模电课设温度控制器解析.docx
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模电课设温度控制器解析
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:
温度控制系统的设计
初始条件：
AD590温度传感器，LM324N集成运算放大器，Tec，电阻，电位器，二极管
要求完成的主要任务:
一、设计任务
利用温度传感器件、集成运算放大器和Tec（ThermoelectricCooler，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：
1.第19周：
查找并阅读相关资料，掌握基本原理
2.第20周：
理论设计，实验室安装调试以及撰写设计报告
3.第21周：
答辩
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
温度控制系统的设计
第一章温度控制系统设计.................................3
1.1温度控制系统总体方案................................3
1.2温度传感单元........................................4
1.2.1温度传感器的选择..................................4
1.2.2温度传感器测温的实现..............................5
1.2.3放大器应用中Ri与Rf的选择........................8
1.3温度比较环节........................................9
1.4PID控制环节.........................................9
1.4.1PID理论..........................................9
1.4.2PID的参数调节...................................11
1.5Tec控制单元........................................13
1.5.1控制温度元件的选择..............................13
1.5.2桥式推挽功率放大电路............................14
1.5.3BTL上三极管选型.................................14
第二章元件清单及总电路图..............................16
2.1元件及器件明细.....................................16
2．2总电路图...........................................16
第三章课程设计总结.....................................18
参考文献................................................19
一、温度控制系统设计
1.1温度控制系统总体方案
方案一温度传感器接收温度信号，并转化为电信号处理，同时考虑进温度传感器的线性度并将其转换成表征温度的电压信号，完成温度测量。
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（BTL）中，利用放大的差模信号轮流推挽，利用流过BTL电流大小和方向控制控制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。
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：
实际设计操作中参数难以调整。
BTL上电流方向变化频繁。
方案二运用集成运算放大器的非线性功能比较基准电压与变化电压，将连续的电压信号离散成为高电平和低电平分别控制Tec制冷或加热。
优点：
电路简单，便宜。
可以采用滞回比较器，更好的断续调节Tec工作。
缺点：
不能控制Tec制冷速率，滞回比较器可能会降低反应的灵敏度，难以达到将误差控制在1℃以内的要求。
方案三依然采用连续调节式恒温控制电路，混合运用波形发生器和电容的积分作用，平缓信号的变化程度，增强电路的稳定性，运用集成运算放大器比较预置控制温度与接入的温度信号，但以脉动制式通过调整脉冲宽度来实现恒温控制。
优点：
改进了方案二中无法控制Tec制冷速率的问题，且连续调节效率更高
缺点：
制作麻烦
考虑进元件价格，因素，我选方案一
1.2温度传感单元
1.2.1温度传感器的选择
方案中利用温度传感器将温度信号转化为电信号（电压或电流），考虑过一些温度传感器的电路图。
主要是利用四臂电桥和热敏电阻分压作用来放大压差，将温度信号转换为电压信号。
二极管和三极管。
晶体二极管和三极管的PN结结电压都是随温度的变化而变化的。
如硅管的PN结在常温下的节电压约为0.7V，每升高1℃时，节电压下降约2mV，利用玻璃管封装的硅开关二极管IN4148或将硅三极管的集电极与基极短接成二极管，方便而便宜。
热时间常数小（0.2~2S），灵敏度约为-2mV/℃，测温范围为-50℃~+150℃。
它的缺点是流过PN节的电流不能过大，一般取100~300μA（不超过1mA的最大值），电流过大会因PN结结温变化升高而影响精度。
此时它不再单一受控于温度变化，还将引进电流误差，可以考虑引入恒流源。
不过这种温度传感器输出的测温信号电压十分微弱，在一般的温度测量电路中多采用高灵敏度四臂电桥来拾取温度变化的电压信号。
将这一信号电压通过运算放大器组成的高稳定度放大器的放大后输出。
为保证电桥不因工作电源电压的波动而影响测量的准确性，在电桥中一般都采用单独的稳压电路提供工作电源，有时还在电桥中设有温度补偿元件，如二极管或热敏电阻等。
线性式热敏电阻温度计
最终考虑到需要测量温度，而自己制作的温度传感器不管是线性、温度特性、焊接精度、电阻误差都存在一定难度。
转而投向集成温度传感器，参考了两种温度传感器AD590和LM35系列：
AD590是一种测温用的集成电路温度传感器，由美国AD公司生产。
该温度传感器具有体积小、测温精度高、稳定性好、反应速度快、线性度好、能进行远距离传送和价格低廉等优点。
输出电流正比于K氏温度，数值为1μA/K，在223μA（-50℃）~423μA（+150℃）之间。
工作电源电压为4~30V。
测温范围为-55℃~+150℃。
AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。
作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。
适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。
LM35系列集成温度传感器是一种性能优良的温度传感器，它的测温范围为0℃~100℃.包含实验设计要求。
它能在单电源下工作，电压范围较宽。
它的测温输出电压与摄氏温度成正比，线性系数为+10mV/℃，还可进行远程传送，该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。
由于在电子市场上没有找到合适的型号，最终选定AD590作为电路的温度传感器。
1.2.2温度传感器测温的实现
测温环节由电流-电压转换，阻抗变换，比例加法器，反向比例放大器组成。
因multisim中没有AD590故暂时用ACPOWER代替，并用直流电压源模拟电路输入信号。
AD590输出电流信号通过电阻R1和RP1转换为电流信号，经过U1A阻抗变换后作为被测温度的电压参考值。
为实现温度信号的表征，需将K氏温度通过运算放大器转换成摄氏温度。
调节方法为，将AD590置于0℃，调节电位器RP1使节点1电压为2.73V（即RP2为1KΩ）。
当温度达到室温26℃时，节点1的电压为2.99V。
通过U2B进一步调节实现两种温标的转换。
调节RP2给节点4提供一个-2.73V来将0℃温度转换为节点4的0V，同理当达到室温26度时，4点电压为0.026V，与摄氏温度对应。
再有R9/R3=1，节点8为节点4电压值的相反数，最后通过集成运放U3C将该信号放大-10倍。
AD590温度传感器温度换算电路
在仿真过程中，0摄氏度两电压表读数都有较大的漂移，对于运放LM324调节RP2不改变4点的值，增大输入电阻发现电压表0度时电压下降，但与理想值仍有距离，说明输入阻抗较低，但没有考虑使用仪用放大器。
将运放LM324换成LM741后存在1脚5脚调零问题，调节RP2虽然改变节点4电压，但仍然处在10V量级，因此未成功模拟出调零过程。
考虑了课堂上学习的简单减法器，用以校准温度传感器输出的电压：
令R1=R2=R3，可以实现两信号的相减，只要加入一个调整电压2.73V即可。
但实际仿真中问题依然存在，比较两种通用型较为经济的运放LM741和LM324的资料，LM324是四通道运放，工作电压是3V~32V，单位增益带宽为700KHz，失调电压为7mV，可单电源使用，没有调零端。
LM324的输入偏置电流在nA级，因此输入阻抗要比LM741高出几十倍，一般用来做比较器，这一点也完全符合仿真结果;LM741是单运放，工作电压范围为7V~36V，单位增益带宽为1MHz，输入失调电压为6mV，与LM324差不多，而且与仿真结果非常吻合，内部具有短路保护和相位补偿环节，一般用来做放大器。
综合考虑两种放大器，为达到实验目的，仍然采用LM741的调零功能，以期在实际调试中消除失调电压。
调节电位器RP，可使运放输出电压为0，调零时必须细心，切记不要使电位器RP的滑动端与地线或正电源线相碰，否则会损坏运放
防止共模输入电压过大
1.2.3放大器应用中Ri与Rf的选择
电阻Ri与Rf的选择与电路所加负载RL的大小有关。
电阻取得太小时
运放输出的电流是流向负载电阻及RF的，可以看作是Rl和Rf并联的。
所以当Rf取得很小时，流过的电流很大，运放有限的输出电流能力就不能充分利用，甚至使放大器很快饱和，放大器的输出电压范围变得很小，即线性范围很窄。
同时，Rf过小，使电路功耗过大，这可能造成器件过热，严重时可能要烧坏器件。
反相放大器的输入阻抗等于Ri，所以Ri取得很小时，其输入阻抗就很小。
当信号源内阻较大时，会造成输出端信号输不出，输入端信号就会输不进来。
电阻取得太大时，可能会带来较大的电流漂移干扰。
若电流稍有变化，就会造成输出信号的严重漂移，且会使电路对外部的干扰很敏感。
由于存在分布电容的因素，当工作频率较高时，电路的频率特性将变坏。
一般情况下，两电阻应在1KΩ~1MΩ之间选取，而在10~100KΩ之间选取是较常见的。
而对放大倍数要求不严的应用场合，如音响电路的前置放大电路，采用5%精度的电阻即可。
对精度要求高的放大器，如本温度控制器，可采用1%或0.5%的高精度电阻。
一般都采用金属膜电阻。
在业余制作时，可以采用数字式万用表欧姆档来选取电阻，往往可获得较好效果。
同时，电阻的阻值也会随温度变化而变化的，它会影响放大器的温漂，所以在精度要求较高的放大器中，应选用温度系数较小的电阻。
一般高精度电阻其温度系数在1×10-4/℃以下。
在电路图中，运用了多个电位器，其好处
是方便实际操作中调整参数，但半可调电阻的接触不太可靠，在振动或撞击时可能会改变其阻值，一般的半可调电阻的电阻层是碳膜的，它的温度系数较大，与其他电阻温度系数不匹配，容易产生温漂，因此不适合精度高的放大器。
还有一种集成仪用放大器INA101，考虑过但是觉得增加了电路的复杂度。
还是决定采用手动调整LM741的方式。
1.3温度比较环节
利用R34R35R36的分压作用来为电路设置一个预置温度值。
预置温度与节点36预置电压之比为10:
1，温度在0~26℃，所以预置电压在0~2.6V之间，计算得，若R34取20KΩ，节点36电压最大值应为7.03V，使用一个10kΩ电位器即可控制其温度调节范围包含0℃~26℃。
若要控制测量温度在0~（室温+10）范围，节点36电压最大值应为11.25V，更改电位器即可。
在这里存在着电位器控制精度问题。
预置温度的调节与电位器灵敏度有关。
U4A是一个差分放大电路将比较而得的电压差值放大，由于R11=R12，R14=R13，所以输出电压为1-Vi2，实现跟随差值作用。
设想当温度偏差从0到1℃范围内，电压变化将为0~0.1V，这一小电压可能与运放的灵敏度有较大关系，不过之后设计了一个PID环节可以放大相关的信号，并使之大于BTL上两个三极管的导通压降。
1.4PID控制环节
1.4.1PID理论
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。
常规的模拟PID控制系统原理框图如图所示。
模拟PID控制系统原理图
该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
图中，r（t）是给定值，y（t）是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差e（t）
e（t）=r（t）−y（t）
e（t）作为PID控制的输入，u（t）作为PID控制器的输出和被控对象的输入。
所以模拟PID控制器的控制规律为
u（t）=Kp[e（t）+dt+Td
]
其中：
Kp――控制器的比例系数
Ti－－控制器的积分时间，也称积分系数
Td――控制器的微分时间，也称微分系数
比例部分
比例部分的数学式表示是：
Kp*e（t）
在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。
偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。
控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。
故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。
积分部分
积分部分的数学式表示是：
从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e（t）=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。
可见，积分部分可以消除系统的偏差。
积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。
积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。
当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。
所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。
微分部分
微分部分的数学式表示是：
Kp*Td
实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。
在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。
为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。
微分环节的作用使阻止偏差的变化。
它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。
偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。
微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。
但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。
微分部分的作用由微分时间常数Td决定。
Td越大时，则它抑制偏差e（t）变化的作用越强；Td越小时，则它反抗偏差e（t）变化的作用越弱。
微分部分显然对系统稳定有很大的作用。
适当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优。
比例-积分-微分既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。
当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。
只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到较为理想的控制效果。
1.4.2PID的参数调节
I比例系数的调节
比例系数P的调节范围一般是：
0.1--100.
如果增益值取0.1，PID调节器输出变化为十分之一的偏差值。
如果增益值取100，PID调节器输出变化为一百倍的偏差值。
可见该值越大，比例产生的增益作用越大。
初调时，选小一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小时，再该调节积分或微分系数。
过大的P值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的P值又会使系统反应迟钝。
合适的值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积分时间来调节。
II积分系数的调节
积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。
积分时间设为1秒，则输出变化100%所需时间为1秒。
初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定为止。
III微分系数的调节
微分值是偏差值的变化率。
例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。
大部分控制系统不需要调节微分时间。
因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。
如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。
如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制要求，就可以调节微分时间。
初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系统稳定。
可大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
对于温度系统：
P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5—3。
考虑到PID参数本身就非常难以调解，稍有不慎将导致系统的剧烈震荡，而这本是一个简单的温度控制系统，所以决定去掉微分环节，仅使用PI，主要利用它积分功能消除共模信号。
克服LM324失调电压大的一大缺点，期望实现更紧密的调节。
整个系统需要在一个高精度的环境下运行。
同时，由于电子市场中没有220μF瓷片电容，因此选择2个220μF电解电容加上两个发光二极管完成系统的加热制冷转换指示功能。
变成如下电路图
U3A完成比例控制，U4B完成积分控制，U7D是一个反向加法器，将比例和积分的结果相加。
1.5Tec控制单元
1.5.1控制温度元件的选择
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。
TEC的用途非常广泛，最典型的应用是激光器的温控和PCR的温控。
众所周知，激光器对于温度是非常敏感的，因此对TEC的要求非常高。
有些甚至要求将TEC和激光器同时采用TO封装，这就要求TEC的体积非常小。
能满足此要求的公司也不多，德国的Micropelt公司是一个代表。
其采用最先进的薄膜技术，并使用MEMS（微电机系统）进行加工，从而得到体积非常小的TEC。
另外还有电热丝，热电偶，加热棒，但需使用继电器，与初衷不同，所以选择使用Tec。
1.5.2桥式推挽功率放大电路
课堂上学到，OCL和OTL两种功放电路的效率都很高，但是它们对电源的利用率都不高。
输入正弦波信号时，在半个信号周期中，电路只有一半三极管和一半电源在工作。
为了提高电源的利用率，也就是在较低电源电压的作用下，使负载获得较大的输出功率，一般采用桥式推挽功率放大电路，又称BTL电路。
在输入信号vi正半周期时，T1，T3导通，T2，T4截止，负载电流由Vcc经T1，RL，T3流到虚“地”端：
在输入信号Vi负半周期时，则运行电路的另一半。
此电路同OTL相比，单电源供电，输出功率是OTL电路输出功率的4倍，对电源利用率高，理想情况下约为78.5%。
将Tec放入途中RL的位置，前置电路输入电压（温度）比较结果，根据结果的正负值控制Tec上电流方向和大小，使Tec冷端和热端相互转换。
来控制密室的温度，完成整个温度控制系统。
1.5.3BTL上三极管选型
极限电压V（BR）CEO，选择器件时，器件极限电压＞最坏条件下工作电压
极限电流ICM选择器件时，器件极限电流＞最坏条件下工作电流
最大管耗PCM选择器件时，器件在最大工作环境温度下的最大允许功耗＞最坏条件下的管耗
断开温度比较环节，使之置于手动调节成功状态，仿真电路的运行如图。
以温度变化1℃为限，即假设输入信号为0.1V，调节“P”部分，令电位器最大，达到20K，观察NPN三极管发射结压降VBE和PNP三极管VCE如下如图。
误差允许范围内处于导通状态
但反向压差过程输入时，电路的对称性不好，给U8A加上两个二极管减小共模信号的输入电压，或使用集成仪用放大器代替U8A，并综合考虑价格问题。
二、元件清单及总电路图
2.1元件及器件明细
元件
器件明细
TEC
1个
二极管8050、8550
各2个
AD590
1个，1μA/K
LED
2个，1个黄，1个红
LM741
3个
LM324
5个
普通开关
1个
电位器
若干
电阻
若干
稳压二极管
2个
2.2总电路图
三、课程设计总结
本次的模拟电路课程设计，也是我第一次参加课程设计。
这些天来多次出入图书馆，寻找有关资料进行参考。
发现了许多问题，模电基础打得不牢，只是突击应付了一下考试，在课程设计中问题全都暴露出来。
书上的内容是基础，不仅没有全部学完而且已学的内容也远远没有掌握牢固。
实际操作中各种元器件的选型是一个难题。
自己选择的电阻往往没有完全相同的电阻销售，而且都存在误差问题。
实际中与理想其实有不小差别，例如运算放大器的失调电压问题给理论设计带来了巨大的麻烦。
在仿真软件上可以看出高精度控制中存在的种种问题。
给一些设计的可行性画上了问号。
只有在不断设计，不断模拟的过程中反复修改自己电路的各种缺点，才能逐步臻于完善。
一个简易温度控制系统并没有我想象中那么简单，第一次尝试着全方位思考，把每个细节都考虑进去的过程，是相当艰难的。
在模电课设中，我最大的收获就是被强迫着进了图书馆，认识到在电学的领域中，我所掌握是多么的微不足道。
我想我应该在理论上下更大的功夫，充分利用图书馆资源，学习并熟悉各种电路单元的设计，开关电路的设计。
把各种要实现某一功能的电路都见识到，只有在具有一定基础的情况下，才能在前人之上创新。
所谓的跨领域没有桎梏更具有创新性在工科上收效甚微。
设计中感受到了电路的魅力所在，这也是我不顾艰难从文科学院转来通信工程的原因。
大学的闲适生活往往令人的激情热情消磨殆尽，而这次我充分意识到了学无止尽这一点，自己还有很多的知识没有见识，了解到。
也还有极大的上升空间。
想要把电学学好不只是一朝一夕的事情，也绝不是考试分数所能代表的能力。
我的动手能力较差，不仅是在实验中要多锻炼，更要把学到的理论知识运用到实际中去，才能学有所用，对将来的工作产生
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