闭环温度控制器.docx

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闭环温度控制器

课程设计名称：

电子技术课程设计

题目：

闭环温度控制器

学期:

2012-2013学年第2学期

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控11-1班

姓名：

XX

学号：

1105XXXXXX

指导教师：

SB

辽宁工程技术大学

课程设计成绩评定表

评

定

标

准

评定指标

标准

评定

合格

不合格

单元电路及

整体设计方案

合理性

正确性

创新性

仿真或实践

是否进行仿真

或实践

技术指标或性能符合设计要求

有完成结果

设计报告

格式正确

内容充实

语言流畅

标准说明：

以上三大项指标中，每大项中有两小项或三小项合格，视为总成绩合格。

总成绩

日期

年月日

课程设计任务书

一、设计题目

闭环温度控制器

二、设计任务

1.恒定温度25°c的设定在一定范围内可调。

2.用灯泡模拟加热系统，在设定温度20°c以下灯泡自动亮（加热），达到25°c时灯泡自动灭。

3.接交流220V电源即可工作。

三、设计计划

电子技术课程设计共1周。

第1天：

选题，查资料；

第2天：

方案分析比较，确定设计方案；

第3～4天：

电路原理设计与电路仿真；

第5天：

编写整理设计报告书。

四、设计要求

1.画出整体电路图。

2.对所设计的电路全部或部分进行仿真，使之达到设计任务要求。

3.写出符合设计格式要求的设计报告书。

指导教师：

李季

时间：

2013年6月22日

目录

综述·······························································1

1方案设计与分析··················································2

1.1温度传感器的选择··············································2

1.2放大器电路的选择·············································2

1.3比较器的选择··················································3

1.4加热电路设计··················································4

2电路设计框图及功能描述·········································6

3电路原理设计及参数计算·········································7

4电路测试························································8

心得体会··························································9

参考文献·························································10

综述

闭环控制电路（close-loopcontrolcircuit）的特点是被控制量会反馈回来影响控制器的输出，从而形成闭环。

闭环控制电路有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统输入信号同相，则为正反馈，若反馈信号与系统输入信号反相，则为负反馈。

一般闭环控制电路都采用负反馈。

温度是我们生活中非常重要的一个物理量，它在日常生活中的应用很广，如空调，冰箱，电热水器等等，对它的测量和控制更有着十分重要的意义。

用闭环控制电路实现对温度的测量和控制，其核心元件是比较器。

在众多比较器中，本设计选用了具有滞回特性、抗干扰能力较好的滞回比较器。

通过查阅资料，设计出了一个包括加热电路、滞回比较器、放大器和电桥电阻的闭环温度控制电路。

1方案设计与分析

1.1温度传感器的选择

方案一：

采用热敏电阻。

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。

方案二：

采用热电偶作为温度传感器，由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。

也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

转换电路复杂，成本高。

综合以上两种方案，电热偶的灵敏度比较低，电热偶的灵敏度比较高，而且本实验本着经济实用的原则，采用了第一种方案，利用热敏电阻作为温度传感器。

1.2放大器电路的选择

为了实现输出电压与输入电压的某种运算关系，运算电路中的集成运放应当工作在线性区，因而电路中必须引入负反馈，且为了稳定输出电压，均引入电压负反馈。

由此可见，运算电路的特征是从集成运放的输出端到其反相输出端存在反馈通路。

由于集成运放的优良指标参数，不管引入电压串联负反馈，还是引入电压并联负反馈，均为深度负反馈。

因此电路是利用反馈网络和输入网络来实现各种数学运算的。

通常，在分析运算电路时均设集成运放为理想运放，因而其两个输入端的净输入电压和净输入电流均为零，即具有“虚短路”和“虚断路”两个特点。

在运算电路中，无论输入电压，还是输出电压，均对“地”而言。

方案一：

反相比例运算电路。

反相比例运算电路可以根据输入电阻R和反馈电阻Rf比例来调节放大倍数的电路，但此电路为单输入，此设计中需要放大电压差ΔU，若要采用还需外接计算ΔU的电路，电路复杂，故不宜采用。

方案二：

加减运算电路。

加减运算电路不但具有计算电压差ΔU的功能，而且还可以根据需要，调节Rf，进行放大预算，电路简单，符合本设计的需要。

综上所述，因此本设计采用方案二。

图1-2

1.3比较器的选择

电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。

电压比较器的种类：

1、单限电压比较器：

电路只有一个阈值电压，输入电压u1逐渐增大或减小过程中，当通过UT时，输出电压u0产生跃变，从高电平UOH跃变为低电平UOL，或者从UOL跃变为UOH。

2、滞回比较器：

电路有两个阈值电压，输入电压u1从小变大过程中使输出电压u0产生越变的阈值电压UT1，不等于从大变小过程中使输出电压u0产生跃变的的阈值电压UT2，电路具有滞回特性。

它与单限比较器的相同之处在于：

当输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次。

3、窗口比较器：

电路有两个阈值电压，输入电压u1从小变大或从大变小过程中使输出电压u0产生两次跃变。

例如，某窗口比较的两个阈值电压UT1小于UT2，且均大于零；输入电压u1从零开始增大，当经过UT1时，u0从高电平UOH跃变为低电平UOL；u1继续增大，当经过UT2时，u0又从UOL跃变为UOH；中间如开了个窗口，故得此名。

窗口比较器与前两种的区别在与：

输入电压向单一方向变化过程中，输出电压跃变两次。

综上所述，本实验中选取滞回比较器。

图1-3

1.4加热电路设计

方案一：

采用三极管作为开关管，将三极管基极作为指令输入端，当给高电平时，管子工作在饱和区，内阻几乎为零，当给低电平时，管子截止，模拟开关关闭，此方法电路简单，价格便宜，但受到三极管影响，电流输出受限并且强电和弱点不能很好的隔离，抗干扰能力极差。

方案二：

采用继电器，易于控制，且实行比较简单，虽然抗干扰能力不是十分强，但足以满足正常弱电工作的需要。

综上，电灯开关由继电器控制，选择方案二。

图1-4

电磁继电器的工作原理

主要是利用电磁感应原理而工作的。

当线圈通以电流时，线圈便产生磁场，线圈中间的铁心被磁化产生磁力，从而使衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，此时衔铁带动支杆将板簧惟开，使两个常闭的触点断开。

当断开继电器线圈的电流时，铁心便失去磁性，衔铁在板簧的作用下恢复初始状态，触点则又闭合。

2电路设计框图及功能描述

图2-1闭环温度控制框图

该电路设定一个初始温度值，与之对应的电压电流值为初设值，将此初设电压电流值传输给测量放大器，经放大器对电压放大并将电流传输给控制电路（此为滞回比较器），滞回比较器的输出电压值在一定范围内保持不变，但若输入的电压超过此范围，就会影起滞回比较器输出电压的变化。

当电流流经驱动电路时，使电路中的发热元件（此为灯泡）发热，从而温度升高。

温度的升高由热敏电阻Rt接收，再由温度传感器传输给电压比较器，与初设值比较，使电压输入量减少，从而减少发热元件的发热，使温度降下来。

若发热元件发热不足，温度传感器传输给电压比较器的电压值就变小，使得输入电压变大，增加发热元件的发热，是温度上升。

如此循环，就能使温度处于一定的范围内，达到对温度的控制。

3电路原理设计及参数计算

图3-1

1）对滞回比较电路

由滞回比较电路性质可知，当Ui小于UT时，uo输出正电压，致使电磁继电器闭合，使加热电路工作，。

当Ui大于UT时，uo输出负电压，致使电磁继电器打开，使加热电路无法工作，灯泡自动灭。

2）对放大电路

由虚短和虚短可知，U’=R11*U1/（R4+R11）,（U2-U’）/R3=（U’-Uo）/R12

即Uo=U1*R11*（R3+R12）/R3*（R4+R11）-R12*U2/R3

3）对温度信号采集电路

U1=RU2/（R2+RU2+RU1），U2=R4/（R4+R3）

4）数值设计

设20℃时，温敏电阻RU1阻值为r1，25℃时，温敏电阻阻值为r2。

设R1=R2=R4=R6=R7=R8=R9=R10=R11=R12=10千欧。

4电路测试

使用仿真proteus进行仿真，首先按照电路图从软件知道元件库中找到所需元件，在在按照电路图完成电路的连接，在点击仿真按钮，改变滑动变阻器（模拟温度的升降）的阻值，观察灯得工作状态，根据工作状态进行调整电路。

附仿真电路全图

图4-1

模拟结果：

当Ru1很小时，继电器闭合，加热电路导通，电路开始加热。

当Ru1增大到12千欧，继电器打开，加热电路断开，电路结束加热。

当Ru1减小后，继电器闭合，加热电路导通，电路再次开始加热，如此循环。

模拟结论:

设计的电路所实现的功能满足设计要求。

心得体会

我们通过学习模拟电子技术，对书本上的内容有了初步的了解。

而通过这次课程设计，在实际生活中得道了应用。

虽然这只是一次简单的课程设计，但为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。

查阅了大量的资料增加了丰富的课外知识，锻炼了自己独立思考问题的能力和解决问题的能力。

为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。

通过这次课程设计，知道了自己在很多方面都有不足，我要感谢我的指导教师和同学的帮助，并且让我认识到认真做课程设计的必要性。

参考文献

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].第四版.北京：

高等教育出版社，2010.

[2]阎石.数字电子技术基础[M].第五版.北京：

高等教育出版社，2005.

[3]陈志军钟昌贤张波《中国集成电路》[J]2007第1期:

39~40

[4]黄继昌.传感器工作原理及应用实例[M].北京：

人民邮电出版社，1998.

[5]金杰武传欣徐自有《中国集成电路》[J]2008第10期:

29~31