较器，当温度升高到T2使电压增大到阀值

电压+Ut时，滞回比较器的输出电压U0=Uz,为高电平，加热电路停止加热。

当电桥部分输出的电压经放大后输入到滞回比较器，当温度下降到T1是电压下降到阀值电压-Ut时，滞回比较器的输出电压U0=-Uz，为低电平，加热电路开始加热。

放大倍数

大约十多倍左右

4.课程设计体会

通过此次课程设计，我深深的感到了动手设计的魅力，以往书本上的知识学过之后没有实践应用的机会，导致了知识的流失，这次设计的闭环温度控制器，虽然原理简单，构成的器件也很少，但是能把书上所学运用到其中，我感到收获颇丰。

我们这次的设计是通过小组的讨论与实验所完成的，设计的时候虽然有过迷惑和困难，但是，这并不影响我们成功的结果！

本次课程设计培养了我的细心，耐心，信心与恒心，这次课程设计让我明白了一件好的产品不是随便就能生产出来的。

并且让我很好的复习了数字电路与模拟电路的知识，学以致用。

良好的态度是这次试验成功的基石，我们的实验总是面临着各种失败，但是为了充分利用已经学过的知识，将知识变为实物，我始终抱着全力以赴的态度完成每一个步骤。

要想有好的结果，就必须很仔细的做。

从企业中生产出来的产品为什么能做的很好，就是因为做的精，毕竟细节决定成败，故每一步都要注意，随随便便的做，是不可能出特别好的结果。

每个操作都应从理论上找到依据，出现问题也要找依据，于是渐渐地理论与实践就架好了桥梁。

实验要想做的精，把握关键环节，就会建立自己的方案，形成具体且详细的实验思路，，可以提高自己做事的逻辑性，对自己的的确确是很好的锻炼。

在这次课程设计中，我初步学会了怎样去根据课题的要求，就像怎样满足顾客的要一样，来设计最完美的电路，最后动手做出实物，让顾客达到满意的程度。

本次试验让我更深刻和清晰的认识了一次数字电子和模拟电子，将往日所学融会贯通，多动手，多设计，他日定会有所收获。

参考文献

[1]刘守义等.数字电子技术西[M].第1版.西安：

电子科技大学出版社，2001.

[2]王永军等.数字逻辑与数字系统[M].北京：

电子工业出版社，2002.

[3]华成英,童诗白等.模拟电子技术[M].第四版.北京：

高等教育出版社,2006.

[4]阎石等.数字电子技术[M].第五版.北京：

高等教育出版社，2005.

[5]朱立彬.传感器技术的最新进展和市场机遇传感器技术[J].自动化学报，2003，3.