课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目: 温度控制系统的设计初始条件：AD590温度传感器，LM324N集成运算放大器，Tec，电阻，电位器，二极管要求完成的主要任务: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（1）控制密闭容器内空气温度（2）容器容积>5cm*5cm*5cm（3）测温和控温范围：0℃~室温（4）控温精度±1℃三、发挥部分（1）测温和控温范围：0℃~（室温+10℃）时间安排：1.第19周：查找并阅读相关资料，掌握基本原理2.第20周：理论设计，实验室安装调试以及撰写设计报告3.第21周：答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日温度控制系统的设计第一章温度控制系统设计 (3)1.1温度控制系统总体方案 (3)1.2 温度传感单元 (4)1.2.1温度传感器的选择 (4)1.2.2温度传感器测温的实现 (5)1.2.3 放大器应用中Ri与Rf的选择 (8)1.3 温度比较环节 (9)1.4 PID控制环节 (9)1.4.1 PID理论 (9)1.4.2 PID的参数调节 (11)1.5 Tec控制单元 (13)1.5.1 控制温度元件的选择 (13)1.5.2 桥式推挽功率放大电路 (14)1.5.3 BTL上三极管选型 (14)第二章元件清单及总电路图 (16)2.1 元件及器件明细 (16)2．2总电路图 (16)第三章课程设计总结 (18)参考文献 (19)一、温度控制系统设计1.1温度控制系统总体方案方案一温度传感器接收温度信号，并转化为电信号处理，同时考虑进温度传感器的线性度并将其转换成表征温度的电压信号，完成温度测量。

再与基准温度（以电信号表征）比较，Tec置于桥式推挽功率放大电路（BTL）中，利用放大的差模信号轮流推挽，利用流过BTL电流大小和方向控制控制Tec制冷速率以及冷端和热端的转换，实现整个温度控制系统。

优点：可以控制Tec制冷速率，能对不同温度变化产生相应的反应。

缺点：实际设计操作中参数难以调整。

BTL上电流方向变化频繁。

方案二运用集成运算放大器的非线性功能比较基准电压与变化电压，将连续的电压信号离散成为高电平和低电平分别控制Tec制冷或加热。

优点：电路简单，便宜。

可以采用滞回比较器，更好的断续调节Tec工作。

缺点：不能控制Tec制冷速率，滞回比较器可能会降低反应的灵敏度，难以达到将误差控制在1℃以内的要求。

方案三依然采用连续调节式恒温控制电路，混合运用波形发生器和电容的积分作用，平缓信号的变化程度，增强电路的稳定性，运用集成运算放大器比较预置控制温度与接入的温度信号，但以脉动制式通过调整脉冲宽度来实现恒温控制。

优点：改进了方案二中无法控制Tec制冷速率的问题，且连续调节效率更高缺点：制作麻烦考虑进元件价格，因素，我选方案一1.2温度传感单元1.2.1温度传感器的选择方案中利用温度传感器将温度信号转化为电信号（电压或电流），考虑过一些温度传感器的电路图。

主要是利用四臂电桥和热敏电阻分压作用来放大压差，将温度信号转换为电压信号。

二极管和三极管。

晶体二极管和三极管的PN结结电压都是随温度的变化而变化的。

如硅管的PN结在常温下的节电压约为0.7V，每升高1℃时，节电压下降约2mV，利用玻璃管封装的硅开关二极管IN4148或将硅三极管的集电极与基极短接成二极管，方便而便宜。

热时间常数小（0.2~2S），灵敏度约为-2mV/℃，测温范围为-50℃~+150℃。

它的缺点是流过PN节的电流不能过大，一般取100~300μA（不超过1mA的最大值），电流过大会因PN结结温变化升高而影响精度。

此时它不再单一受控于温度变化，还将引进电流误差，可以考虑引入恒流源。

不过这种温度传感器输出的测温信号电压十分微弱，在一般的温度测量电路中多采用高灵敏度四臂电桥来拾取温度变化的电压信号。

将这一信号电压通过运算放大器组成的高稳定度放大器的放大后输出。

为保证电桥不因工作电源电压的波动而影响测量的准确性，在电桥中一般都采用单独的稳压电路提供工作电源，有时还在电桥中设有温度补偿元件，如二极管或热敏电阻等。

线性式热敏电阻温度计最终考虑到需要测量温度，而自己制作的温度传感器不管是线性、温度特性、焊接精度、电阻误差都存在一定难度。

转而投向集成温度传感器，参考了两种温度传感器AD590和LM35系列：AD590是一种测温用的集成电路温度传感器，由美国AD公司生产。

该温度传感器具有体积小、测温精度高、稳定性好、反应速度快、线性度好、能进行远距离传送和价格低廉等优点。

输出电流正比于K氏温度，数值为1μA/K，在223μA（-50℃）~423μA（+150℃）之间。

工作电源电压为4~30V。

测温范围为-55℃~+150℃。

AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。

作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。

适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

LM35系列集成温度传感器是一种性能优良的温度传感器，它的测温范围为0℃~100℃.包含实验设计要求。

它能在单电源下工作，电压范围较宽。

它的测温输出电压与摄氏温度成正比，线性系数为+10mV/℃，还可进行远程传送，该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。

由于在电子市场上没有找到合适的型号，最终选定AD590作为电路的温度传感器。

1.2.2温度传感器测温的实现测温环节由电流-电压转换，阻抗变换，比例加法器，反向比例放大器组成。

因multisim 中没有AD590故暂时用AC POWER代替，并用直流电压源模拟电路输入信号。

AD590输出电流信号通过电阻R1和RP1转换为电流信号，经过U1A阻抗变换后作为被测温度的电压参考值。

为实现温度信号的表征，需将K氏温度通过运算放大器转换成摄氏温度。

调节方法为，将AD590置于0℃，调节电位器RP1使节点1电压为2.73V（即RP2为1KΩ）。

当温度达到室温26℃时，节点1的电压为2.99V。

通过U2B进一步调节实现两种温标的转换。

调节RP2给节点4提供一个-2.73V来将0℃温度转换为节点4的0V，同理当达到室温26度时，4点电压为0.026V，与摄氏温度对应。

再有R9/R3=1，节点8为节点4电压值的相反数，最后通过集成运放U3C将该信号放大-10倍。

AD590温度传感器温度换算电路在仿真过程中，0摄氏度两电压表读数都有较大的漂移，对于运放LM324调节RP2不改变4点的值，增大输入电阻发现电压表0度时电压下降，但与理想值仍有距离，说明输入阻抗较低，但没有考虑使用仪用放大器。

将运放LM324换成LM741后存在1脚5脚调零问题，调节RP2虽然改变节点4电压，但仍然处在10V量级，因此未成功模拟出调零过程。

考虑了课堂上学习的简单减法器，用以校准温度传感器输出的电压：令R1=R2=R3，可以实现两信号的相减，只要加入一个调整电压2.73V即可。

但实际仿真中问题依然存在，比较两种通用型较为经济的运放LM741和LM324的资料，LM324是四通道运放，工作电压是3V~32V，单位增益带宽为700KHz，失调电压为7mV，可单电源使用，没有调零端。

LM324的输入偏置电流在nA级，因此输入阻抗要比LM741高出几十倍，一般用来做比较器，这一点也完全符合仿真结果;LM741是单运放，工作电压范围为7V~36V，单位增益带宽为1MHz，输入失调电压为6mV，与LM324差不多，而且与仿真结果非常吻合，内部具有短路保护和相位补偿环节，一般用来做放大器。

综合考虑两种放大器，为达到实验目的，仍然采用LM741的调零功能，以期在实际调试中消除失调电压。

调节电位器RP，可使运放输出电压为0，调零时必须细心，切记不要使电位器RP的滑动端与地线或正电源线相碰，否则会损坏运放防止共模输入电压过大1.2.3 放大器应用中Ri与Rf的选择电阻Ri与Rf的选择与电路所加负载RL的大小有关。

电阻取得太小时○1运放输出的电流是流向负载电阻及RF的，可以看作是Rl和Rf并联的。

所以当Rf取得很小时，流过的电流很大，运放有限的输出电流能力就不能充分利用，甚至使放大器很快饱和，放大器的输出电压范围变得很小，即线性范围很窄。

同时，Rf过小，使电路功耗过大，这可能造成器件过热，严重时可能要烧坏器件。

○2反相放大器的输入阻抗等于Ri，所以Ri取得很小时，其输入阻抗就很小。

当信号源内阻较大时，会造成输出端信号输不出，输入端信号就会输不进来。

电阻取得太大时，可能会带来较大的电流漂移干扰。

若电流稍有变化，就会造成输出信号的严重漂移，且会使电路对外部的干扰很敏感。

由于存在分布电容的因素，当工作频率较高时，电路的频率特性将变坏。

一般情况下，两电阻应在1KΩ~1MΩ之间选取，而在10~100KΩ之间选取是较常见的。

而对放大倍数要求不严的应用场合，如音响电路的前置放大电路，采用5%精度的电阻即可。

对精度要求高的放大器，如本温度控制器，可采用1%或0.5%的高精度电阻。

一般都采用金属膜电阻。

在业余制作时，可以采用数字式万用表欧姆档来选取电阻，往往可获得较好效果。

同时，电阻的阻值也会随温度变化而变化的，它会影响放大器的温漂，所以在精度要求较高的放大器中，应选用温度系数较小的电阻。

一般高精度电阻其温度系数在1×10-4/℃以下。

在电路图中，运用了多个电位器，其好处是方便实际操作中调整参数，但半可调电阻的接触不太可靠，在振动或撞击时可能会改变其阻值，一般的半可调电阻的电阻层是碳膜的，它的温度系数较大，与其他电阻温度系数不匹配，容易产生温漂，因此不适合精度高的放大器。

还有一种集成仪用放大器INA101，考虑过但是觉得增加了电路的复杂度。

还是决定采用手动调整LM741的方式。

1.3 温度比较环节利用R34R35R36的分压作用来为电路设置一个预置温度值。

预置温度与节点36预置电压之比为10:1，温度在0~26℃，所以预置电压在0~2.6V之间，计算得，若R34取20KΩ，节点36电压最大值应为7.03V，使用一个10kΩ电位器即可控制其温度调节范围包含0℃~26℃。

若要控制测量温度在0~（室温+10）范围，节点36电压最大值应为11.25V，更改电位器即可。

在这里存在着电位器控制精度问题。

预置温度的调节与电位器灵敏度有关。

U4A是一个差分放大电路将比较而得的电压差值放大，由于R11=R12，R14=R13，所以输出电压为1-Vi2，实现跟随差值作用。

设想当温度偏差从0到1℃范围内，电压变化将为0~0.1V，这一小电压可能与运放的灵敏度有较大关系，不过之后设计了一个PID环节可以放大相关的信号，并使之大于BTL上两个三极管的导通压降。