溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)書

1、<p>　　溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)書</p><p><b>　　設(shè)計(jì)思想及方案</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用溫度傳感器收集當(dāng)前密室的溫度，然后經(jīng)過各部分電路處理，與所要控制的電路進(jìn)行比較。電路根據(jù)比較的結(jié)果決定是否對(duì)密室空氣進(jìn)行降溫，如果需要制冷會(huì)自動(dòng)開啟半

2、導(dǎo)體制冷片。當(dāng)溫度低于所控制的溫度后，控制部分要斷開制冷電路。在不制冷的情況下，密室會(huì)自動(dòng)升溫，當(dāng)溫度上升到控制溫度以下的時(shí)候電路就會(huì)依照以前的步驟重新來一遍，然后對(duì)密室進(jìn)行降溫，然后循環(huán)往復(fù)執(zhí)行這樣一個(gè)周期性的動(dòng)作，從而達(dá)到把溫度控制在一定范圍內(nèi)的目的。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)方案的選擇</b></p><p><b>　　可行方案</b&

3、gt;</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　　通過集成運(yùn)放構(gòu)成的比例器，把溫度傳感器獲得的信號(hào)放大，再將信號(hào)傳輸給功放，帶動(dòng)半導(dǎo)體制冷片工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。測(cè)溫部分通過測(cè)溫度傳感器輸出端與基準(zhǔn)端的電壓，在轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值。其中，基準(zhǔn)端的電壓有事先調(diào)試好。</p><p&g

4、t;<b>　　方案二：</b></p><p>　　利用集成運(yùn)放在非線性工作區(qū)（即飽和區(qū)）的輸出端電壓為正負(fù)電源電壓的特性，構(gòu)造溫度比較器，將溫度信號(hào)離散成為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷，低電平時(shí)加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。其中功放采用乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。測(cè)溫部分方案同方案一。</p><p><b>　　方案三：</b></

5、p><p>　　用溫度傳感器將采集到的溫度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過集成運(yùn)放構(gòu)成放大器，將微弱的電壓信號(hào)放大成所需要的電壓信號(hào)，再通過電壓比較器將溫度信號(hào)離散成為高電平和低電平，高電平時(shí)制冷，低電平時(shí)加熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，并用LED指示燈指示半導(dǎo)體的工作狀態(tài)。</p><p><b>　　方案的討論與選擇</b></p><p>　　三個(gè)方案理論上

6、均為可行的，但各有缺點(diǎn)：</p><p>　　方案一反應(yīng)慢，且到了與設(shè)定溫度相近時(shí)，靈敏度非常差；</p><p>　　方案二將溫度離散成高電平與低電平，通過功放，進(jìn)行對(duì)溫度的控制，但半導(dǎo)體制冷器一直處于大功率工作狀態(tài)，耗能較多，且加熱和制冷器始終在工作，造成資源浪費(fèi)，電路相對(duì)來說也很復(fù)雜。</p><p>　　方案三可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量與控制，雖然使用的電子

7、元件較多，電路也相對(duì)復(fù)雜，但是控制電路更加準(zhǔn)確迅速，所以這個(gè)方案較好。</p><p>　　綜合以上討論，我選擇了方案三作為設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　設(shè)計(jì)流程及相關(guān)器件的選擇</p><p><b>　　設(shè)計(jì)流程</b></p><p>　　圖2.1 整體流程圖</p><p>　　相關(guān)器材

8、選擇 </p><p><b>　　溫度傳感器的選擇</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以測(cè)量并控制0到室溫的溫度，精度要達(dá)到±1℃。也就是說基本要求為傳感器可以測(cè)量0到室溫的溫度，并且具有很好的穩(wěn)定性。再結(jié)合性能以及價(jià)格方面的原因，選擇了集成溫度傳感器LM35。</p><p>　　LM35溫度傳感器在-55～1

9、50攝氏度以內(nèi)是非常穩(wěn)定的。當(dāng)它的工作電壓在4到20v之間是可以在每攝氏度變化的時(shí)候輸出變化10mv。它的線性度也可以在高溫的時(shí)候保持得非常好。因此LM35完全符合設(shè)計(jì)要求。</p><p><b>　　繼電器的選擇</b></p><p>　　繼電器是控制制冷的關(guān)鍵所在，故而繼電器的選擇很重要。因?yàn)槭褂玫碾娫词钦?fù)15V的電壓，所以繼電器的開啟電壓應(yīng)適當(dāng)接近15V，

10、考慮到實(shí)際中電壓跟隨器的電壓損耗，繼電器開啟電壓選擇12V較為合適。而輸出部分是帶動(dòng)半導(dǎo)體制冷器，半導(dǎo)體制冷器的工作電流為2A，故繼電器的承受電流應(yīng)大于2A，選用3A的比較合適。</p><p><b>　　運(yùn)算放大器的選擇</b></p><p>　　因?yàn)榇舜蔚脑O(shè)計(jì)使用的運(yùn)放只需要完成基本的功能，所以只需要其具有良好的虛短虛斷特性，使其作為電壓比較器輸出的電壓接近電

11、源電壓，故通用型的運(yùn)算放大器就可以滿足要求。因此選用通用型運(yùn)放UA741。</p><p><b>　　單元電路的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　單元電路的選擇</b></p><p><b>　　測(cè)溫電路</b></p><p>　　圖3.1.1 測(cè)溫電路</

12、p><p>　　溫度傳感器LM35三個(gè)引腳分別接正電源，地及信號(hào)輸入端，如上圖所示。其中1腳的電位根據(jù)環(huán)境溫度而變化。具體是環(huán)境溫度每改變1℃，其電壓變化10mV。 </p><p><b>　　信號(hào)處理電路</b></p><p>　　LM35輸出的電壓為每℃改變10mV，這個(gè)電壓太小，很難檢測(cè)到，所以必須經(jīng)過一定的處理方

13、可成為測(cè)量及控制電路所用的信號(hào)。處理方法也就是將其無損地放大一定倍數(shù)。</p><p>　　由于當(dāng)溫度與電壓的關(guān)系為V=10t，單位為mV。所以通過下面的計(jì)算</p><p>　　得 </p><p>　　即0< Av < 40</p><p>　　考慮到計(jì)算的方便及測(cè)量輸出，放大倍數(shù)設(shè)置為20倍為宜<

14、/p><p>　　圖3.1.2 信號(hào)處理電路</p><p><b>　　電壓比較電路</b></p><p>　　知道了所輸出的電壓的大小，然后與所給的電壓進(jìn)行比較，從而知道電壓是偏高還是偏低，即溫度是偏高還是偏低。當(dāng)控制溫度為30度時(shí)，</p><p>　　V=300mv*20=6V,</p><p

15、>　　所以，比較電壓就選擇-6V。當(dāng)輸入電壓大于6V時(shí)，電壓比較器輸出+15V，當(dāng)輸入小于6V時(shí)，電壓比較器輸出-15V。</p><p>　　圖3.1.3 電壓比較電路</p><p>　　電壓跟隨器與控制電路</p><p>　　電壓比較器輸出兩種電壓——高電平與低電平，以此控制繼電器，因?yàn)槔^電器開啟電壓沒有正負(fù)之分，所以要加一個(gè)二極管控制電壓方向。考慮

16、到LED燈的承受能力，需要串聯(lián)一個(gè)保護(hù)電阻，10K即可。為了防止前后電路互相影響，因此在兩者之間加上一個(gè)電壓跟隨器，以隔離前后電路。 </p><p>　　圖3.1.4 電壓跟隨器及繼電器</p><p>　?。▓D中1k電阻代替繼電器）</p><p>　　繼電器內(nèi)部是一個(gè)磁線圈，在斷電的時(shí)候會(huì)有很大的電流，為了保護(hù)電路需要在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，以使繼電器斷

17、電后它的保留電流可以在二極管和電阻中快速消完。</p><p><b>　　電路仿真</b></p><p><b>　　信號(hào)放大電路仿真</b></p><p>　　圖4.1.1 輸入為0.1V時(shí)</p><p>　　圖4.1.2 輸入為0.3V時(shí)</p><p>　　

18、從圖中易看出：當(dāng)輸入為0.1V時(shí)，輸出為1.98V；</p><p>　　當(dāng)輸入為0.3V時(shí)，輸出為5.98V，</p><p>　　放大倍數(shù)約為20倍。</p><p><b>　　比較電路的仿真</b></p><p>　　圖4.2.1 輸入電壓為3V</p><p><b>　　.

19、.</b></p><p>　　圖4.2.2 輸入電壓為8V</p><p>　　當(dāng)比較器的輸入電壓為3V時(shí)，輸出低電平；</p><p>　　當(dāng)比較器的輸入電壓為8V時(shí)，輸出高電平，</p><p>　　故比較器可以實(shí)現(xiàn)將電壓信號(hào)離散成高低電平的功能。</p><p>　　若需要調(diào)節(jié)輸出大小，只需改變運(yùn)放

20、電源大小即可。</p><p><b>　　整體電路仿真</b></p><p>　　圖4.3.1 源輸入0.2V</p><p>　　輸入電壓為0.2V時(shí)，表示容器溫度為20°，低于30°，此時(shí)繼電器要關(guān)閉，制冷不工作，并且LED1不發(fā)光。由仿真圖4.3.1可看出LED1并沒有發(fā)光，符合預(yù)期結(jié)果</p>&l

21、t;p>　　圖4.3.2 源輸入為0.5V</p><p>　　輸入為0.5V，表示容器溫度為50度，高于30度，此時(shí)繼電器要打開，制冷器通電，同時(shí)LED1亮起表示制冷器正在工作。由仿真圖4.3.2可看出LED1確實(shí)發(fā)光了，故此時(shí)TEC在制冷，符合預(yù)期結(jié)果。</p><p>　　整體電路圖及元件清單</p><p><b>　　整體電路圖</b

22、></p><p>　　圖5.1 整體電路圖 </p><p><b>　　元件清單</b></p><p><b>　　表5.2 元件清單</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)小結(jié)</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)感悟及實(shí)物

23、圖</b></p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用有了更加深刻的理解，加強(qiáng)了實(shí)際操作能力，對(duì)課本及以前學(xué)過的電路知識(shí)有了一個(gè)更好的總結(jié)。當(dāng)在電路的連接時(shí)出現(xiàn)了問題，需要不斷的排查，而調(diào)試時(shí)也需要調(diào)出各種需要的電源，測(cè)量各種電壓電流量，所以這兩周來的努力讓我的動(dòng)手能力更上了一層樓。</p><p>　　通過這次設(shè)計(jì)，我接觸到了各種電路模擬的電腦軟件，知

24、道了有些東西不必實(shí)際去焊，去做，就可以知道具體的結(jié)果。在以后的學(xué)習(xí)工作中，使用這些仿真軟件將極大的幫助我完成各項(xiàng)任務(wù)。</p><p>　　圖6.1.1 裝配圖</p><p>　　圖6.1.2 接線圖 </p><p><b>　　設(shè)計(jì)特點(diǎn)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用的是價(jià)格便宜且又有較好的線性度的溫度

25、傳感器LM35，并采用運(yùn)算放大器幾乎無損放大，非常準(zhǔn)群反映了所測(cè)量的溫度。另外由于比較器比較好的開關(guān)特性。</p><p><b>　　存在的問題及改進(jìn)</b></p><p>　　溫度的調(diào)控能力和傳感器的反應(yīng)速度有非常大的關(guān)系。如果溫度傳感器對(duì)溫度的敏感速度非常低，控制器就無法及時(shí)得在欲控制溫度處停止降溫，這樣就起不到控制溫度的目的了。LM35的反應(yīng)速度也不是非?？?/p>

26、，當(dāng)我進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，溫度滯后可以達(dá)到3到4度。于是我使其貼附在散熱片上，這樣它對(duì)溫度的反應(yīng)速度才提高到控制精度為1度以內(nèi)。</p><p>　　然而，如果控制的密室溫度上升速度再快點(diǎn)，或者密室再大點(diǎn)，控制的精度就又會(huì)降下來的。因此，在溫度傳感器方面必須進(jìn)行改進(jìn)。我的改進(jìn)意見是加大傳感器的表面積，或者是跟換效果更好的傳感器，這樣就會(huì)在更苛刻的條件下也可以有較大的精度了</p><p>&l

27、t;b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]吳友宇.《 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》. 武漢：清華大學(xué)出版社，2009.</p><p>　　[2]康華光．《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》．武漢：高等教育出版社，2005.7．</p><p>　　[3]舒慶瑩，凌玲．《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.2． </p>

28、<p>　　[4]徐國(guó)華. 《電子技能實(shí)訓(xùn)教程》. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社，2006.</p><p>　　[5]謝自美. 《電子線路設(shè)計(jì)》. 第三版. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社，2006.</p><p>　　[6]萬嘉若，林康運(yùn). 《電子線路基礎(chǔ)》. 上海: 高等教育出版社，2006.</p><p>　　[7]梁宗善?！缎滦图呻娐返膽?yīng)用―