1、水温测量与控制电路的设计与仿真1 设计任务与要求 温度测量，测量范围 0100 ；控制温度1 ；控制通道输出为双向晶闸管或继电器，一组转换触点为市电（220V，10A） 。学习并运用 proteus 仿真软件，绘制电路图，进行基本的仿真实验对所设计的电路进行分析与调试。2 方案设计与论证温度控制器是实现可测温度和控制温度的电路，通过对温度控制电路的设计、调试了解温度传感器的性能，学会在实际电路中的应用。进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。Proteus 介绍：Proteus 软件是由英国 Labcenter Electronics 公司开发的 EDA 工具软件，已有近 20 年的历史，
2、在全球得到了广泛应用。Proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。Proteus 软件和我们手头的其他电路设计仿真软件最大的不同即它的功能不是单一的。它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美；它的电路仿真功能可以和 Multisim 相媲美，且独特的单片机仿真功能是Multisim 及其他任何仿真软件都不具备的；它的 PCB 电路制版功能可以和Protel 相媲美。它的功能不但强大，而且每
3、种功能都毫不逊于 Protel，是广大电子设计爱好者难得的一个工具软件。Proteus 具有和其他 EDA 工具一样的原理图编辑、印刷电路板(PCB)设计及电路仿真功能，最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化。通过Proteus 软件的 VSM(虚拟仿真模式)，用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路、单片机及外围元器件等电子线路进行系统仿真 Proteus 软件由 ISIS 和 ARES 两部分构成，其中 ISIS 是一款便捷的电子系统原理设计和仿真平台软件，ARES 是一款高级的 PCB 布线编辑软件。Proteus ISIS 的特点有：实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真的结合。具
4、有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232 动态仿真、I2C调试器、SPI 调试器、键盘和 LCD 系统仿真等功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。具有强大的原理图绘制功能。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有 68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件
5、编译和调试环境，如Keil C51 uVision2 等软件。2.1 温度控制系统的基本原理：温度测量与控制原理框图如图下所示。 本电路有温度传感器，K-OC 变换、控制温度设置、数字电压表（显示）和放大器等部件组成。温度传感器的作用是把温度信号转换成电流信号或电压信号，K-OC 变换将热力学温度 K 转换成摄氏温度 OC。信号经放大器放大和刻度定标后由数字电压表直接显示温度值，并同时送入比较器与预先设定的固定温度值进行比较，由比较器输出电平的高低变化来控制执行机构（如继电器）工作，实现温度的自动控制。2.2 AD590 温度传感器简介：AD590 是单片集成感温电流源，具有良好的互换性和线性
6、性质，能够消除电源波动，输出阻抗高达 10M。器件采用 B-1 型金属封装。其主要特征如下；流过器件的电流变化 1A,等于器件的热力学温度变化 1K 即转换当量为1A/K。测量温度范围为-55+150AD590 的电源电压范围为 430V。电源电压可 46V 范围变化，可承受 44V 正向电压和 20V 的反相电压，器件反接也不会被损坏。精度高，AD590 共有 I、J、K、L、M 五档，其中 M 档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590 为电流型 PN 结集成温度传感器，其输出电流正比于热力学温度。0温度时输出电流为 273.2A，温度每变化 1，输出电流变化 1A
7、。由于生产是经过精密校正，AD590 的接口电路十分简单，不需要外围温度补偿和线性处理电路，便于安装和调试。U01传传传传传传传传传 K-C传传 传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传传U02U03U04温度测量晕控制原理框图3 单元电路设计与电路原理3.1 温度-电压变换电路如图 1U01 = (1A/K)*R = R * 10 -6/KK-表示 K 氏温度，如果 R= 10K 则 ： U01 = 10mV/K3.2 K-变换电路因为 AD590 的温控电流值是对应热力学的温度 K,而温控中需要采用摄氏温度由运算放大器组成的加法器可实现这一转换，参考电路如图 2 所示。图 1 温度-电压变
8、换电路图 图 2. K- 变换参考电路元件参数的确定和-UR 的选取的指导思想是：0（即 273K）时，UO2=0V。3.3 放大器为使输出电压与控制温度的相互关系清晰表现出来，设计一个反相比例运算放大器，使其输出 U03 =100mv/，如图 3。用数字电压表可实现温度显示。图 3 反相放大器 3.4 温度比较电路O1URAD590VCCR1R2 Rf1RbA2U-UO1RUO2温度比较电路由电压比较器组成，如图 4 所示。V REF为控制温度的设定电压（对应控制温度的） ，Rf2 用于改善比较器的迟滞特性，决定控制温度的精度。 （这次设计中，我的 VREF=5V，用电池代替。 ）图 4 比
9、较器电路 图 5 继电器驱动电路继电器驱动电路如图 5 所示。当被测温度超过设定温度时，继电器动作，使继电器断开，停止加热；反之被测温度低于设置温度时，继电器闭合，进行加热。NPN 型晶体管 VT 作为开关管用来驱动继电器线圈是否得电，从而控制加热装置达到控制温的目的。二极管 VD 的作用是继电器线圈断电瞬间，提供能量释放回路，防止击穿驱动晶体管 VT。3.5 测试要点用温度计测量传感器处的温度 T(),若温度 T=27(300K),取 R=10K,则 UO1=3V,调整 UR 的值使 UO2=-270mV,若反相比例放大器的放大倍数为-10倍，则 UO3 应为 2.7V。测量比较器的比较电压
10、 VREF 的值,使其等于所要控制的温度乘 0.1V。如设定温度为 50，则 VREF 的值为 5V。比较器的输出可接 LED 指示灯，在温度传感器加热（可用电吹风实现）到温度小于设定值前 LED 一直处于点亮状态，反之，则熄灭。如果控温精度不良或过于灵敏造成继电器在被控触点抖动时，可改变电阻 Rf2.亦可用另一方案：R1Rf2RbA3UVO3REFUO4VTVD KVCCR5ac 220VU04I=(273+T)UA0.323mAR110kGNDB112V R210kR310kR410kR510kGNDU1OP1PU2OP1PGNDBAT22.73V图 6 温度测量电路图中 AD590（用电
11、流源代替）的输出电流 I=(273+T)A（T 为） ，因此测量的电压 U=(273+T)A*10k=2.73+T/100V,利用电压跟随器缓冲隔离，U=U1。由于一般电源供应较多器件之后，电源是带噪声的，因此可使用稳压管利用可变电阻分压调整，使 U3=2.73V（此处直接用 2.73V 电池代替） 。差动放大器，其输出为 U2=10(U2-U1) )=T/10V。如果 T=28,则输出电压为 2.8V。 4 总原理图及元器件清单4.1 元件清单：元件 标号 型号 说明电池 B1 BATTERY 提供电压电流源 I CSOURCE放大器 U1、U2、U3 OP1P、OP1P 、COMPI电池
12、BAT123 CELL电阻 R RES接地线 GND交流源 AC 220V ALTERNATOR继电器 RL1 RLY-SPNO灯泡 L1 LAMP二极管 D1 DIODE三极管 Q1 NPN电感 加热 REALIND 用于表示加热装置电压表4.2 总原理图：I=(273+T)UA0.323mAR110kGNDB112V R210kR310k R410kR510kGND+8.8Volts表 1 +8.8Volts表 2U1OP1U2OP1GNDR61kR71kGNDR8100kR910k Q1NPNGNDD1DIODEU3COMPIRL1RLY-SPNOBAT15VAC 20V加 热1mHL1
13、20VBAT22.73VBAT312V +8.8Volts表 35 电路功能测试结果当被测温度小于控制温度（这里取 50）时，灯亮，电感（指代加热装置）工作，对水进行加热。当被测温度大于控制温度时，灯灭，不加热，使水自然降温，当水温降至控制温度下时又使电路工作，使温度保持在控制温度。 （为使在仿真时看到灯的亮灭情况，把交流电压源的频率调为1Hz，因为频率太快在仿真上看不出。 ）当 T=0时，即电流源为 0.273mA 时，表 1 显示+2.73V，表 2 显示0V，表 3 为+5V，U3=+5V 使继电器工作闭合，灯亮，电器加热使温度升高。当 T=40时，即电流源为 0.313mA 时，表 1
14、 为+3.13V，表 2 为+4V，表 3 为+5V，灯亮，电器加热使温度升高。当 T=60时，即电流源为 0.333mA 时，表 1 为+3.33V，表 2 为+6V，表 3 为 0V，继电器不工作，灯灭，电器不加热。当 T=70时，即电流源为 0.343mA，表 1 为+3.43V，表 2 为+6V，表 3 为0V，灯不亮，加热器不加热。6 结论与心得表 1 所显示的数为 2.73+T/100（V） ；表 2 所显示的数为 100mV/*T；表 3所显示的数是根据 U2 即表 2 所显的数与+5V 作比较，当小于+5V 时显示+5V，当大于+5V 时显示 0V，它所显示的数只有+5V 或 0V，不随 VREF 的值（+5V）改变。本次课程设计过程中，根据温度测量与控制原理，将温度-电压变换电路，K-变换电路，反响放大器，比较器电路，继电器驱动电路连接起来，然后对电路按要求进行扩展与调试。本次课程设计前期主要是对 proteus 软件的学习，熟悉与掌握基本的运用，中期就是查找资料与实践，这使我再一次的温习了模电的知识得到更大的巩固，后期就是制作了，在制作的过程中也遇到了很多问题，但都坚持下来了，过程很辛苦但收获很快乐。同时这也是对我过去所学、问题解决能力的一次考验吧，让我清楚的认识到书本上学到的不一定能很好的运用到实践中。
