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1、摘 要 本设计主要以模拟器件为核心器件设计并制作了测温和控温电路。该电路能够实现对某些特定环境下的温度进行测量和控制，如,精密的仪器仪表室,在不同的季节,室内的温度要能控制在一定的范围内,本设计就能实现温度的测量和控制,设计中利用传感器将温度信号转化为电压信号,即测量的温度能够通过电压表头来指示，同时还可以通过设置温度控制器，对温度进行人为可调节并能自动地控制在所调节的温度上,在设计过程中，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计到装配、调试、试验、检测、应用以及注意事项等进行了细致的介绍。关键词： 温度测量；温度控制目 录摘 要I目 录II第一章 绪论11.1课题研究的背景11.2主要研究的内
2、容1第二章 系统总体的设计22.1系统实现功能及技术指标22.2系统实现原理框图2第三章 系统硬件电路的设计43.1温度检测与控制电路设计43.1.1温度检测电路的分析与设计43.1.2放大器电路的设计73.1.3比较和调节电路的设计83.2电源电路的设计8第四章 系统电路的调试104.1电源电路的调试104.2恒流源电路的调试104.3放大器电路的调试104.4控制电路的调试104.5不具备0定标环境下的调试方法10第五章 总结与展望12致 谢14参考文献15附录1 温度控制器原理图16附录2 材料清单17第一章 绪论1.1课题研究的背景温度的检测与控制在实际应用中比较广泛，如,精密的仪器仪
3、表室,在不同的季节,室内的温度要能控制在一定的范围内,温度参数作为一个重要的执行参量,其精确度和准确度关系着仪器仪表的测量精度。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式,控制方式都不同，一般用晶体管制作而成的电路，存在测量误差大，且电路比较复杂。1.2主要研究的内容本文是用集成运放来实现温度的检测与控制电路，则可以克服此类问题。该电路能够实现对室内温度的测量、自动控制加热、并人为可调节温度。测量范围为：01002。且有一温度传感器置于室内本设计主要以模拟器件为核心器件设计并制作了测温和控温电路。该电路能够实现对室内的温度进行测量和控制，设计中用传感器将温度信号转化为电压信号,即
4、测量的温度能够通过电压表头来指示，同时还可以通过设置温度控制器，对温度进行人为可调节并能自动地控制在所调节的温度上,在设计过程方面，从总体方案、单元电路、元器件选择和设计到装配、调试、试验、检测、应用以及注意事项等同样进行了细致的介绍。第二章 系统总体的设计2.1系统实现功能及技术指标1、测量：能够用万用表直流电压档（或直流电压表）监测当前所检测到的实际温度，测量温度范围为05022、控制：能够在监测范围内对室内温度进行人为可调节并能自动地控制在所调节的温度上（所要加热的目标温度要比当前室温高）。3、加热器电参数：交流220V/500W。2.2系统实现原理框图电热丝根据课题的要求和技术指标，能
5、实现对加热器温度的测量、自动控制加热、调节等的方案可谓很多。但要对方案的性能、成本、体积、难易程度等进行分析与比较，本着以满足功能要求为前提，综合考虑，确定方案。本设计包含二大部分：温度测量与控制、电源部分。总体框图如图2-1所示。温度传感器调节器功率驱动器比较器放大器图2-1系统总体框图根据框图，显然需要温度传感器、放大器、比较器、调节元件和可控功率驱动元件等功能部件，其中的每一个功能部件又都有多种选择的余地，当我们对每一个功能部件进行分析、比较、选择和确定后，总体方案便确定下来了。这里列举出各功能部件的部分内容：1、传感器：热电偶、热敏电阻、铂热电阻、双金属片、PN结温度传感器、(模拟或数
6、字)集成电路温度传感器；2、放大器：晶体三极管、MOS或结型场效应管、集成电路运算放大器、直流放大器、交流放大器；3、比较器：专用集成电路比较器、用运放设计的比较器；4、调节元件：电位器、多档开关、组合开关；5、可控功率驱动元件：单向可控硅、双向可控硅、电磁继电器、交流接触器、固态继电器；6、任何电子装置都离不开电源：交流电源、高压电源、专用直流稳压电源、自己设计装配开关型、线性型直流稳压电源等、。经过综合分析比较，本设计中温度传感器采用PN结温度传感器、放大器采用集成电路运算放大器、比较器用运算放大器来设计、调节元件采用线性电位器（尚有对数和指数电位器）、可控功率驱动元件采用继电器等这些部件
7、作为该项目的设计方案。第三章 系统硬件电路的设计 3.1温度检测与控制电路设计仪器仪表的测量方精度受到很多因素影响，比如室内的温度，湿度等都会影响到测量的精度，考虑到实际的条件，我们只设计了影响测量精度的温度因素，设计此部分电路能够对室内的温度进行监测，同时还能人为对室内温度进行设置，并能够自动控制在所设定的温度上。温度检测与控制方案的确定：温度传感器采用廉价的PN结温度传感器。PN结受温度的影响为：温度每升高1，正向电压降约降低1.8 mV2.5mV ，即温度系数为-1.8 mV/-2.5mV/，呈线性关系；温度每升高10，反向饱和电流约增大1倍，呈指数关系。如果采用呈指数关系的反向饱和电流
8、温度系数来设计电路，将使得监测仪表的高端的观测分辨率降低。所以，从方便于监测的角度来看，宜采用线性关系的正向电压降温度系数来设计。考虑到要用电压表头来对温度予以监测。而-1.8 mV/-2.5mV/的灵敏度不宜观测的很精确，况且，温度升高时表头电压读数减小，也不符合人们观测的习惯。我们先拟订一种既能分辨1误差又符合人们习惯的数据观测方案：用万用表的直流5V电压档监测；当指针指示在最左边0V时，对应0；当指针指示在最右边5V时，对应+50。当指针指示在0V5V任意位置时，对应0+50线性均匀分布。也就是如图2所对应的刻度盘。从图3-5中表头刻度看，每误差0.25V对应误差10，5V电压表头刻度的
9、观测分辨率为0.05V，则对应每小格2。可见，每摄氏度对应半格（0.025V）。 2.5 V 25 0V 5V0 50 图3-5 电压表头3.1.1温度检测电路的分析与设计由于温度传感器置于室内中，温度传感器的输出将转换为随温度而变化的电信号。PN结随着温度的变化有两项UD VID mA10 0.575 0.7 0.82550 0 -50参数将发生相应的变化：一是其反向饱和电流呈正温度系数而变化，二是其正向电压降呈负温度系数而变化。我们采用后者，并且已经知道，在0（有些教材介绍是室温）附近，若满足某一恒定正向电流如1mA的条件下，温度每升高1，PN结的正向电压降降低约22.5mV，温度每降低1
10、，PN结的正向电压降升高约22.5mV，即正向电压降随温度的变化速率为约-2-2.5mV/，并且在约50温差范围内线性度优于1%。一个典型的PN结其伏安特性曲线如图3-2所示。UD VID mA10 0.575 0.7 0.82550 0 -50图3-2 PN结其伏安特性曲线在1mA的条件下，环境温度为0时，正向电压降为0.7V，环境温度为+50时，正向电压降降低为0.7-0.002550=0.575V，环境条件为-50时，正向电压降升高为0.7+0.002550=0.825V。一般地，从PN结取出正向电压降的典型电路如图3-3所示：R 300 E 1V D UD 图3-3典型电路在图3-3电
11、路中，如果按照图中所示的元件参数，在-50、0、+50时，假设UD仍为0.825V、0.7V、0.575V，则难以保证在PN结上的电流始终保持恒定，计算如下：-50时的电流 ID-50 =（E-UD-50）/R=（1-0.825）V/0.3k=0.58mA；0时的电流ID0 =（E-UD0）/R=（1-0.7）V/0.3k=1mA；+50时的电流ID+50 =（E-UD+50）/R=（1-0.575）V/0.3k=1.4mA。由此得到PN结随温度的变化，其两项参数的变化如图3-4所示：1.410.58UD VID mA50 0 -500 0.575 0.7 0.825非线性图3-4 PN结参数
12、变化图显然，在固定电压供电、环境温度不同的情况下，由于正向电压降的变化，导致流过PN结的电流变化，从而进一步导致假设的UD在-50、0、+50时已经不是分别为0.825V、0.7V、0.575V了，由图3-4可见，正向电压降随着温度的变化其线性度变坏了，所以使用图3-3电路取温度的变化量是不可取的，应舍弃并重新选择电路。由上述的分析可知，只要设法保证PN结上的电流随温度变化保持恒定，则可保证UD在-50、0、+50时分别为0.825V、0.7V、0.575V 是精确的，那么如何才能实现呢？显然，必须要用恒流源电路给PN结供电。恒流源电路形式很多，图3-5是用运算放大器组成的压控恒流源电路。图3
13、-5温度检测电路图3-5中，在流过温度传感器电流为恒定的条件下，温度变化和温度传感器两端电压呈线形关系，该电路是电压电流变换器，只要同向输入端所加的电压E和R11下方电位是恒定的，其PN结上的电流也是恒定的。由图分析，根据虚短的概念，运算放大器的U+和U-电位相等，则流过R11电阻的电流是IR=U-/R=U+/R （3.1）又根据虚断的概念，I-电流为0，则流过R11的电流必须完全由PN结D6提供，所以ID=IR （3.2）并且ID不随温度而变化（PN结正向电压降仍然随温度变化）。同向输入端上电位E的取值方法是以0时输出电压UO所需达到的电压值为依据的，要求0对应输出0V，并设0时UD=0.7
14、V，显然，输出电压UO的表达式为UO=UR+UD （3.3）则 UR=UO-UD由于虚短 UR=E （3.4）则 E=UO-UD =0-0.7V=-0.7V所以，取E为-0.7V,通过调节电位器VR3获得。由于UD在0、+50时仍分别为0.7V、0.575V，则反向输入端上电压R的取值方法是保证PN结上流过所需的电流。本例设计所需1mAID=IR=-0.7V-（-2.5V）v /R=1.8v/R=1mA; （3.5）R=1.8K所以，取R为1.8k。由于UD1在0、+50时仍分别为0.7V、0.575V，则在0时UO=-2.5v+UR+UD（0）=-2.5V+1.8V+0.7V=0V （3.6
15、）满足刻度表0时对应0V的要求；而在+50时UO=-2.5V+UR+UD（+50）=-2.5V+1.8V+0.575V=-0.125V （3.7）显然不满足刻度表50时对应5V的要求。 由此可知，随着温度从050的升高，导致PN结电压降从0.7V0.575V下降，而PN结上的电流始终不变为R11上的电流1mA，最终运算放大器的输出电压从0V-0.125V变化。如果此时在此运算放大器的输出端直接测量，将会导致万用表指针随温度升高而反向偏转。3.1.2放大器电路的设计根据上述分析，在0对应0V是满足条件的，+50对应的输出电压-0.125V的情况存在着两个问题：一是指针摆动幅度不够，就要将该信号放
16、大；二是指针偏转方向反了，则要将该信号反向放大。因此我们选择反向比例运算放大器来实现。放大器增益的选择依据在于；实现将50时的前级信号-0.125V放大到5V，AU=5/（-0.125）=-40（倍）满足上述要求的电路如图3-6所示，图3-8 放大器电路图3-6放大器电路3.1.3比较和调节电路的设计温度控制电路主要有比较器和控制电路构成，比较器用LM358构成双限比较器，来控制温度的范围，温度范围可以人为自动调节，电路如3-7图所示，通过调节VR6电位器，可以设置温度上限值，通过调节VR7电位器可以设置温度下限，当测量的温度比设置的下限数值低时，比较器LM358-2输出高电平，使晶体三极管Q
17、2处于饱和导通状态，控制继电器衔铁吸合，加温指示灯点亮，控制加热装置加热，当测量到温度数值比设置的上限数值高时，比较器LM358-1输出高电平，使晶体三极管Q1处于饱和导通状态，使继电器线包通电，触点接通，降温指示灯点亮，同时控制风扇工作，使温度降低。图7 图3-7 比较和调节电路3.2电源电路的设计电源电路主要包括四个部分，电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路构成。电源变压器采用双12V变压器，整流采用二极管构成的桥式整流电路，滤波电路采用电容滤波，稳压电路采用集成稳压块稳压LM7806各LM7906输出6V。图3-10 电源输入部分电路OPA2335所需要工作电源双电源1.35V2.7
18、5V，所以我们在稳压块稳压输出6V后串联一个二极管，使得VCC输出电压为5.3V，满足比较器LM358的工作电压，要满足OPA2335能够工作，还要产生1.35V2.75V范围的电压，产生该电压的电路。如下图：图3-11 电源输入部分电路VCC输出的电压通过MC1403基准电压产生芯片，输出固定的2.5V,在把2.5V通过负电压产生器7660使得输出为2.5V,产生的2.5V给OPA2335供电。第四章 系统电路的调试电子装置的调试大体可分为集中调试和分布调试，所谓集中调试是先装配好所有的组件、部件和元器件，最后统一调试；所谓分步调试是先装配好某一个组件或部件，调试一段，再先装配好某一个组件或
19、部件，再调试一段直到所有部件和组件都装配和调试完成为止。这两种方法各有优缺点，集中调试一般有利于装配上的整体美观整洁，但调试时会导致调试思路紊乱、信号间相互牵扯较多，导致调试工作量增加。而分步调试则反之，即思路清晰、信号较单一，调试工作量少。我们采取分步调试的方法，即焊接一个部件（组件）接着就调试一个部件（组件）。4.1电源电路的调试首先按照电源部分中设计的硬件电路把电路焊接好，用万用表检查集成稳压块LM7806、LM7906的第3引脚是否有6V电压输出，然后再测量D5的阴极是否有+5.3V电压输出，再测量MC1403的2引脚是否有+2.5V电压输出，最后测量76605引脚是否有-2.5V电压
20、输出，只有满足要求后才能将其接入电路中。4.2恒流源电路的调试准备冰块和水组成冰水混合物，用以实现产生标准0，用于0定标。将已经焊接好的PN结温度传感器置于冰水混合物中，用万用表测量U1（OPA2335）的输出（7脚）应为0V左右，并仔细调整VR1，使之精确为0V。4.3放大器电路的调试先将温度放大调节电位器使阻值调整至最大，在恒流源已经调零的基础上，将PN结温度传感器置于室温环境下，与温度计放在一起以感受相同的温度。用温度计测量室温温度，根据此室温温度和电压表头面板定标标度0.1V/计算电压表头指针应该对应在什么位置，通过调整温度放大调节电位器VR5实现。在调整过程中还要不断观察温度计温度变
21、化情况，如有变化应及时计算出新的指针位置，及时调整VR2。4.4控制电路的调试首先按照控制部分原理图连接电路，并和前一级电路连接好，首先把三档位开关拨到上限位置，调节温上限电位器VR6，设置上限的数值；再把三档开关拨到下限位置，VR7，设置下限的数值，上下限温度设置好后，把三档开关拨到正常输入的位置，观察表头指示的数值，如果表头指示的数值比设置的下限温度低，则下限指示灯LED点亮，控制加热装置加热；如果表头指示的数值比设置的上限温度高，则控制风扇工作，使其降温；4.5不具备0定标环境下的调试方法在不具备0环境时，则该装置将无法用0定标，给调试带来了不方便。但是可以利用任意两个温度值如一个是室温
22、另一个是较热的水温（这两个温度之间的差值最好大一些），通过表头指针平移（对应于电路的输出电位同时升高或具体的方法和步骤如下降低）的方法来确定各电位器的值，同样可以保证所检测到的温度是较准确的。设当前的室温为10，水温为50，先将温度传感器置于室温下，调整VR1使U2的输出电压为0V（在0V附近时VR2对U2的输出电压贡献甚小，可忽略），意思是先将10看成是0；再将温度传感器置于50的水温下，万用表指针的目标是4V，表示暂时将50看成是40，这一次是通过调整VR2使U2的输出为1V（临时的40）；再次将温度传感器置于室温下，重新调整VR1使输出为0.25V，表示10，即原来10被调到了0，现在又
23、恢复到10了，则上一次调到1V即40的也便自动被移动到1.25V了，也就是50了。第五章 总结与展望在毕业设计期间通过与别人设计的对比让我学到了很多的东西和认识了自身的不足。在论文写作以及电路设计的过程中，有时感觉很辛苦，有时还会产生放弃的念头，但是最终坚持了下来，出色的完成了我的毕业设计，为了自己的目标，更为了自己的选择。开始是搜集资料。在指导老师的指点下，通过各种渠道开始准备工作，通过网络、图书馆搜集相关学术论文、核心期刊、书籍等。在设计课题过程中我查阅了大量的资料和进行理论知识的复习，查找和毕业设计课题有关的内容，设计系统的设计方案，通过指导老师的多次修改，最终把设计方案确定下来了，接下
24、来就是焊接和调试电路了，在调试过程中，我们了解了TI公司的一些器件的特性和应用，这是我们在课本上没有学到的，一开始，先是通过万能板来焊接调试的，调试成功后，我们又采用以前学过的EDA，制作了整个电路的PCB板，对以前所学的知识进行了巩固，印制电路板使得整个电路工作更加稳定。在调试过程中，我们也遇到了很多问题，在同学和指导老师的的共同指导下，一步一步进行着，我们不停的改进、完善，通过各种努力最后得以解决。接下来，我开始对所搜集的资料进行整理、分析研究。根据取其精华，去其糟粕的原则，我撰写了初稿，并加入了自己新颖的见解，在此期间，我多次与指导老师通过电话或短信以及利用E-mail进行沟通，听取老师
25、好的建议，积极采纳。老师将初稿修改后及时反馈给我，看了之后才发现论文中的论文漏洞很多，特别是论文的格式问题，有些段落间距设置不合格，标题的字体和大小等，在写的时候往往把这些给疏漏掉，还有就是页眉页脚不同标题的设置问题。一篇优秀的论文不是写出来的，而是修改出来的，这需要的是耐心，还要用心。在线路的设计和论文的写作过程中，我遇到的问题很多，有些是在自己技术所在范围之外，每当无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，我就会出现浮躁的情绪，但是我没有放弃，而是适时地调节自己的心态，在同学老师的帮助下，完成了初次的设计。越是不懂的东西才要去学，在学习的过程中你会收获很多，其中一点就是互相学习是最好的学习途
26、径，在学习之后你会感觉到很有成就感，这也是我在完成设计之后体会到的。在整个毕业论文设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。总体说来，经过此次设计，使我学会了怎样根据要求去设计电路和调试电路的方法。锻炼了自己的细心和设计思路，动手能力得到很大的提高。论文的设计 和实验成功的展现在我们面前，对自己而言有种收获的感觉，心里很有
27、成功感！这次的设计对以后的工作学习都有很大的帮助。致 谢在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师朱彩霞表示衷心的感谢并致以崇高的敬意在论文工作中，遇到了很多的困难与不解，一直得到朱彩霞老师的亲切关怀和悉心指导，使我能够顺利的完成毕业论文，朱彩霞老师她严谨的治学态度、求实的工作作风和她敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘她严谨的治学态度、求实的工作作风将给我以后的学习和工作带来很好的借鉴，再一次向她表示衷心的感谢，感谢她为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际，谨向朱老师致以最崇高的谢意!在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在
28、的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!特别感谢我的师兄以及师姐对我的学习和生活所提供的大力支持和关心!还要感谢一直关心帮助我成长的室友在我即将完成学业之际，我深深地感谢我的家人给予我的全力支持！最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!参考文献1 中国集成电路大全编委会.中国集成电路大全M.国防工业出版社,1990.52林连魁.青少年数字电路制作指南M.福建:科学技术出版社,19953黄继昌.电子元器件应用手册M.人民邮电出版社,2004.74张志良.模拟电子技术基础M.机械工业出版社,2006 .85黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系
29、列丛书M. 北京:航空航天大学出版社, 2007-2-276陈莹梅.模拟集成电路设计精粹M. 清华大学出版社, 2008 年3月7吴援明.唐军.曲健,模拟电路分析与设计基础学习指导M.科学出版社, 2007年5月附录1 温度控制器原理图电源部分电路温度控制电路附录2 材料清单类型型号/参数数量开关1电阻1.8K1电阻1K1电阻3K1电阻7.5K1电阻39K3电阻10K7电容22UF1电容1045电容10uF1电容100uF2电容220uF2二极管IN40079二极管IN41481三极管90132集成块14031集成块76601集成块LM3853集成块LM78061集成块LM79061集成块OPA23352
