温度控制电路的设计

环境温度温度传感器信号处理报警控制温度控制电路的设计一、实验目的（1）了解传感器的基本知识，掌握温度传感器的基本用法。（2）了解有关控制的基本知识。（3）掌握根据温度传感器来设计控制电路的基本思想。二、设计指标与要求（1）电源：单电源+12V或双电源+12V供电均可。（2）要求温度设定范围为-20℃～+130℃,温度非线性误差不得超过5℃。（3）控制部分：监控温度高于设定的上限温度或低于下限温度时，分别点亮不同颜色的二极管。（低于规定温度黄灯亮，高于规定温度红灯亮）三、实验原理与电路设计本实验要求根据监控温度来做出相应的报警响应，该温度传感控制系统如图温度传感器将温度信号转化为电信号，经过信号处理电路对其进行处理，最后通过过报警控制电路来控制发光二极管的指示。（一）温度传感器1、有关温度传感元件介绍（1）热敏电阻。正温度系数热敏电阻器也称PTC型热敏电阻器，属于直热式热敏电阻器，其主要特性是电阻值与温度变化成正比例关系，即当温度升高时，电阻随之增大。（2）集成芯片LM35。LM35是美国国家半导体公司生产的集成电路温度传感器系列产品之一，它具有很高的工作精度和较宽的线性工作范围，该器件输出电压与摄氏温度成线性关系。因而，从使用角度来说，LM35与用开尔文标准的线性温度传感器相比更有优越之处，LM35无需外部校准或微调，可以提供常用的室温精度。2、LM35特点与基本参数：直接以摄氏温度校准；线性比例因数：10.0mV/℃；0.5℃的精确性保证(+25℃)；额定全工作范围：-55~+150℃；电源供电范围：4~30V；漏电电流：小于60μA；低自发热量，在静止空气中：0.08℃；非线性特性：+1/4℃；封装形式及管脚说明、典型应用：LM35采用TO-220塑料封装形式。（二）温度传感元件的选择根据设计指标与要求中队电源的要求，热敏电阻、LM35和AD590都可以选用，但根据对传感器工作条件和精度要求综合考虑，选择LM35作为温度传感元件.（三）信号处理由LM35的技术资料可知，LM35把温度信号转变成了电压信号，输出范围在-550~+1500mV内，并且输出电压和温度呈良好的线性关系。要点亮发光二极管，仅仅靠LM35提供的输出电压显然是远远不够的，需要对其输出信号进行放大。所以选择电压放大器作为信号处理部分。下面给出用运放实现的同相比例放大器的应用实例。如图所示电路输出电压与输入电压之间的关系为𝑉𝑜=(1+𝑅𝑓𝑅1)𝑉𝑖即𝑉𝑜=10𝑉𝑖为了减小输出级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端应该接入平衡电阻R2：R2=R1//Rf此外，要求放大器的输入电阻尽可能的大。（四）报警控制虽然对传感器的输出信号进行了放大，但如果直接点亮二极管就无法起到对设定的上限温度或设定的下限温度进行判断的作用，从而分别点亮不同颜色的二极管。在此，可以选择电压比较器来对输出电压和某特定电压进行比较，这个比较电压可以根据LM35的输出电压和温度线性特性，以及放大后的信号和LM35的输出信号的关系得出，进而起到设定的上限温度或设定下限温度的作用。单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，而窗口比较器（WindowComparator）可使电压跳变两次，它可以用来检测输入信号是否位于两个阈值电压之间。这种电路常用于工业控制系统，当被测量（如温度、压力、液面等）得值超出规定的范围时，便发出指示信号。下图给出了常用的窗口比较器的实例，参考电压𝑉𝑅𝐻和𝑉𝑅𝐿（𝑉𝑅𝐻𝑉𝑅𝐿）的取值可以根据LM35的输出电压和温度的线性，以及放大后的信号和LM35的输出信号的关系得出。1、电压比较器稳压二极管和电阻选择𝑉𝐷3=𝑅𝑊𝑅𝑊+𝑅7𝑉𝐷𝐷=4𝑉𝑅𝑆=𝑉𝐷2+0.710𝑚𝐴2、报警控制中的简单的带蓝牙比较器，设定上限温度和下限温度所对应的电压：3、改进后的电路（1）当V0VRH,LED1导通，LED2截止（2）当V0VRL,LED1截止，LED2导通（3）当VRLV0VRH,LED1截止，LED2截止，符合报警要求（五）完整电路根据以上分析可以得到完整电路如下LM35用可变电压源代替𝑉𝑂=0𝑚𝑉+10𝑚𝑉/℃𝑉𝑅𝐻=300𝑚𝑉∗10=3𝑉滑动变阻器RW1接入百分比3/4*100%=75%𝑉𝑅𝐿=230𝑚𝑉∗10=2.3𝑉滑动变阻器RW2接入百分比2.3/4*100%=57.5%四、设计步骤1、根据设计指标和温度传感器的有关资料，选择LM35作为温度传感器，设计出具体电路。即第三部分的完整电路。2、选择合适的电压放大电路是放大器的输出电压不得超过5V。3、根据报警控制中所给出的简单电压比较器，设计完善的电路，使次比较电路能够判断所设定的上限温度和下限温度所对应的电压。4、将温度传感器电路、电压放大电路和报警控制电路级联，完成完整的电路，并调试。五、实验仪器与设备直流电源，函数发生器，示波器，毫伏表，温度计。六、实验数据展示与处理LM35用可变电压源代替𝑉𝑂=0𝑚𝑉+10𝑚𝑉/℃设定上限温度30℃（300mV），下限温度23℃（230mV）。完成下表，表中𝑉𝑅𝐿、𝑉𝑅𝐻分别为下限参考电压，和上限参考电压由仿真可得即𝑉𝑅𝐿=2254𝑚𝑉𝑉𝑅𝐻=2939𝑚𝑉测试数据记录测试温度/℃实测温度/℃𝑉𝑅𝐿/mV𝑉𝑅𝐻/mV传感器输出电压/mV放大器输出电压/mV二极管指示情况17~2022542939170.4~2001709~2005黄灯亮25~2722542939249.6~269.62501~2701两灯都不亮55~8022542939550.401~8005509~8005红灯亮1、例如传感器电压为177.6mV230mV，说明温度低于23摄氏度，黄灯亮2、例如传感器电压为230mV240mV300mV，说明温度高于于23摄氏度，低于30摄氏度，满足条件，两个LED灯都不亮，如下图所示3、例如传感器电压为571.2mV300mV，说明温度高于30摄氏度，红灯亮。如下图所示