目录摘要 (1)一设计任务和要求 (1)1.1 设计目的 (1)1.2 设计任务 (1)1.3 设计要求 (2)二设计的方案的选择与论证 (2)2.1 设计原理 (2)2.2 方案设计 (3)2.2.1 可行方案 (3)2.2.2 方案的讨论与选择 (5)2.3 选定方案的论证 (5)2.3.1 选定温度传感器的论证 (5)2.3.2 选定运算放大器的论证 (6)2.3.3 选定继电器的论证 (6)三电路设计计算及分析 (7)3.1 温度检测元件电路 (7)3.1.1 电路结构及工作原理 (7)3.1.2 元器件的选择和计算 (8)3.2 比较显示电路 (10)3.2.1 电路图及工作原理 (10)3.2.2 元器件的选择和计算 (11)3.3 温度控制电路 (12)3.3.1 电路结构及工作原理 (12)3.3.2 元器件的选择和计算 (13)3.4 电源单元电路 (14)3.4.1 电路结构及工作原理 (14)3.4.2 元器件的选择和计算 (15)3.5 整体电路图 (16)3.6 PCB平面图 (16)四电子电路的焊接 (17)4.1 焊接的基本条件 (17)4.2 焊接的步骤 (18)4.3 焊接的要点 (19)五总结及心得 (19)附录 (20)参考文献 (22)摘要水温监测控制报警电路是采用热敏电阻作为温度传感器,由温度的变化而引起电压的变化，再利用比较运算放大器与设置的温度值对应的电压进行比较，输出高或低电平从而对控制对象即加热器和报警电路进行控制。

其电路可分为三大部分：测温电路，比较/显示电路，控制电路。

关键词：测温显示窗口比较器一设计任务和要求1.1 设计目的（1）掌握温度控制电路工作原理。

学校温度信号采集方法。

（2）熟悉集成运放的使用方法和模拟信号的一般处理方法。

熟悉比较器的使用方法。

（3）熟悉继电器和发光二极管的使用。

（4）熟悉Protel软件的使用。

1.2 设计任务设计一个水温监测控制报警电路，以铂电阻Pt100作为温度传感器监测容器内水的温度，用检测到的温度信号控制加热器的开关，将水温控制在一定的范围之内，具体要求如下：（1）当水温小于50。

C时，H1、H2两个加热器打开，将容器内的水加热。

（2）当水温大于50。

C时，但小于60。

C时，H1加热器打开，H2加热器关闭。

（3）当水温大于60。

C时，H1、H2两个加热器同时关闭。

（4）当水温小于40。

C时，或水温大于70。

C时，用红色发光二极管发出报警信号。

（5）当水温在40。

C～70。

C之间时，用绿色发光二极管指示水温正常。

1.3 设计要求（1）合理的设计硬件电路，说明工作原理及设计过程，画出相关的电路原理图（运用PROTEL电路设计软件）；（2 选择常用的电器元件（说明电器元件选择的过程和依据）；(3) 进行PCB（印制电路板）设计（用PROTEL等电路设计软件）；（4）按照规范要求，按时提交课程设计报告（打印或手写），并完成相应答辩。

二设计的方案的选择与论证2.1 设计原理通过测温部分对水温进行测量，将所测量的温度值与给定值在比较部分进行比较，将比较后的输出信号传递至加热部分，使加热电路调控水温，实现对水温的控制。

另外通过另一个电路将输出信号传递到报警部分，对应的红、绿发光二极管工作。

最后运用交直流变换电路实现对其供电。

原理方框图如下图2.1.1 总原理图2.2 方案设计2.2.1 可行方案方案一：想要让电路正常稳定的工作，必须要有一个关于温度的准确信号值，为了使信号输出误差很小，可以选用桥式测压电路，这样可以得出较为准确的与温度相对应的电压值，关于比较部分可以选用比较器LM339构成窗口比较器，再利用滑动变阻器来调节上下限电压，将输出电压值与设定的电压值进行比较来控制三极管，以达到使绿色和红色二极管根据不同温度亮灭的目的。

同时也将第一部分输出的电压值在比较部分进行比较来控制继电器以达到控制外电路的目的。

通过对电路设计要求的全面考虑，使用LM324比较容易实现第一部分的功能，同时为了方便电路的调试，热敏电阻可以使用铂电阻Pt100。

加热器可选用加热电阻丝。

方案二：555时基电路图2.2.1 555时基电路图IC1555集成电路接成自激多谐振荡器，Rt为热敏电阻，当水温温度发生变化时，由电阻器R1、热敏电阻器Rt、电容器C1组成的振荡频率发生变化，频率的变化通过集成电路IC1555的3脚送入频率解码器集成电路IC2 LM567的3脚，当输入的频率正好落在IC2集成电路的中心频率时，8脚输出一个低电平，使得继电器K导通，触电吸合，从而控制设备的通断，形成温度控制电路的作用。

方案三：单片机对于单片机而言，由于现阶段专业知识有限，单片机还不能完全掌握，并且其成本较组合电路更高。

方案四：组合电路对组合电路而言，一个组合只能完成一个温度控制点的控制，成本较高并且非常不实用。

2.2.2 方案的讨论与选择方案一符合现在所学内容，运用集成器等原件易获得。

而方案二较方案一更复杂，原理更难理解，实现起来更不容易。

方案三运用单片机知识，难度更大，并且现阶段还没有涉及到相关知识。

方案四虽然技术上易于实现，但实用性不强，且成本较高。

综上考虑选择方案一。

2.3 选定方案的论证2.3.1 选定温度传感器的论证根据设计要求，设计出的仪器主要用在对室内水温的控制上，水温范围应该在0℃-100℃之间，温度传感器应该可以测这之间的任一温度，并且具有很好的稳定性。

再结合性能以及价格方面的原因，选择了集成温度传感器铂电阻Pt100。

(1+At+Bt×铂电阻Pt100的阻值与温度之间的关系为R=Rt)，当PT100在0℃的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升而匀速增涨的，它的线性度也可以在高温的时候保持得非常好。

因此铂电阻Pt100完全符合设计要求。

2.3.2 选定运算放大器的论证本设计对放大器的要求只是有较好的虚短和虚断特性，稳定性较好，因此通用型的运算放大器便可满足要求。

因此选用LM324可以实现相应功能。

LM324系列是低成本，四通道运算放大器是真正的差分输入。

他们有几个明显的优势。

该四通道放大器可以工作在电源电压低至3.0 V或高达32 V的电源之下，静态电流为MC1741的五分之一，共模输入范围包括负电源，从而消除了在许多应用中的外部偏置元件的必要性。

该输出电压范围也包括负电源电压。

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-（Ucc -1.5V）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。

2.3.3 选定继电器的论证继电器是低压控制高压的部分，它的开启电压以及稳定性相当重要。

因为选用的电源电压是5V的，所以继电器的开启电压应当适当低于5V当接近它，因此选用开启电压为4V的比较适合。

另外，由于加热部分的电流比较大，所以继电器的承受电流要大，一般1000W的加热装置电流为4.5A，选择4.5A×2=9A以上的比较适合。

此电路选择的是JZC22F83，为电磁继电器。

三电路设计计算及分析3.1 温度检测元件电路3.1.1 电路结构及工作原理工作原理：如下图温度检测元件电路，测温电路选用桥式温度检测电路检测元件选用铂电阻Pt100，铂电阻Pt100会随着温度的改变而发生变化。

当外界温度发生变化时，引起集成运算器A 2输入端电压增大，而A1的端电压不会发生改变。

A1、A2为电压跟随器，即同相输入端的电压和输出端的电压相等。

输出值作为与后面电路的比较值。

A3为加减运算电路，可通过调整电路中的相应参数实现对输出电压放大倍数的控制的控制，调整好电路中的参数之后，将受温度变化引起的变化的电压信号传递、放大，并将其作为与后面的报警和控温电路的比较较值。

实现对温度监测的功能。

图3.1.1 温度检测单元电路图3.1.2 元器件的选择和计算为了获得比较高的测量精度，电阻可以选用1%的五环金属膜电阻，尽可能实现匹配，提高电路的共模抑制比。

由于铂电阻Pt100的性质为0℃时电阻为100Ω，100℃时电阻为130Ω左右，得A2端的电压要大于A1端电压，但不能相差太大，考虑到现实条件水温不会低于零度，因此电路中R3选择100Ω。

Pt100的阻值与温度之间的关系为R=R0(1+At+Bt×t) 式中，t为摄氏温度；R为t=0时的阻值；A、B为常数。

由于此电路控制精度并不是很高，因此可以将二次项忽略，这样，铂电阻与温度之间的关系变为R=100Ω+0.386Ω/℃。

为使运放在静态时两输入端平衡，令R 5=R6,R7=R8。

则有U2=5×[(100Ω+0.386Ω/℃t)∕（2100Ω+0.386Ω/℃t）]VU1=5×(100Ω/2100Ω)VU3=（U2-U1）R8/R5=k(U2-U1) (其中K=R8/R5)=5K×[(100OΩ+0.386Ω/℃t)/(2100Ω+0.386Ω/℃t )-100Ω/2100Ω]V=5K×0.386Ω/℃t /(2100Ω+0.386Ω/℃t) =5K×0.386t/2100令t=100℃时,U3=5V,则K=54.4,故有R8/R5=54.4,取R5=5kΩ，则有R2=272kΩ，故有R5=R6=5kΩ，取R7=R8=270kΩ。

A1同相输入端的电压值为5×（100/2100）=0.24V。

A2同相输入端的电压值为5×（100+0.386t）/（2100+0.386t）V。

由上式U3=（U2-U1）R8/R5，（R8/R5=54.4）得，输出电压U3=[272×（100+0.386t）/（2100+0.386t）-13.1]V。

因此可以通过温度的改变实现电压的改变，即将温度信号转化为电压信号。

方便与后面的电路的比较。

A1、A2要选择输入电阻较大的运算放大器，如TL082。

A3要选择精度较高的，输入电阻较大，共模抑制比较高的运算放大器，。

本电路采用的LM324也具有相同的功能。

3.2 比较显示电路3.2.1 电路图及工作原理工作原理：该部分主要运用了窗口比较器。

通过调整滑动变阻器R9、R10的阻值使之分别对应40℃、70℃时的电压。

当U3<U4时则一定小于U5，所以A5输出反向电压，A4输出正向电压，使得二极管D2截止，D1导通。

当U3>U5时，则一定大于U4，所以A5输出正向电压，A4输出反向电压，使得二极管D2导通，D1截止。