P8数字电子技术课程设计简易温度控制器

P8数字电子技术课程设计简易温度

控制器(共8页)

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技术性能指标

设计一个温度监控系统，用温度传感检测容器内的水的温度，。 具体要求如下：

1：当水温小与50°C时，两个加热器同时打开，将容器内的水加热； 2：当水温大于50 °C,但小与60°C时，H1热器打开，H2加热器关闭； 3：当温大于60°C时，两个加热器同时关闭；

4：当水温小于40°C,或者大于70°C时，用红色发光二极管发出报警信号； 5：当水温在40~~70°C之间时，用绿色发光二极管指示水温正常； 6：电源：220V/50HZ的工平频交流电供电；

温度控制电路的总体框图如图1所示，它是由温度信号采取电路、温度信号处理电路、控制温度电路、显示电路四部分构成的。

温度信号 采集 温度信号 处理电路 控制温度 电路 显示电路 图1 温度控制总体框 第三章 方案选择

方案一：此电路是一种数字温度控制器的参考设计方案

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时钟发生器 检测电路 信号调节 A/D转换器 温度显示 温度求取 拨码盘 比较器 加热控制电图2 方案一原理框图

原理：温度检测电路通过热敏电阻检测水温并将水温信号转化成电压信号，时钟发生器产生的脉冲启动A/D转换电路。通过A/D转换电路将模拟信号转化成数字信号，利用4线——7段显示译码器/驱动器将得到的BCD码送至LED数码显示管显示。在比较电路中将拨码盘输入的温度与求取得到的温度进行比较，条件成立后送入控制电路控制加热器。 方案二：使用555元件处理电压

温热敏电阻 改变

555芯片 处理电压 三极管 导 通 发光二极管 发

图3 方案二原理框图 3

原理：使用感温效果较好的热敏电阻进行温度感应，当周围温度变化时，引起电阻阻值发生变化，进而导致输入到555元件的电压发生变化，式555输出电压发生变化，使相应的二极管发光，相应的设备进行工作。 方案三：把水温转换为电压进行控制

温热敏电阻改变电路 分压电三极管发光二 图4 方案三原理框图

原理：利用热敏电阻进行温度测量，当环境温度变化时，热敏电阻的阻值也发生变化，直接导致分压变化，进而使单限比较器的输入电压发生变化，经过比较之后产生两个大小不同的电压进入由三极管构成的开关，通过开关后就会有一个三极管导通，使发光二极管和继电器同时工作。

方案分析：通过比较发现第三个电路比第一个电路原理简单，电路简单，更能准确的检测水温的变化，而方案二需要用比较复杂的元件，虽然它也能起到比较电压的作用，但是需要的条件比较苛刻，利用率比较低，并且效果不好。方案三，控制相当简单，原理易于理解，操作方便易行，如果出现异常，还可以简单的进行修改就会达到维修的目的，最重要的是它的性价比较高。 综上所述，最终确定方案三为本次电子技术综合训练方案。 第四章 单元电路设计 2. 温度检测电路

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在温度检测电路中通过铂电阻Pt100采集水温信号，并将水温信号转换成电压信号，Pt100的阻值和温度之间的关系为R=R0（1+At+B*t*t）式中，t为摄氏温度；R0为t=0°C时的阻值；A、B为常数。由实验法测得。本实验中，由于控制精度并不很高，因此可以将二次项忽略。Pt100的阻值和温度之间的关系为R=100欧姆+欧姆*T/C。这部分电路采用5伏直流电源供电。将得到的电压信号送入比较电路进行比较，将比较得到的结果输入显示电路。得到的水温为50°C和60°C对应的电压信号输入控制电路后，由12伏直流继电器控制两个加热器工作。在焊接电路板时，温度检测电路可以用十二伏直流电源和一个10千伏可调电位器代替。

温度检测电路可采用图所示的图是温度测量电路。图中检测元件可采用铂PT100或其他热电阻传感器，本实验采用PT100。 PT100的阻值与温度之间关系为 R=R0(1+AT+BT*T)式中，t为摄氏温度：R0为t=0°C时的阻值；为常数，由实验法测得。 本实验中，由于控制精度并不很高，因此可以将二次项忽略，这样，PT100阻值与温度之间的关系可用下式表示:R=100欧姆+欧姆*T/°C. 式中，100欧姆为PT100在0°时的阻值.

要想实现对水温的控制，希望将水温信号变换为电压信号，可以采用电路。 为使运放在静态时输入端平衡，令R1=R3，R2=R4。图中R*=100欧姆，如果设A3的输出为U0，则有U0=（U1-U2）R2/R1=K（U1-U2）

令t=100C时，U0=5V,则K=，故有R2/R1=，取R1=千欧姆，则R2=欧姆，故取R1=R3=欧姆，取R2=R4=300千欧。

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当水温改变时对应的电压值为：当水温小于40°C或者大于70°C时对应的热敏电阻阻值为小于2kv或者大于。

当水温在50°C时对应的电压值为。

当水温在60°C时对应的电压值为3kv。（图6）

0V1312 V 2883U2A124R85.6kΩR9300kΩTL082CD26V1412 V 01VCC5V2070V1512 V 29V1712 V 3042R12kΩVCCR22kΩ358U7B7R3100Ω0R20200Ω0%Key=A64R75.6kΩU5A16R5300kΩ38LF412ACN31V1812 V 0TL082CD27V1612 V 040

图6 温度检测电路

3.比较/显示电路

比较/显示电路采用图示电路，其中A4、A5构成窗口比较器，假设Ur1和Ur2可通过调节电位器RP1和RP2设定。另一方面，Ur1和Ur2的实际大小可通过

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实验测得。在电路中对水加热使得在水温为100°时A3的输出电压（即U0）为5V，然后测得水温为40°C时A3的输出电压U0即为Ur1，

水温在70°C之间时窗口比较器输出为高电平，绿发光二极管点亮，红发光二极管熄灭，指示水温正常。否则绿发光二极管熄灭，红发光二极管点亮，处于报警状态。（图7）

VCC5VVCC0V112 V VCC5VVCCR44.254kΩ51735LED112R232ΩU3A2LED211D71N41489R134.7kΩR1051kΩ2SC1815Q1168R12360ΩR14360Ω1410R65.746kΩ019412LM339AJ25V212 V 00V312 V 3337Q22SC1815VCC5VVCCR112.044kΩ18R157.956kΩ00R242ΩU4B113015D11N4148612LM339AJ24V412 V

图7 比较/显示电路

4.控制电路

控制电路可以采用图电路。假设Ur3和Ur4分别对应50°C和60°C水温，则Ur3和Ur4可通过调节电位器RP3和RP4设定。另一方面，Ur3和Ur4的大小可通过实验测得。同样在图示电路中对水加热，使得水温在100°C时A3的输出电压u0即为Ur4。图中当u0

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Ur4 时，继电器K1和K2的常开触点都断开，加热器H1和H2都断开，停止加热。（图8）

0VCC5VV75 V VCC0V512 V 4523R167350LED349V9220 Vrms 50 Hz 0° J1D27mV 0mV 1N400139R212ΩR1743Q3382SC181510kΩ50%Key=C0471U1A612375.1kΩ00V105 V 22V612 V 00V812 V LM339ADVCCVCCD3J21N40017mV 0mV R222Ω44R185.1kΩQ4412SC18150425V52LED451V11220 Vrms 50 Hz 0° 46R1910kΩ50%Key=D0487213U6A140612LM339ADV1212 V 200

图8 控制电路

5．元器件的选择

为了获得比较高的测量精度，图6中的电阻可以选用1%的五环金属膜电阻；电阻R1、R2、R3、R4要精心挑选，保证R1=R3，R2=R4，或者采用电位器调节得到两只匹配的300k 电阻，使阻值尽可能实现匹配，提高电路的共模抑制比；A1和A2要选择输入电阻较大的运算放大器，如TL082CD，A3要选择精

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度高，输入电阻大，共模抑制比高的运算放大器，如LF412ACN等；比较器选择LM339AD,继电器选择12V的直流继电器。

主要元器件：PT100铂电阻、TL082CD、LF412ACN、LM339AD、ULN2003、1N4001、1N4148、2SC1815、10K精密可调电阻、12V的直流继电器、发光二极管等。

第五章 硬件接线图

按照实验要求设计电路，确定元器件型号和参数；为使电路便于调试，可将图中标号为R2和R4的电阻改为330千欧的电位器，在实验板上搭建电路，检查无误后通电调试；将水加热为100°C，调节330千欧的两只电位器，使A3的输出电压u0为5V（注意：为保证电路精度，在调试电位器时，一方面要保证A3的输出电压U0为5v,同时还要保证U0为5V是两只电位器的调节后的阻值要相等，然后改变水温，使其分别为40°C、50°C、60°C、70°C，测得U0电压，即为Ur1、 Ur２、Ur3、Ur４；调整电位器RP1、RP2、RP3、RP4，使其中尖端电压分别为Ur1、Ur3、Ur3４、Ur２，改变水温在40～70°Ｃ之间变化，检查控制是否符合要求，指示是否正确。 对测试结果进行分析，得出实验结论。

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VCC5VVCC0V112 V VCC51753LED112R232ΩU3A2LED211D71N41489R134.7kΩR1051kΩ2SC1815Q1168R12360Ω5VVCCR44.254kΩ14R14360Ω10R65.746kΩLM339AJ124Q201925V212 V 002SC1815VCC5VVCC3337V312 V R242ΩU4B160R112.044kΩ15D11N414818LM339AJ12130V1312 V 2883U12A24V412 V 05.6kΩ0300kΩR8R9R157.956kΩ2TL082CD426V1412 V 00V1712 V 3042图9 总电路原理图

7V75 V 0V512 V U5A110

R763810VCC5VVCC50LED349V9J1D274m 0mV 1N0V0145R164723371VCC5V20R1VCCR2V1512 V 2kΩ2kΩ293LF412ACN5.6kΩR5300kΩ400V1812 V 31853943U1A37R1738Q3220 Vrms 50 Hz 0° U77BR306TL082CD100Ω427R20200Ω50%Key=A10kΩ50%Key=C06125.1kΩLM339AD222SC18150V1612 V 00V105 V V612 V 0VCC0V812 V 46R194871VCC5VD3J21N0V0174m 0mV 21352LED451V11220 Vrms 50 Hz 0° 44U6A4010kΩ50%Key=D0061242R185.1kΩLM339AD20V1212 V 2SC18150Q441

第七章 结论

综合训练要求设计一个简易温度控制电路,能够采集温度信号,并将所采集到的温度信号处理成电压信号，两个指示灯相应于相应情况时各自发光,表示所在电路工作在相应的过程中。红色发光二极管放光表示温度低于温度最小值40度的工作状态，此时继电器启动导致两个电阻丝工作进行加热；或温度高于最大值70度时的工作状态，此时两个加热器都不工作。绿色发光二极管发光表示温度在最大值与最小值之间的工作状态，此时继电器启动导致相应的元件进行工作。所以该电路已基本达到任务要求及性能指标。

1、当水温小于40°C,或者大于70°C时，根据R0=100欧姆+欧姆t/°C，就等于电压小于2kv或电压大于.此时红色发光二极管发出警报信号；

2、当水温40°C到70°C时同理上式，即电压在2kv到时，此时绿色发光二极管指示水温正常；

3、当水温大于50°C,但小于60°C时，即电压在到3kv时，H1加热器打开，H2加热器关闭（此电路图中用发光二极管代替）；

4、当水温小于50°C，即电压在2kv到时，两个加热器同时打开，将容器内的水加热。

该电路已基本达到任务要求及性能指标。

LM339 电压比较器的特点及应用

LM339 作为一款典型的电压比较器，内部有四个独立的电压比较器，其的特点是：

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1）失调电压小，典型值为 2mV；

2）电源电压范围宽，单电源为 2 - 36V，双电源为±1V - ±18V；

3）对比较信号源的内阻限制较宽；

4）共模范围很大，为 0 -（Vcc - ）Vo；

5）差动输入电压范围较大，最大可以等于电源电压值；

6）输出端电平可灵活方便地选用。

LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。一个称为同相输入端（+），另一个称为反相输入端（-）。用作两个电压的比较时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别超过 10mV 就可确保输出能够从一种状态可靠地转换到另一种状态。因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体管，在使用时输出端到正电源一般需接一只上拉电阻（选 3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，比较器的输出端允许连接在一起使用（即线与），以提高驱动能力。

lm339电压比较器

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LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。 LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

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