温度控制器课程设计.docx
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温度控制器课程设计
郑州科技学院
《模拟电子技术》课程设计
题目温度控制器
学生姓名
专业班级
学号
院（系）信息工程学院
指导教师
完成时间2015年12月31日
郑州科技学院
模拟电子技术课程设计任务书
专业14级通信工程班级2班学号姓名
一、设计题目温度控制器
二、设计任务与要求
1、当温度低于设定温度时，两个加热丝同时通电加热，指示灯发光；
2、当水温高于设定温度时，两根加热丝都不通电，指示灯熄灭；
3、根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，并写出详细的设计过程；
4、利用Multisim软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清单；
5、安装调试并按规定格式写出课程设计报告书.
三、参考文献
[1]吴友宇.模拟电子技术基础[M].清华大学出版社,2009.52~55.
[2]孙梅生.电子技术基础课程设计[M].高等教育出版社,2005.25~28.
[3]徐国华.电子技能实训教程[M].北京航空航天大学出版社,2006.13~15.
[4]陈杰,黄鸿.传感器与检测技术[M].北京:
高等教育出版社,2008.22~25.
[5]翟玉文等.电子设计与实践[M].北京:
北京中国电力出版社,2005.11~13.
[6]万嘉若,林康运.电子线路基础[M].高等教育出版社,2006.27~29.
四、设计时间
2015年12月21日至2015年12月31日
指导教师签名：
年月日
摘要
本设计是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、使用寿命长、具有一定的实用性等优点的温度控制电路。
本文设计了一种温度控制器电路，该系统采用模拟技术进行温度的采集与控制。
主要由电源模块，温度采集模块，继电器模块组成。
现代社会科学技术的发展可以说是突飞猛进，很多传统的东西都被成本更低、功能更多、使用更方便的电子产品所替代，本课程设计是一个以温度传感器采用LM35的环境温度简易测控系统，用于替代传统的低精度、不易读数的温度计。
但系统预留了足够的扩展空间，并提供了简单的扩展方式供参考，实际使用中可根据需要改成多路转换，既可以增加湿度等测控对象，也能减少外界因素对系统的干扰。
首先温度传感器把温度信号转换为电流信号，通过放大器变成电压信号，然后送入两个反向输入的运算放大器组成的比较器电路，让电位器来改变温度范围的取值，最后信号送入比较器电路，通过比较来判断控制电路是否需要工作。
此方案是采用传统的模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定是否加热。
关键词：
温度传感器比较器继电器
1课程设计的目的
模拟电路课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过课程设计，要求达到以下目的。
（1）通过温度控制器的设计，使我们能够巩固和加深对模拟电子电路基本知识的理解，了解日常电子产品的设计与应用；
（2）培养学生根据课题需要选学参考书籍，查阅手册，图表和文献资料的自学能力。
通过独立思考，深入研究有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。
（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。
（4）了解与课题有关的电子电路及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。
2课程设计的任务与要求
任务：
设计一个温度控制器
要求：
1.设计制作可以测量和控制温度的温度控制器测量和控制温度范围：
5～80℃，控制精度：
±1℃，控制对象：
双向晶闸管或继电器，晶闸管或继电器触点连接：
一组转换接点（市电220V/50Hz/2A）。
2.选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
3.安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
3方案论证
3.1方案比较
方案一
本系统的设计可以用于热水器温度控制系统和饮水机等各种电器电路中。
它以单片机AT89S52为核心，通过3个数码管显示温度和4个按键实现人机对话，使用单总线温度转换芯片DS18B20实时采集温度并通过数码管显示，并提供各种运行指示灯用来指示系统现在所处状态，如：
温度设置、加热、停止加热等，整个系统通过四个按键来设置加热温度和控制运行模式。
图3-1单片机AT89S52控制的温度控制器原理框图
方案二
整体电路图如图，按照设计图，可以分为四个部分。
温度转换单元是将0-100摄氏度的水温变化通过传感器（用直流信号源代替）转换成0-5V的电压信号变化。
恒压设计单元是通过直流源、电位器输出恒定电压4V（对应控制水温为80摄氏度）。
信号处理单元是用电压比较器比较恒温设计单元和温度转换单元的电压信号大小，从而控制是否进行加热。
温度控制单元是通过分析电压比较器输出的电压信号正负，从而选择导通的支路，当水温为0-80摄氏度之间时，加热支路会导通，加热指示绿灯会亮，进行加热。
当水温为80-100摄氏度之间时，报警支路会导通，报警红灯会亮，并且蜂鸣器会发出报警的声音。
图3-2直流信号控制的温度控制器原理图
方案三
本设计以89C52单片机为核心，采用了温度传感器AD590，A/D采样芯片ADC0804，可控硅MOC3041及PID算法对温度进行控制。
该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。
本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及多机通讯接口，系统由前向通道模块（即温度采样模块）、后向控制模块、系统主模块及键盘显示摸块等四大模块组成。
图3-3A/D芯片控制的温度控制器原理图
此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机89C52。
单片机89C52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。
因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。
3.2方案论证
以上三种方案都能达到设计目的。
采用单片机来设计电路，编程能实现温度控制，易于实现温度的显示，并能达到较高的控制精度，而且用单片机实现温度控制灵敏度更高。
但是单片机编程比较复杂。
采用模拟电路来设计，虽然系统所得结果的精度不高，很难实现温度的显示，系统精度受外界温度变化而变化，但是电路简单易懂，很适合。
采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制，对于纯粹的温度控制，这是足够的。
但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。
同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐。
比较以上三个方案可知，采用单片机来实现本题目，不管是从结构上，还是从工作量上都占有很大的优势，但是对于我们来说过于复杂，综合上述方案的优缺点，选择本次方案来实现温度控制电路的设计。
本次方案用LM35温度传感器、放大电路、指示器、比较器、发热元件、控制温度设置等元器件组成的单电源温度控制检测电路。
它由温度检测电路、比较电路、电阻丝开关电路，显示电路和电源电路5部分组成。
图3-4方案论证原理框图
4设计的原理及功能说明
4.1工作原理
温度控制器原理如图所示，本电路由温度传感器、放大电路、指示器、比较器、发热元件、控制温度设置等部分组成。
温度传感器的作用是把温度信号转化为电压信号输出，经放大电路放大，送往电压表构成的指示器进行温度指示。
同时，由温度传感器输出的电压信号送往比较器，与设置的温度进行比较，控制发热元件的工作，从而控制温度，使其保持在某一范围。
图4-1温度控制器组成原理框图
温度传感器简介:
LM35是一种得到广泛使用的温度传感器。
由于它采用内部补偿，所以输出可以从0℃开始。
LM35有多种不同封装型式。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理即可达到±1/4℃的准确率。
其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其引脚如图一所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静止电流-温度关系，在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50μA，工作电压较宽，可在4-20V的供电电压范围内正常工作非常省电。
工作电压4-30V，在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA），所以芯片自身几乎没有散热的问题。
这么小的电流也使得该芯片在某些应用中特别适合，比如在电池供电的场合中，输出可以由第三个引脚取出，根本无需校准。
集成运放LM393
输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。
4.2工作框架
4.2.1放大电路
由于LM35输出的电压信号较小，须经运算放大器放大后才能推动电压表进行温度指示。
如图所示，0~100℃相应输出电压为0~10V。
由于LM35输出的电压信号较小，须经运算放大器放大后才能推动电压表进行温度指示。
图4-3放大电路图
4.2.2电压比较器电路
图4-4，U3为控制温度设定电压（对应控制温度），R2用于改善比较器的迟滞特性，决定控温精度。
图4-4电压比较器电路图
4.2.3温度控制电路
如图所示为采用LM35（LM35用50Ω电位器替代）构成的温控度制电路。
电路中的R9用于设定基准电压Ur，而Ux为传感器LM检测温度后对应的输出电压。
当加热元件10AMP加热时，温度升高，经过一定时间，当超过予先设定值（100摄氏度），即Ux>Ur时，则A输出高电平，Q1截止，功率晶体管Q2也截止，10AMP停止加热，温度慢慢下降；当降到低于予先设定值时，即Ux周而复始，使温度保持恒定值，从而达到控制温度的目的。
发光二极管LED用于显示10AMP的加热情况，加热时，LED发光；恒温时，LED
熄灭。
图4-5温度控制电路图
4.3工作流程
启动加热电路，对温度进行设定范围，显示预置温度,温度设定后就可以按启动键来启动系统工作了。
温度检测系统不断检测当前温度，并送往显示器显示，达到预置温度后停止加热并报警；当温度下降到下限（比预置温度低2℃）时再启动加热。
这样不断重复上述过程，使温度保持在预定温度范围之内。
按复位键可以随时重新设定预置温度。
5仿真结果
用multisim仿真软件对电路元件进行搭接，当加热丝温度低于设定值，加热丝加热，小灯泡发光，如图5-1；当加热丝达到表示设定值，加热丝停止加热，小灯泡熄灭，如图5-2。
图5-1加热丝加热电路原理图
图5-2加热丝停止加热电路原理图
6硬件的调试与制作
根据电路图将电子元件进行电路焊接，首先把电子元件按照原理图对应的位置摆放，分清元件的极性进行焊接。
焊接中，LM35温度传感器由50欧姆滑动变阻器替代，集成运放LM393由LM358替代，22K的电阻由一个20K和一个2K电阻替代,1K的电阻由两个500欧姆的替代，220K的电阻由两个100K和一个20K的替代，8.2K的电阻由两个4K的替代，680欧姆的由一个510欧姆和一个100欧姆的替代。
将焊接完的电路接入电源，调节滑动变阻器，观察指示灯，同时用万能表测量加热丝两端电压。
滑动变阻器调小，指示灯熄灭，加热丝两端电压变小，滑动变阻器增大，指示灯发光，加热丝两端电压变大。
7总结
通过这次课程设计，我完成了对温度控制器中的各个元器件的较深入的理解、知晓了温度控制器的工作原理，以及进行了对该电路的仿真调试。
设计考查了我们的设计电路，从中我学到了很多东西，但也发现了许多不足之处，就知识方面来讲，我明显的对以前学过的模拟电子技术基础教材中的集成运算放大器的应用、电机与电气的控制教材中的继电器方面的知识以及传感器方面的知识的掌握非常欠缺，因此在设计上的电路中运用就不是想象那样理想，我的仿真出现了很多问题，但在电压测试过程中，测的电压和计算的电压不一致，我请教了相关老师和同学，最后传感器应该用电位器代替，除了这些问题之外，我还遇到了一些问题，但我都一一地解决了，同时我也掌握了更多的知识。
本设计结构简单，设计中用到了LM35和LM393集成块，主要运用了模拟电子技术基础中的放大器和比较器的知识，它们的耗材小，省电，安全，基本都能达到预想的目标。
这个电路也存在改进的地方，调试的范围比较小，还有在设定温度时需要用万用表测量电压，如果有数码管的话就可以直接显示所调电压（即温度）的值，那样的话会更方便。
在此要感老师对我悉心的指导，感谢母校给我这样的机会锻炼。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
经过这次的课程设计，我学到了遇到困难不能逃避，不能浮躁，要用心，静心，耐心，细心和虚心的做事，坚持下去，总能看到成功的曙光。
参考文献
[1]吴友宇.模拟电子技术基础.北京:
清华大学出版社[M].清华大学出版社.2009年05月239~241.
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[5]吴慎山.电子线路设计与实践——高等学校电子信息类教材[J].电子工业出版社.2005年09月195~197.
[6]黄锦安,付文红,蔡小玲编-电路与模拟电子技术[M].高等教育出版社.1997.2007,10278~280.
附录1：
电路原理图
附录2：
实物图
附录3：
元器件清单
元件编号
名称
型号规格
数量
A1
电位器
500Ω
1
A2
电位器
50Ω
1
C1
电容
0.1uF
1
C2
电容
10uF
1
LM
集成运放
LM393
1
Q1
三极管
9012
1
Q2
三极管
9013
1
D
稳压二极管
6V
1
R1
电阻
220k
1
R2
电阻
22kΩ
1
R3
电阻
8.2kΩ
1
R4
电阻
3.3kΩ
1
R5
电阻
2.2kΩ
1
R6
电阻
1kΩ
1
R7
电阻
680Ω
1
加热丝
1
导线
若干
LED灯
红
1
升级会员 