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第二章 本次毕业设计任务

2.1设计题目：

《温度控制器》

2.2设计意义：

温度控制器控制方法一般分为两种：一种是由被冷却对象的温度变化来进行控制，多采用蒸气压力式温度控制器，另一种由被冷却对象的温差变化来进行控制，多采用电子式温度控制器。温度控制器可分为： 1．机械式温度控制器分为：蒸气压力式温度控制器、液体膨胀式温度控制器、气体吸附式温度控制器、金属膨胀式温度控制器。其中蒸气压力式温度控制器又分为：充气型、液气混合型和充液型。家用空调机械式温度控制器都以这类温度控制器为主。 2.电子式温度控制器分为：电阻式温度控制器和热电偶式温度控制器。

传统的温度控制器的电热元件一般以电热棒、发热圈为主，两者里面都用发热丝制成。发热丝通过电流加热时，通常达到1000℃以上，所以发热棒、发热圈内部温度都很高。一般进行温度控制的电器机械，其控制温度多在0-400℃之间，所以，传统的温度控制器进行温度控制期间，当被加热器件温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热棒或发热圈的内部温度会高于400℃，发热棒、发热圈还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候，这就要视乎发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差，

此次设计重点则是解决传统温度控制器系统结构上存在的问题。

2.3主要内容：系统任务

本装置的任务是对温度进行实时监测与控制。温度的变化会使pt温度传感器阻值发生变化，让恒流源电流通过电阻，根据U=I*R对电阻取电压，用电压放大器对电压值放大，压频转换器lm331对电压值进行转换，把输出的频率信号出入单片机比较处理，频率信号大于一定值时则发出中断。

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第三章 硬件电路设计

3.1 恒流源与pt传感器电路图及原理

3.1.1 Pt温度传感器

pt温度传感器是一种稳定性和线性都比较好的白金热电阻传感器,电阻式温度检测器(RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻係数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定－耐酸碱、不会变质、相当线性...,最受工业界采用。

PT温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数,其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+αT) 其中α=0.00392,Ro为100Ω(在0℃的电阻值),T为摄氏温度
因此白金作成的电阻式温度检测器,又称为PT100。

传感器的接入非常简单,从系统的 5V 供电端仅仅通过一支电阻就连接到 PT100 了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式. 3.1.2 恒流源介绍

恒流源分为流出(Current Source)和流入(Current Sink)两种形式。

最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。最常用的简易恒流源用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的电压作为基准，

这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。

为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的电流导致的误差。如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。

恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒

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流源。

能够进行电流反馈的器件，还有电流互感器，或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈，也可以利用回路上的发光器件（例如光电耦合器，发光管等）进行反馈。这些方式都能够构成有效的恒流源，而且更适合大电流等特殊场合。

3.1.3 电路图及原理

图3.1 pt传感器与恒流源电路

令AA`、BB`与CC`3段电阻阻值相等为r，恒=流源IA=IB UA=IA*r+IA*R+IA*r UB=IB*r+IB*r UA-UB=UAB=IA*R

3.2 电压放大器电路电路图

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图3.2 电压放大器电路图

放大器的电压放大公式：U=A（u+-u-），其中U为输出电压，A为放大器放大倍数，u+-u-=UA-UB ，UA-UB为图一中UAB 。

电路中引入电容是为了降低干扰脉冲。

放大电路引入电压负反馈后，能够使输出电压稳定。任何外界因素引起输

电压不稳时，输出电压的变化将通过反馈网络立即回送到放大电路的输入端，并与原输入信号进行比较，得出与前一变化相反的有效输人信号，从而使输出电压的变化量得到削弱，输出电压便趋于稳定。可见，负反馈使放大电路具有了自动调节能力。电压负反馈能够稳定输出电压。

3.3 电压-频率变换器LM331 3.3.1 Lm331周边电路图

图3.3 lm331周边电路

3.3.2 概述

LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。

LM331的内部电路组成如图1所示。由输入比较器、定时比较器、R－S触

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发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电，可工作在4.0～40V之间，输出可高达40V，而且可以防止Vcc短路。

3.3.3 工作原理

图3.4 lm331原理图

上图是由LM331组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。

当输入端Vi＋输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻R2对电容C2充电。当电容C2两端充电电压大于Vcc的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容C2通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容C3对电阻R3放电。当电容C3放电电压等于输入电压Vi时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Vi成正比，从而实现了电压－频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：fo=(Vin×R4)/(2.09×R3×R2×C2) 由式知电阻R2、R3、R4、和C2直接影响转换结果f0，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。

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