温度控制系统项目设计方案

温度控制系统项目设温度控制系统项目设 计方案计方案 1 EWB 简介 EWB 软件，全称为 ELECTRONICS WORKBENCH EDA，是交互图像技术在九十年 代初推出的 EDA 软件， 用于模拟电路和数字电路的混合仿真，利用它可以直接从 屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB 是一款小巧，但是仿真功能十分强大的软 件。 相对其它 EDA 软件而言，它是个较小巧的软件，只有 16M，功能也比较单一， 就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能 十分强大，可以几乎 100%地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万 用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换 器等工具， 它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字 门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿 真软件中，EWB 是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都 在同一个窗口， 未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子 设计工作者来说，它是个极好的 EDA 工具， 许多电路你无需动用烙铁就可得知它 的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以 作为电学知识的辅助教学软件使用。 图 1-1 EWB 启动页面 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、设计任务一、设计任务 利用温度传感器件、集成运算放大器和 Tec(Thermoelectric Cooler，即半 导体致冷器)等设计一个温度控制器。 二、要求二、要求 （1）控制密闭容器空气温度 （2）容器容积5cm*5cm*5cm （3）测温和控温围： 0℃~室温 （4）控温精度±1℃ 三、发挥部分三、发挥部分 （1）测温和控温围： 0℃~（室温+30℃） 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围的目的。 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： 用温度传感器将采集到的温度转换成电压信号，通过集成运放构成放大器， 将微弱的电压信号放大成所需要的电压信号， 再通过电压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， 并用 LED 指示灯指示半导体的工作状态。 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 选定温度传感器的论证 根据设计要求，可以测量并控制 0 到室温的温度，精度要达到±1℃。也就 是说基本要求为传感器可以测量 0 到室温的温度， 并且具有很好的稳定性。再结 合性能以及价格方面的原因，选择了集成温度传感器 LM35。 LM35 温度传感器在-55～150 摄氏度以是非常稳定的。当它的工作电压在 4 到 20v 之间是可以在每摄氏度变化的时候输出变化 10mv。它的线性度也可以在 高温的时候保持得非常好。因此 LM35 完全符合设计要求。 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 整体电路的工作原理 电路设计的总体思想是测温——比较——控温如图 3.1 所示 图 3.1 电路设计的整体框图 4 单元电路的设计计算、元器件选择及电路图 4.1 测温单元 图 4.1.1 测温单元电路图 温度传感器需要放入水中，所以应该在电路中引出一个出口来接温度传感 器。LM35 有三个引脚，其中0 接正电源，2 接地，这样在1 脚就会输出随温度而 现行变化的电压。具体是每变化 1 摄氏度，输出电压变化 10mV。信号采集单元 电路如图 4.1.1 所示。 4.2 信号处理单元 LM35 输出端的电压因温度改变 1 摄氏度而改变 10mv，很难检测。所以必须 经过一定的处理方可成为测量以及控制部分所使用的信号。 处理方法也就是将它 无损的放大一定的倍数。 因控制或测量温度在 30 摄氏度的时候，LM35 输出电压为 300mv。温度 在 0 摄氏度的时候输出为 0mv。经下面计算： V max×Av 12V V min×Av  0V 0V  AV 12V V max 得 即 0 Av 40 考虑计算的方便，以及最后输出测量的方便，放大倍数为 20 为宜。 电路如图 4.2.1 图 4.2.1 信号处理单元电路 4.3 温度比较单元 知道了所输出的电压的大小， 然后与所给的电压进行比较，从而知道电压是 偏高还是偏低，即温度是偏高还是偏低。当控制温度为 30 度时， V=300mv*20=6V, 所以，比较电压就选择 6V。 图 4.3.1 比较单元电路图 4.4 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