武汉理工大学模电课程设计温度控制系统.docx

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武汉理工大学模电课程设计温度控制系统

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、半导体制冷片Tec、继电器、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（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：

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

目录

摘要I

AbstractII

1绪论3

2设计任务及要求4

2.1设计任务及要求4

2.2设计思想4

3选定方案的论证及整体电路的工作原理5

3.1设计方案选择5

3.1.1可行方案5

3.1.2方案讨论和选择6

3.2.1选定半导体制冷器的论证7

3.2.2选定继电器的论证7

3.2.3选定运算放大器的论证8

3.3整体电路的工作原理9

4单元电路的设计计算、元器件选择及电路图10

4.1差分放大电路10

4.1.1实验设计中的差分比例放大电路12

4.2同相滞回比较器14

4.2.1实验设计中的滞回比较器15

4.3控制单元18

5整体电路图、元件及器件明细19

5.1整体电路图19

5.2实物图20

5.3元件及器件明细21

6设计小结22

6.1成果的评价22

6.2本设计的特点22

6.3存在的问题和改进的意义22

参考文献…………………………………………………………………………23

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。

Abstract

Generalsystemfortemperature ismadeofthepartofmeasuringtemperatureandthepartofcontrolingtemperature.Thepartof measuringistoreceivethesignalofcurrenttemperature.Andthen,itwilltransforthissignaltothepartofcontroling,whichistocontorlifitshouldbeheateduporcooled.Thepartofcontrolingcompareittothecontroledtemperatureafterreceivingthesignalfromtheforward.Then,itisgoingtodetermineisthesystemneedtobeheateduporcooled.Thisdesignforwatertemperatureisalsomadeoftheseparts.Thissystemcontrolthetemperatureofwaterbycomparingtemperaturetotemperaturetocontroltodecideiftoheatup.Sothatwecangetthedestinationofcontrolingtemperature.

Keywords:

temperature;measure;control

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。

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（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℃）

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体制冷片。

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。

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，带动半导体制冷片工作，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：

用差分比例放大器（减法器）对信号实行第一次放大，再用反相比运算电路实行第二次放大。

用正、负两个电源。

功放采用乙类双电源互补对称功率放大电路。

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。

但是半导体制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。

3.2选定方案的论证

3.2.1选定半导体制冷器的论证

TEC

　　Tec（ThermoelectricCooler）即半导体致冷器。

　　半导体致冷器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。

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.

3.3整体电路工作原理

为基准电位，通过调节

获得，

为测量电位，由热敏电阻

决定，由于热敏电阻为负的温度系数，当温度升高时，

阻值变小，

电位降低。

这样，集成运算放大器

的输入就减小了。

假设温度升高，

阻值变小，A点对地电位瞬时为负，由于从运算放大器

的反相输入端输入，C点瞬时为正，由于从运算放大器

的同相输入端输入，D点瞬时为正，则三极管基极电流增加，集电极电流也增加，右图中KA是继电器中一个磁线圈，则磁线圈中电流增加，使左右图中开关KA闭合，则半导体制冷器开始制冷，则温度降低，由此实现对温度的控制。

4单元电路的设计计算、元器件选择及电路图

4.1差分放大电路

差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。

但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。

差分放大电路：

按输入输出方式分：

有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。

按共模负反馈的形式分：

有典型电路和射极带恒流源的电路两种。

差分放大电路

　　（a）射极偏置差放（b）电流源偏置差放

　　差放有两个输入端子和两个输出端子，因此信号的输入和输出均有双端和单端两种方式。

双端输入时，信号同时加到两输入端；单端输入时，信号加到一个输入端与地之间，另一个输入端接地。

双端输出时，信号取于两输出端之间；单端输出时，信号取于一个输出端到地之间。

因此，差动放大电路有双端输入双端输出、单端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入单端输出四种应用方式。

上面两个电路均为双端输入双端输出方式。

　　（a）电阻Re是T1和T2两管的公共射极电阻，或称射极耦合电阻，它实际上就是在工作点稳定电路中旨入的射极电阻，只是此处将两个电阻的射极电阻合并成一个Re，所以经它的作用是稳定静态工作点，对零漂做进一步的仰制。

电阻Re常用等效内阻极大的恒流源I0来代替，以便更有效地提高抑制零漂的作用。

负电源-VEE用来补偿射极电阻Re两端的直流压降，以避免采用电压过高的单一正电源+VCC，并可扩大输出电压范围，使两基极的静态电位为零，基极电阻Rb通常为外接元件，也可不用，其作用是限制基极静态电流并提高输入电阻，RL为外接负载电阻。

基本状态

　　差放的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。

当外信号加到两输入端子之间，使两个输入信号vI1、vI2的大小相等、极性相反时，称为差模输入状态。

此时，外输入信号称为差模输入信号，以vId表示，且有:

　　当外信号加到两输入端子与地之间，使vI1、vI2大小相等、极性相同时，称为共模输入状态，此时的外输入信号称为共模输入信号，以vIC表示，且:

　　当输入信号使vI1、vI2的大小不对称时，输入信号可以看成是由差模信号vId和共模信号vIc两部分组成，其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。

（1）对差模输入信号的放大作用

　　当差模信号vId输入（共模信号vIc=0）时，差放两输入端信号大小相等、极性相反，即vI1=－vI2=vId/2,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压vod1、vod2大小相等、极性相反，此时双端输出电压vo=vod1－vod2=2vod1=vod,可见，差放能有效地放大差模输入信号。

　　要注意的是：

差放公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起（负反馈）作用。

（2）对共模输入信号的抑制作用

　　当共模信号vIc输入（差模信号vId=0）时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即vI1=vI2=vIc,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压voc1、voc2大小相等、极性相同，此时双端输出电压vo=voc1－voc2=0,可见，差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。

此外，在电路对称的条件下，差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。

4.1.1实验设计中的差分比例放大电路

这是一个差动输入方式，

为集成运算放大器，

输入为

，

为基准电位，通过调节

获得，

为测量电位，由热敏电阻

决定，由于热敏电阻为正的温度系数，当温度升高时，

阻值变大，

电位升高。

这样，集成运算放大器

的输入就增加了。

差分条件是

输出为

放大倍数为

4.2同相滞回比较器

典型的同相滞回比较器电路

　　如图为典型的同相滞回比较器电路图。

每个比较器有两个输入端和一个输出端。

两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。

用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比较的信号电压。

当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。

当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。

4.2.1实验设计中的滞回比较器

差动放大器的输出电压U01输入由A2组成的滞回比较器。

滞回比较器的单元电路有下图所示，设比较器输出高电平为UOH，输出低电平为UOL，参考电压UR加在反相输入端。

当输出为高电平时。

运放同相输入端电位

当ui减小到u+H=UR，即

此后，ui稍有减小，输出就从高电平跳变为低电平。

当输出为低电平UOL时，运放同相输入端电位为

当Ui增大到使u+L=UR，即

此后，ui稍有增加，输出又从低电平跳变为高电平。

电压传输特性图如下图所示：

因此UTL和UTH为输出电平跳变时对应的输入电平，常称UTL为下门限电平，UTH为上门限电平，而两者的差值为：

输出电压与输入电压是比例运算关系，或者说是比例放大的关系。

如R1和RF的阻值足够精确，而且运算放大器的开环电压放大倍数很高，就可以认为uo与ui间的关系只取决于RF与R1的比值,而与运算放大器本身的参数无关。

这就保证了比例运算的精度和稳定性。

式中的负号表示uo与ui反相。

4.3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。

假设D点的瞬时极性为正，则三极管基极电流增加，由

可知集电极电流也增加，左图中KA是继电器中一个磁线圈，则磁线圈中电流增加，使得右图中开关KA闭合，则半导体制冷器开始制冷。

5整体电路图、实物图、元件及器件明细

5.1整体电路图

5.2实物图

差动放大电路实物图

整体实物图

5.3元件及器件明细

元件及器件明细

元件

器件明细

Tec半导体制冷器BJTA

1个

稳压管2cw231

1个

继电器

1个，9V开启，28A

LED

1个

集成运算放大器uA741

2个

电位器

3个，1个10k，2个100k

普通开关

2个

热敏电阻（正的温度系数）

1个，1k

电阻（10kΩ，100kΩ，5kΩ，1kΩ，2kΩ……）

若干，有的需要串并联得到

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，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

温度的调控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。

Tec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

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本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

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：

年月日