温控电路设计.doc

一、实验目的 1、学习温度传感器的原理、特性及基本使用方法。 2、熟悉集成运算放大器在测量电路中的实际应用。 3、学习并掌握对非电量信号的检测与控制机器电路的设计与调试。 二、实验原理 1、概述 温度检测电路是由温度传感器、调整放大电路等构成，温度值的数字显示由A/D转换器及相应的显示电路等构成，检测电路与显示电路构成温度检测测量系统。根据温度的测量值与预先设定的值比较，决定对被控对象是否进行加热从而使被控对象的温度维持在设定值附近就构成了温度控制系统，温度控制系统由温度设定电路、比较控制电路和驱动加热电路构成。如下图所示为温度测量与控制系统的原理方框图。 由于显示电路实现起来较为复杂，故本设计中未包含显示电路。 2、电路原理图及器件的选择 本实验的设计要求为完成一个能实现温度检测（测量范围0℃到100℃，测量精度为0.1℃）、控制和加热等功能的电路。根据上述要求及电路原理方框图设计了如下电路。 a.温度设定电路 本设计中一共有两种可以通过二选一开关来切换的温度设定的方式。第一种是采用固定不变的5V基准电压，通过调节电位器Rp来设定温度。而第二种则是采用TL431来实现可调输出的基准电压源，对比于方法一，该方法更加稳定且可调性强，其中TL431的功能及引脚如下。 它属于三端可调式器件，动态阻抗低，典型值为0.2Ω，且输出噪声低，利用两只外部电阻即可设定2.50~36V范围内的任何基准电压。 b.温度检测电路 温度检测电路的设计较为简洁，采用了集成温度传感器LM35来实现温度的测量，其主要功能及引脚如下。 LM35系列芯片有工作电压范围宽、低功耗、在静止空气中自热效应低、输出阻抗低的特点。本实验选用LM35C，其工作范围为-40~110度，可精确到1mV。 c. 比较控制电路及加热驱动电路 本设计中的比较电路计划中是用单运放LMV321来实现的（实际实验时使用的是供电电压及功能基本一致的LM356来代替的），LMV321的引脚如下。 当设定值低于检测值时，该比较器会输出一比较低的电平，从而加热驱动电路停止运作，而当设定值高于检测值时，该比较器则会输出一比较高的电平使得加热驱动电路得以运作。 加热驱动电路是由继电器和加热电阻组成的，同时还配备有放光二极管来指示加热电阻的工作情况。这部分电路的工作原理如下：当比较器输出一较高的电平时，三极管VT导通，LED指示灯亮，继电器吸合，加热器工作；当比较器输出一较低的电平时，三极管VT截止，LED指示灯灭，继电器释放，加热器停止加热，从而实现温控的功能。 d. 电源 LM35C（单电源）选择12V工作电压（+35V to ?0.2V）；运放选用LMV321单运放芯片，工作电压为5V；为加热器两端电压为+12V。 根据以上要求，电源的设计原理图如下。 芯片所需的5V的供电电压通过稳压管可直接实现。 三、主要仪器设备 实验电路板 电路元件若干 电烙铁 直流稳压电源 万用表 四、实验步骤、数据记录及分析 （一）电路设计、原理图绘制、PCB板绘制、送厂加工 PCB板图如下： （二）焊接及修改电路 在调试的过程中出现了稳压管无法正常工作的问题，经多次控制变量后的对比验证发现是其电流不足的问题，导致这一问题的第一个原因是继电器供电电压不足无法正常稳定工作，为了解决问题并且保证继电器不被烧坏，我们将继电器的供电端直接接到了直流电压的输入处（即原理图上的的POWER处），并且将原本为正负十二伏的输入电压降到了正负九伏。第二个原因则是稳压源与直流电压输入端间的电阻R10和R11的阻值过大，实验时将这两个电阻换成了910Ω的之后电路板终于得以正常工作。另外，在修改的过程中，我们将选择开关拨到下端时本应是5V的固定基准电压连到了直流电压输入端，因不影响电路工作，并未将其改回来。 （三）调试步骤、数据及分析 a. 准备 仔细检查电路板的各个元件及焊接点是否有错误或虚焊。将电位器Rp的滑动端调至接地端，使得控制级的输入电压为零。将电位器R2的滑动端调至与R1的接点处，使TL431的输出电压较小。 b. 静态测试 1. 电源测试：调节直流稳压电源使输出电压为+9V和-9V左右，然后关闭电源。 2. 将电源接入电路板，开启电源开关，测量C4、C5两端电压分别为+9V和-9V左右，测量稳压管DZ1、DZ2两端电压分别为+5V和-5V左右。 测得C4、C5两端电压分别为+9.20V、-9.20V 测得DZ1、DZ2两端电压分别为+5.21V和-5.21V 3. 先将R2维持原状，用万用表测量TL431的输出电压Uk。然后将R2的滑动端调至中间位置及与R12相连的接点，分别测量Uk，观察其范围。 测得三种情况下，Uk分别为2.48V、5.75V、8.