電子溫控器

1 設(shè)計(jì)要求
 1.1用所學(xué)知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際，設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)單有效的溫控電路；
 1.2控制溫度從0~100攝氏度連續(xù)可調(diào)；
 1.3控制溫度精度可達(dá)±0.2攝氏度；
 1.4使用通用器件。
2 技術(shù)指標(biāo)
 2.1電源：直流（DC）12V；
 2.2繼電器最大工作電流：200mA；
 2.3電路工作溫度：－10~25攝氏度；
 2.4繼電器功率：2×1.5KW；
 2.5控制電路功耗：350mW。

電子溫控器
摘  要  本電路通過(guò)電橋電路對(duì)溫度采樣，并對(duì)采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)精確放大、比較，來(lái)調(diào)整加熱器的工作狀態(tài)，從而使溫度精確保持在一穩(wěn)定值。
關(guān)鍵詞  電橋電路、Cu100、電橋采樣、OP77、電壓比較、飽和導(dǎo)通。
1 引言
 隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)事物的要求越來(lái)越高。尤其在科研領(lǐng)域，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確，更加具有權(quán)威性，其對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求之高乃是常人難以想象的。由于溫度對(duì)決大多數(shù)物質(zhì)來(lái)說(shuō)都有影響，所以，對(duì)環(huán)境溫度的理想控制一直以來(lái)是人們急待解決的問(wèn)題。
    此次設(shè)計(jì)由于時(shí)間以及各方面限制，在盡量保證溫度控制精確的前提下，借先人經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)合理修改，成為一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越的溫度控制電路。可以給一般實(shí)驗(yàn)提供較為良好的工作環(huán)境。
2 總體設(shè)計(jì)方案
 2.1設(shè)計(jì)思路
 傳統(tǒng)的機(jī)械式溫度采樣體積相對(duì)較大，精度還不夠高；而以往電橋式采樣，其工作范圍最多在0~95攝氏度。本次設(shè)計(jì)取樣電路采用Cu100,經(jīng)可調(diào)電阻設(shè)定溫度（其理論工作溫度在－50~150攝氏度之間），通過(guò)OP77的多級(jí)精確放大比較，驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)來(lái)控制加熱器，使被控體溫度始終保持在設(shè)定值上，從而來(lái)滿足人們工作及研究的一般性需求。
 2.2溫控器方框圖

設(shè)計(jì)原理分析
 3.1核心元件介紹
 OP77
 OP77運(yùn)算放大器實(shí)物外形如右圖所示，是美國(guó)PRECISION MONOLITHICS INC.的產(chǎn)品，是一款公認(rèn)的精密、低噪聲、低漂移運(yùn)算放大器。其內(nèi)部設(shè)有短路保護(hù)系統(tǒng)，防止負(fù)載短路時(shí)損壞器件。其2腳、3腳分別為反相輸入和正相輸入端、6腳為輸出端、7腳、4腳分別接正負(fù)12V電源、1腳、8腳為輸入端、5腳為空腳。
 
 銅熱電阻Cu100
Cu100分度表（ITS—90）

 溫控器電路圖如下所示：

溫 控 器 原 理 圖
 基準(zhǔn)電壓與調(diào)整電路：D1、R1、RP1、RP2；
 電壓采樣電路：R2、Rz；
 電壓放大電路：IC1、IC2、RP3、RP4；
 電壓比較電路：IC3、R3、R4、R5、RP5；
 放大驅(qū)動(dòng)電路：IC4、Q、D2、D3、J、R6、R7、R8、R9、R10、RP6、RP7。
 3.2電路原理
    電路中RP1和D1為采樣電橋電路提供穩(wěn)定的5V電壓，減少由于電源電壓波動(dòng)對(duì)采樣電路造成的影響，提高電路的可靠性與精度。OP77的1腳和8腳也為輸入端，從RP3到RP6均接到這兩個(gè)管腳上，并將中間抽頭接到電源端，將其調(diào)到一合適值，使1腳與8腳電位達(dá)到一種平衡，從而防止外界變化對(duì)電路的干擾，提高電路的可靠性。
    預(yù)先設(shè)置RP2，將所需溫度調(diào)到50攝氏度，電路開(kāi)始工作時(shí)，假設(shè)受控物溫度為0攝氏度，則Rz將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為0.5mV的電壓送到到IC2的同相輸入端。IC2的2腳和6腳用導(dǎo)線連接，在此僅做為電壓跟隨器。由IC2的6腳輸出一正電壓，經(jīng)R3加到IC3反相輸入端。同理，此時(shí)，IC1的同相輸入端由基準(zhǔn)調(diào)整電阻RP2提供1mV的高電平，它輸出電壓正，經(jīng)R4加到IC3正相輸入端。
 前方輸入的這兩電壓存在差值，于是IC3對(duì)其進(jìn)行比較放大。（Up與Uz分別表示IC1與IC2輸出電壓）由虛短和虛斷：

由于R3與R5阻值的巨大差別，因此，Uo3的值較Up與Uz亦有了百倍級(jí)的放大，輸出一個(gè)負(fù)電壓，經(jīng)R6加到IC4的反相輸入端。
    IC4的正相輸入端接地，而反相輸入端加一負(fù)電壓，與上面公式同理得，IC4的6腳將輸出一個(gè)較Uo3大數(shù)倍的正電壓，經(jīng)R8加到開(kāi)關(guān)管Q的基極。RP7為負(fù)反饋電阻，保證差值電壓的精確放大。三極管Q原本處于截止?fàn)顟B(tài)，加上Uo3這一電壓后，Q便會(huì)立即飽和，此時(shí)12V電源經(jīng)Q發(fā)射極與集電極加到繼電器上產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，使繼電器動(dòng)觸點(diǎn)便吸合，220V電壓便加到加熱器上，開(kāi)始給受控物加熱。R9和R10為開(kāi)關(guān)管Q提供偏置電壓。當(dāng)繼電器加電之后，指示燈D2便點(diǎn)亮，指示工作狀態(tài)。
    加熱器持續(xù)加熱，環(huán)境溫度逐漸上升到設(shè)定溫度，同時(shí)采樣電阻Rz阻阻值亦上升。當(dāng)其值與RP2達(dá)到平衡后，IC2的同相輸入端也加上一個(gè)與IC1同相輸入端相同的電壓。經(jīng)IC1、IC2同相跟隨之后，共同加到IC3的正反相輸入端。由于此兩電壓相等，所以IC3輸出為零。同理，IC4輸出亦為一個(gè)低電平。加到Q基極，使其截止，從而繼電器J失電，動(dòng)觸點(diǎn)復(fù)位，切斷加熱器的供電電路。D3在這里是防止J失電時(shí)，自身產(chǎn)生的感應(yīng)電壓不能形成回路，將繼電器燒壞。上述過(guò)程根據(jù)受控物溫度變化反復(fù)進(jìn)行，使其始終保持在設(shè)定值上。
 3.3電路測(cè)評(píng)
 本電路受控開(kāi)關(guān)——電磁繼電器，由于前一部分采樣與放大電路的設(shè)計(jì)精度較高，所以其吸合與斷開(kāi)較為頻繁，影響其壽命，并且其可靠性不如電子開(kāi)關(guān)。可用電子開(kāi)關(guān)及其相應(yīng)控制電路來(lái)改進(jìn)這一缺限，從而進(jìn)一步提高電路性能。電路的前部采樣與比較放大電路精度較高，其后部可通過(guò)增加其它相應(yīng)電路來(lái)提實(shí)現(xiàn)更多功能。可適用于一般單位的較高精度溫度控制。
4 說(shuō)明
    本電路在參考文獻(xiàn)上所用運(yùn)算放大器型號(hào)為OP07，但在元件參數(shù)查詢時(shí)，發(fā)現(xiàn)了OP77這一升級(jí)產(chǎn)品，它們相應(yīng)管腳功能與工作電壓均相同，但性能更優(yōu)于OP07。因此，本電路采用OP77，以方便元件的替換。
5 設(shè)計(jì)總結(jié)
    通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我們能夠把所學(xué)知識(shí)從書(shū)本上拿下來(lái)，應(yīng)用到實(shí)際生活之中，使學(xué)習(xí)從質(zhì)上發(fā)生了飛躍。在圖書(shū)館及互聯(lián)網(wǎng)上查閱資料，增強(qiáng)了我們查閱資料、組織材料的能力。并通過(guò)對(duì)電路CAD軟件Protel99的使用，認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方便快捷與智能。從知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用中認(rèn)識(shí)到自己的不足，以便于在以后的學(xué)習(xí)與工作中能夠從整體的高度認(rèn)識(shí)自已，完善自己。
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