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电子温度控制器模电课设教材

辽宁工业大学

模拟电子技术基础课程设计（论文）

题目：

电子温度控制器

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

测控111

学号：

*********

******

指导教师：

（签字）

起止时间：

2013.07.02-2013.07.12

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电子与信息工程学院教研室：

电子信息

学号

110301025

学生姓名

王娜

专业班级

测控111

课程设计题目

电子温度控制器

课程设计（论文）任务

设计参数：

1.现设计并制作能高精度电子温度控制器。

2.设计电路所需的直流稳压电源。

3.工作温度范围：

25℃—+80℃。

4.精度±1℃。

设计要求：

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体方案。

对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3.设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

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。

目前经常用到的温度控制器主要分为机械式和电子式。

传统多为机械式控制器，家用温度控制器例如电冰箱、鸡舍温度控制器都是机械式的，这种温度控制器较易损坏，且损坏后很难修复，也很难配到相同规格型号的控制器，加之某些生产厂家对质量的不保证，导致许多控制器出厂就损坏的现象。

一些工业上的自动化设备需要将温度控制在一定范围内，才能保证所制造的产品的质量。

因此，温度测量控制系统有提高自动化设备性能的重要意义。

随着工业自动化的普及，随着科学技术的迅猛发展，要求有更先进、更稳定、更可靠的检测控制系统，以完成数据的采集并控制输出设备安全运行。

电子温度控制系统一般由温度测量部分、温度控制部分和直流稳压电源部分组成。

温度测量部分主要用来接收当前系统中的温度，然后通过差动放大电路将热敏电阻的电压信号发送到温度控制部分，本设计采用MF58热敏电阻；温度控制系统主要是用来控制外部调温系统的，它接收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，从而决定是否加热升温或冷却降温；直流稳压电源部分主要是用来给电子温度控制器供电，一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路构成，而本设计选择使用三端集成稳压器LM78××电路。

差动放大电路和滞回比较器部分电路采用集成uA741运算放大器，而温度控制本设计通过控制继电器来控制加热丝加热或风扇散热，从而达到控制温度的目的。

关键词：

温度；放大；电源；继电器；控制。

第1章电子温度控制器的方案设计论证

电子温度控制器的设计意义

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。

一些工业上的自动化设备需要将温度控制在一定范围内，才能保证所制造的产品的质量。

因此，温度测量控制系统有提高自动化设备性能的重要意义。

而现今很多的温度控制系统大多数都有很多的缺点，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。

随着工业自动化的普及与发展，要求有更先进、更稳定、更可靠的检测控制系统，以完成数据的采集并控制输出设备安全运行。

因此本设计提出一种结构相对简单、温度控制稳定、体积小、成本低廉，而且中心温度、温度偏差可随机方便调节设定的电子温度控制器方案，本设计不仅适用于电冰箱、空调等的温度控制器。

而且适用于各种制冷制热电器设备的温度控制器。

电子温度控制器的设计要求及技术指标

设计要求

1.分析设计要求，明确性能指标。

必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

2.确定合理的总体方案。

对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

3.设计各单元电路。

总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

4.组成系统。

在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

技术指标

1.现设计并制作能高精度电子温度控制器。

2.设计电路所需的直流稳压电源。

3.工作温度范围：

25℃—+80℃。

4.精度±1℃。

设计方案的论证

电子温度控制器主要是通过温度传感器将温度信号变成电压信号，再通过控制电路进行加热或降温。

根据实验任务要求，对控制电路部分可以采用多种方案：

如模拟电路控制或单片机控制等多种方案。

方案一

通过热敏电阻或者铂金电阻将温度信号进行采集，然后将温度的电压信号进行差动放大和滞回比较，再经过多个滞回比较器进行比较，其次再利用放大的信号控制三极管的导通与截止，最后通过三极管的导通与截止控制继电器或者外围加热或降温措施。

如图1.3.1所示。

优点：

可以全自动控制，不需要拨挡换位。

缺点：

需要大量的集成模块，电路复杂，生产成本高。

图1.1

方案二

利用晶体管式温度传感器进行温度测量，当环境温度变化时，晶体管式温度传感器的阻值也发生变化，直接导致电压变化，进而使运放输出电压发生变化，经过比较后产生个低电平进入由三极管构成的开关。

三极管导通，使发光二极管和继电器同时工作，启动加热装置；反之，若是三极管不导通，就会停止加热。

优点：

反应速度快。

缺点：

线性度不是很好不能满足设计需求。

方案三

该方案同方案一也是通过热敏电阻或者铂金电阻将温度信号进行采集，然后将温度的电压信号进行差动放大，再经过滞回比较器进行比较，其次再利用滞回比较器产生的信号控制三极管的导通与截止，最后通过三极管的导通与截止控制继电器或者外围加热或降温措施。

而比较的参考电压是通过多档位电阻分压。

如图1.3.2所示。

优点：

相对于方案一，制造成本低，电路相对简单，利于广泛应用。

因此采用方案二。

图1.2

总体设计方案框图及分析

电子温度控制器是由负温度系数电阻特性的热敏电阻为一臂组成的测温电桥的，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号，经三极管放大后控制加热器的“加热”与“停止”。

改变滞回比较器的比较电压，即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞回的滞回宽度确定。

而滞回比较电压是通过多个电阻档位进行分压产生参考的电压信号。

总体方案框图如图1.4所示。

图1.4总体方案设计框图

第2章电子温度控制器的单元电路设计

温度监测及控制电路的设计

测温电桥的设计

图2.1测温电桥电路

如图2.2.1所示，由R1、R2、R3、RW1及Rt组成测温电桥，其中Rt是温度传感器。

其呈现出的阻值与温度呈线性变化关系且具有负温度系数，而温度又与流过它的工作电流有关。

为了稳定Rt的工作电流，以达到稳定其温度系数的目的，电路中设置了稳压管DZ。

RW1可决定测温电桥的平衡。

热敏电阻Rt采用负温度系数的热敏电阻（NTC）。

负温度系数的热敏电阻又分为普通型、稳压用、温度检测用、温度控制用等多类，根据设计要求需要检测温度，因此采用温度检测型NTC热敏电阻。

又根据温度检测范围需要在25℃-80℃，所以采用MF58热敏电阻。

MF58热敏电阻的阻值随温度变化如表2.2.1所示。

表2.1MF58热敏电阻阻值随温度变化表

温度/℃

电阻/KΩ

1.00

0.83

0.69

0.57

0.48

0.41

0.34

0.29

0.25

0.22

0.19

0.16

差动放大电路的设计

图2.2差动放大电路

差动放大电路如图2.1.2所示。

由A1及外围电路组成的差动放大电路，将测温电桥输出电压ΔU按比例放大。

其输出电压

当

，

时

其中RW3用于差动放大器调零。

差动放大电路的输出电压仅取决于2个输入电压之差和外部电阻的比值。

差动放大电路输出电压随温度变化如表2.1.2所示。

表2.2差动放大电路输出电压随温度变化

温度/℃

电阻/KΩ

1.00

0.83

0.69

0.57

0.48

0.41

0.34

0.29

0.25

0.22

0.19

0.16

/mV

100

3.6

5.1

6.1

7.0

7.8

8.4

8.9

9.2

9.6

10.0

多级调温电路的设计

图2.3多级调温电路

调温电路是通过改变与差动放大电路放大的温度电压信号相比较的电压信号，从而改变滞回电路输入的差模信号。

如图2.1.2所示，该电路主要是通过电阻进行分压调节。

为了可以进行多档位调节，我们选择了拨码开关S1，S2，S3，S4当作开关来使用，进行电阻变换。

即从左向右依次对应25℃—30℃,30℃—35℃,35℃—40℃,40℃—45℃,45℃—50℃,50℃—55℃,55℃—60℃,60℃—65℃,65℃—70℃,70℃—75℃,75℃—80℃,共11个档位。

调节电位器RW4即可在该档位内进行调节。

滞回比较器的设计

图2.4滞回比较器电路

差动放大器的输出电压UO1输入由A2组成的滞回比较器。

设比较器输出高电平为

，输出低电平为

，参考电压UR加在反相输入端。

当输出为高电平

时，运算放大器同相输入端电位

当

减小到使

时，即

此后，只要

稍有减小，输出就从高电平跳变为低电平。

当输出为低电平

时，运算放大器同相输入端电位

当

增大到使

时，即

此后，只要

稍有增加，输出就从低电平跳变为高电平。

因此，

和

为输出电平跳变时对应的输入电平，常称

为下门限电平，

为上门限电平，而两者的差值为

。

称为门限宽度，其大小可通过调节

的比值来调节。

调节RW4可改变参考电平，也同时调节了上下门限电平，从而达到设定温度的目的。

三极管及外围控制电路的设计

图2.5三极管及外围控制电路的设计电路

差动放大器输出电压UO1经分压后A2组成的滞回比较器，与反相输入端的参考电压UR相比较。

当同相输入端的电压信号大于反相输入端的电压时，A2输出正饱和电压，三极管Q1饱和导通，三极管Q2反相截止；当同相输入端的电压信号小于反相输入端的电压时，A2输出负饱和电压，三极管Q2饱和导通，三极管Q1反相截止。

通过发光二极管LED1和LED2的发光情况，可见负载的工作状态为加热或制冷。

当同相输入信号等于或接近于反相输入端电压时，三极管Q1和Q2都截止，LED1和LED2都熄灭，负载的工作状态为停止。

±12V直流稳压电源的设计

集成稳压电源电路是由电源变压器、整流电路、滤波电路和三端稳压器等组成的。

该电路具有性能稳定、结构简单等优点。

电源变压器是将电网220V的交流电压变为所需的电压值送入整流电路；整流电路是将交流电压变成脉动的直流电压；滤波电路是把脉动的直流电压的文波加以滤掉，得到平滑的直流电压；三段稳压器的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。

三端稳压器常见的产品有CW78××，CW79××（国产），LM78××，LM79××（美国），78××系列稳压器输出固定的正电压，79××系列稳压器输出的为负电压。

图2.6±12V直流稳压电源电路

图中元件选择：

T1为次级双路12V变压器，它将交流电从220V下降到几伏或几十伏。

F1、F2、为保险管，用来保护电路中各个器件不因线路接错或器件接错而导致电流过大而被烧坏。

整流二极管D1、D2、D3、D4采用IN4007，C1，C2滤波电容选取大小220μF的电解电容，C5、C6为缓冲负载突变，选取大小为470μF的电解电容，C3、C4、C5、C6的作用为消除三端稳压器可能发生的自激，应选无极性的金属膜或涤纶电容，一般取大小为0.1μF的电容。

对于三端固定式集成稳压器U1、U2选用LM7812，LM7912，可得到±12V的直流电压，这样就得到了（＋12V,1A）、（－12V,1A）两组电源。

第3章电子温度控制器的整体电路设计

整体电路图及原理图

电路参数计算

测温电桥部分，当Rt滑到最上端，即热敏电阻在室温环境时，差模电压最小值

当Rt滑到最下端，即热敏电阻在高温环境时，差模电压最大值

集成运算放大器的电源电压为±12V，所以差动放大电路放大的电压应该在-12V到+12V之间。

假设放大的最大电压为12V，则最大放大倍数

因此我们选择放大倍数为100倍，即

因此我们选择100kΩ电位器，910kΩ和10kΩ电阻。

对于多级调温电路电阻阻值的计算，可以先设同一档位的电阻分别为xkΩ,ykΩ，中间电位器RW4的电阻选择为1kΩ时，则可以得到下面的方程：

通过该方程组就可以得到多级调温电阻阻值，具体阻值如表3.2所示。

表3.2多级调温电阻阻值

位置

阻值/KΩ

4.32

4.53

3.32

2.74

2.15

1.3

1.87

2.49

1.43

位置

阻值/KΩ

0.866

1.37

2.5

2.74

3.01

3.9

4.32

7.15

4.64

整机电路性能仿真验证

假设需要控制温度在53℃，则需要将拨码开关从左向右第6个开关闭合，电路就接入了电阻Re和Rp，调节RW4使温度控制在53℃左右。

调节电位器Rt使它在1KΩ，即热敏电阻在温度为25℃的环境中，用电压表测量电压Uo1，得到电压如图3.3（a）所示，并且LED1亮,LED2灭；调节电位器Rt使它在0.25KΩ，即热敏电阻在温度为65℃的环境中，用电压表测量电压Uo1，得到电压如图3.3（b）所示，并且LED1灭,LED2亮。

图3.3（a）25℃环境电路电压UO1

图3.3（b）65℃环境电路电压UO1

第4章课程设计总结

本设计采用开始三种方案,后经实验对比不断改进电路使没有必要的步骤尽量省略。

经过不断的仿真和改进，其中有测温电桥的电路设计，差动放大的电路设计，多级调温的电路设计，三极管及外围控制电路的设计，集成稳压电源的电路设计,此电路是由电源变压器、整流电路、滤波电路和三端稳压器等组成的。

该系统是通过热敏电阻或者铂金电阻将温度信号进行采集，然后将温度的电压信号进行差动放大，再经过滞回比较器进行比较，其次再利用滞回比较器产生的信号控制三极管的导通与截止，最后通过三极管的导通与截止控制继电器或者外围加热或降温措施。

而比较的参考电压是通过多档位电阻分压。

用multisim12.0完成原理图的绘制，仿真结果达到预期要求。

实现了对温度的精确控制，并且制造成本低，电路相对简单，具有一定的实际意义和价值，利于广泛应用。

参考文献

[1]张国雄编著《测控电路》（第四版）机械工业出版社2013.1

[2]周惠潮编著《常用电子元件及典型应用》电子工业出版社2005

[3]纽曼编著《电子电路设计与分析:

模拟电子技术》清华大学出版社2009.1

[4]陈立万等编著《模拟电子技术基础及课程设计》西南交通大学出版社2008.2

[5]胡圣尧等编著《模拟电路应用设计》科学出版社2009.8

[6]稻叶保编著《模拟技术应用技巧101例》科学出版社2006.1

[7]王连英编著《基于Multisim10的电子仿真与实验设计》北京邮电大学出版社2009.8

[8]聂典等编著《Multisim10原理仿真与PowerPCB5.0.1印制电路板设计》

电子工业出版社2009

[9]张铁柱，张洪信，内燃机冷却风扇温度控制液压驱动系统技术研究，2002,20（3）

[10]张菁，单片机温度控制系统方案的研究，2007,41

（1）

[11]金燕华，秦开宇，白泰礼，在模式识别下的萃取液温度控制方法研究，2009,38（3）

附录Ⅰ电子温度控制器电路图

附录Ⅱ：

器件清单

元件序号

元件名称

器件名称

型号/标称值

备注

热敏电阻

MF58

1kΩ

电阻

100KΩ

1/8W

电阻

20KΩ

1/8W

电阻

220Ω

1/8W

R4,R5,R8

电阻

10KΩ

1/8W

R6,R9

电阻

1MΩ

1/8W

电阻

910kΩ

1/8W

R11,R12

电阻

1KΩ

1/8W

R10

电阻

2MΩ

1/8W

电阻

866Ω

1/8W

电阻

1.37KΩ

1/8W

电阻

2.5KΩ

1/8W

电阻

2.74KΩ

1/8W

电阻

3.01KΩ

1/8W

电阻

3.9KΩ

1/8W

电阻

4.32KΩ

1/8W

电阻

7.15KΩ

1/8W

电阻

4.64KΩ

1/8W

电阻

4KΩ

1/8W

电阻

5KΩ

1/8W

电阻

4.32KΩ

1/8W

电阻

4.53KΩ

1/8W

电阻

3.32KΩ

1/8W

电阻

2.74KΩ

1/8W

电阻

2.15KΩ

1/8W

电阻

1.3KΩ

1/8W

电阻

1.87KΩ

1/8W

电阻

2.49KΩ

1/8W

电阻

1.43KΩ

1/8W

电阻

1KΩ

1/8W

RW1

电位器

10kΩ

1/8W

RW2,RW3

电位器

100kΩ

1/8W

RW4

电位器

1kΩ

1/8W

稳压二极管

1N4735A

12V

A1,A2

运算放大器

三极管

2N2712

三极管

2N3702

LED1

发光二极管

φ5

绿色

LED2

发光二极管

φ5

黄色

K1,K2

电磁继电器

12V1A

变压器

（12V0V12V）

F1,F2

保险管

D1,D2,D3,D4

二极管

1N4007

C1,C2

电解电容

220

C7,C8

电解电容

470

C3,C4,C5,C6

瓷片电容

100nF

三端稳压器

LM7812CT

三端稳压器

LM7912CT

S1,S2

拨码开关

五位

S3,S4

拨码开关

六位

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