课程设计任务书
学生姓名： 专业班级：
指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目:温度控制系统的设计 初始条件：NTC热敏电阻 TEC LM339运算放大器
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写
等具体要求）
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。 （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℃
时间安排：
第18周理论讲解。 第19周理论设计、实验室安装调试，地点：鉴主13楼通信工程综合实验室、鉴主15楼通信工程实验室（1）
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
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摘要
随着信息时代的到来,传感器技术得到了快速发展,其应用领域越来越广泛,对其要求越来越高,需求越来越迫切.传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一.因此,了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的.通过平日的学习，我们了解了运算放大器，了解了BTL（推挽互
补输出电路）。将我们已学的东西加以运用，组成了今天的这个电路。这个装置可以用来控制系统提供的温度，使得系统温度一直保持在使用者所想要温度点附近（因为控制的温度不可能精确地一直保持在固定的温度点，但是可以在温控器上设定恒温范围的大小数值）,使用者可以利用调整设定来控制温控器，可以用很多方法来设计温控器，也可以使用各种不同的感温元件来测量温度。本文用热敏电阻来感应温度，通过TEC来调节温度。本文也详细介绍了温度控制模块的系统组成及工作原
理,分析了TEC控制电路结构。 关键词： 传感器；TEC：温度控制
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Abstract
With the arrival of the information age,sensor-based technology,as a means of obtaining information,has made remarkable progress.Applied in more fields with higher demands and more urgent needs,sensor-based technology has become one of the important marks of measuring the development of science and technology in a country.Therefore,it is essential to understand and grasp the basic structures,working theories and characteristics of all kinds of sensors.Through our daily study, we have known something about Operational ampliflers and BTL .Using the knowledge we have, we make up the following source. A thermostat is a device for regulating the temperature of a system so that the system's temperature is maintained near a desired setpoint temperature.The article talk about the each parts of temperature control system,and analysis the control source of TEC.
Key words: sensor；TEC； temperature control
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目 录
第一章 系统方案论证 ................................................................ 6 1.1 总体方案设计 ................................................................ 6 第二章 元器件选择与单元电路设计 ...................................... 10 2.1 TEC原理 ..................................................................... 10 2.2 温度改变电路 .............................................................. 11 2.3 温度采样电路 .............................................................. 11 2.4 温控电路 ...................................................................... 13 第三章 仿真结果与分析 .......................................................... 14 第四章 心得体会 ...................................................................... 15 第五章 元器件清单 .................................................................. 16 第六章 参考文献 ...................................................................... 17
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第一章 系统方案论证
1.1 总体方案设计
方案一
薄膜铂电阻将温度转换成电压，经温度采集电路放大、滤波后，送A/D转换器采样、量化，量化后的数据送单片机做进一步处理；当前温度数据和设定温度数据经PID算法得到温度控制数据；控制数据经D/A转换器得到控制电压，经功率放大后供半导体致冷器加热或制冷，从而实现温度的闭环控制。
系统大致可以分为：传感、单片机处理、控制及温控箱。
图1.1
温度传感系统
换能部分采用了电压电路，这主要考虑了电压信号不容易受干扰、容易与后续电路接口的优势；经过铂电阻特性分析，在要求的温度范围内铂电阻的线性较好，所以不必要增加非线性校正电路；采样电压再经过高精度电压放大电路和隔离电路之后输出；另外，由于高精度的需要，电路对电源要求较高，所以采用稳
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压电源电路的输出电压，并且需要高精度运放。
因为温度变化并不是很快，所以电路对滤波器的要求并不高，这里采用了一阶滤波即可满足要求。
温度控制系统
温度控制系统需要完成的功能为：D/A转换器输出的电压控制信号，经过电
压放大，再通过功率单元提高输出功率后，控制半导体制冷器件加热或制冷。故此子系统可分为电压放大、功率输出两部分。
D/A转换器输出的电压控制信号经过电压放大、功率放大后，给两片半导体制冷器件供电。另外单片机还输出一个用来控制是加热还是制冷的控制信号。 功率放大电路采用LM33稳压芯片，可承受高输出电流，且Vout端输出电压与Vadj端的电压差保持不变的特点，可将控制信号利用运放方向放大后，输入至稳压芯片的Vadj端，输出信号的电压范围和功率放大至合适的大小。具体设计为D/A输出的控制信号，经上述处理，在Vout端利用继电器，由单片机输出的加热制冷控制信号控制继电器的闭合方向，改变半导体器件的电流方向，从而控制加热或制冷。 优点：温度控制精确 方案二
图1.2
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下述采用ADN8830设计一种高效率的TEC温度控制器,设计要求电源工作电压为5V, TEC最大工作电压为3. 0V,最大工作电流1A的温度控制系统。 a.功率驱动H桥的设计电路中采用MOSFET功率管H桥输出驱动替代常用的线性调整功率管驱动,这是降低功耗的关键部分。由于采用低导通电阻的MOSFET 功率管,输出驱动消耗在驱动器上的无用功耗就大大减少。同时,采用H桥可以在不增加负电源的情况下,灵活地调整加在TEC上的电流极性,使TEC工作于制冷状态还是制热状态。如图2所示，TEC制冷器设置在H桥的中间,当N2A开关管有效导通、N2B开关管有效关闭、N3B常通、N3A常闭时,电流从TEC的“+”端经TEC流向“-”端。当N2A开关管有效关闭、N2B开关管有效导通、N3B常闭、N3A常通时,电流从TEC的“-”端经TEC流向“+”端。设计时,为了提高电源效率、扩展散热渠道以及使用灵活性和保护ADN8830,控制器采用外接 MOSFET功率管H桥。选用导通电阻小于60毫欧的FDW2520C互补功率MOSFET组建H桥,此互补MOSFET器件单个封装里同时具有P沟道和N沟道功率MOS管。散热条件良好的情况下,连续工作电流可达4A以上,超出设计要求的1A要求,且只需两只封装器件即可组建H桥,使用非常方便。设计的H桥如图2所示。
图1.3
优点：利用良好的温控器使TEC更好地发挥出其特点
方案三
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目前很多小型半导体激光器都集成半导体制冷器(TEC),必须设计相应的控制电路才能使它工作,体积小易集成的温度控制电路更适用于小型光通信系统中使用。使用单个lm224放大器设计了一种高精度TEC温度控制电路,通过将热敏电阻探测的阻值变化转换为电压变化然后以差分放大的方法得到所需工作电压及电流。
温度控制原理：温度控制系统一般是由热敏电阻、TEC热制冷器和温度控制电路构成的闭环系统。集成的热敏电阻一般采用的是高灵敏度的负温度系数NTC,其材料一般为薄膜铂电阻,其体积小、精度高,它作为传感器探测温控箱内部温度,并将温度转化为自身电阻的变化,然后由温度控制电路将电阻的变化转化为电压的变化,其转换精度决定了测温的精度,所以需要差分放大电路来对热敏电阻测温阻值转换后的电压值进行放大,然后由温控电路改变制冷量对激光器进行制冷或放大,以保持温度稳定。一般NTC热敏电阻在温度高一段区域(25℃以上)阻值变化平缓(10 kΩ到0),而在0~25℃范围内,阻值从30 kΩ到10 kΩ变化,趋势较陡。其阻值与温度的变化关系可用公式表示为
RT= RT0exp[B(1/T-1/T0)]
B为热敏电阻材料系数,当测到T0时的阻值RL时,即可以求出温度T时的阻值RT。
图1.4
优点：具有精度高、工作温度范围宽、便于集成等优点。 我选方案三
温度采集 温度传感 温度控制
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第二章 元器件选择与单元电路设计
2.1 TEC原理
TEC(Themoelectric cooling modules)即半导体制冷器[4],它的工作原理是基于珀尔贴效应(J.C.A.Peltier在1834年发现),即当电流以不同方向通过双金属片所构成的结时能对与其接触的物体制冷或加热。两个电偶臂分别用P型和N型半导体材料制成,然后上下分别用金属桥连接,由于电子在金属中的能量要低于在N型半导体中的能量,故在P型电偶臂和N型电偶臂两端加上电压后,电子从金属流到N型半导体需吸收能量,而从N型半导体流到金属中需放出能量,这样a端是电子从金属流向N型半导体,故为吸热端,而b端是电子从N型半导体流向金属故为放热端;反之,当在电偶臂两端加上反向电压时,此时a端则为放热端,而b端则为吸热端。由此可知,若将a端与某物体接触,通过改变回路中电压极性和电流的大小即可以实现对物体的制冷与加热。
图2.1 TEC结构
2.2 温度改变电路
电阻R1与电位器R2并联，此时1节点的电位确定。
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图2.2
2.3 温度采样电路
R4为负温度系数的热敏电阻
图2.3
两单元电路组合成如图2.4的电路，由节点1确定一标准电位，然后与节点2上的热敏电阻的电位通过一个单门限电压比较器进行比较输出。若U2＜U1，输出为负；若U2＞U1，输出为正。
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图2.4
2.4 温控电路
R5为一个TEC，当通过TEC的电流自左向右时，TEC加热；反之，当通过的电流自右向左时，TEC降温。
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图2.5
A2为一个射击跟随器，A3为一个反相比例器，放大倍数为-1。若通过A1输出为正，通过A2然后接到的推挽互补电路左端为正，通过A3接到的右端为负，可以得到通过TEC的电流方向为从左向右；同理可得，当通过A1输出为负时，通过TEC的电流从右向左。
由于R4是负温度系数的热敏电阻，所以当温度升高时，R4电阻减小，U2电位降低，低于标准电位U1，输出为负，则通过TEC的电流从右向左，TEC降温；当温度降低时，R4阻值变大，U2电位升高，高于标准U1，输出为正，通过TEC的电流自左向右，TEC加热；这样达到控制温度的目的。
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第三章 仿真结果与分析
通过multisim软件对电路进行仿真，在TEC两端接上万用表，测量两端电压正负，测量比较U1，U2电位的高低。
由于NTC热敏电阻在0-25°C时电阻由30KΩ-10KΩ变化，当取R4为10KΩ时，得TEC两端电压为负值，即电位左低右高。此时U1电位为
图3.1
U2电位为
图3.2
即U1小于U2。
当R4为30KΩ时，得TEC两端电压为正值，即电位左高右低。TEC两端电压为
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U1电位为
U1＞U2.
由以上结果可得，电路可以正常运行，能达到温度控制的作用。
图3.3
图3.4
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第四章 心得体会
通过本次课程设计使我基本了解了温度控制系统的基本工作原理和组成；并进行仿真研究；掌握了如何使用仿真软件，并且了解了如何用仿真的结果来分析电路的正确以及可行性。再还有很重要的一点就是让我学会如何利用学校的资源。图书馆有各种各样的信息资源，平时都没有好好利用，这次课设也让我更进一步走进图书馆，查阅各种资料，这对于我以后做毕业设计是有相当大帮助的。这次课设对于我来说真的是受益匪浅。
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第五章 元器件清单
NTC热敏电阻 1个
电阻 若干（详见电路图） 电容 若干（详见电路图） 电位器50K 1个 TEC（半导体制冷器） LM339放大器
1个 3个
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第六章 参考文献
1. 谢自美； 《电子线路设计 实验 应用》(第三版)[M]
2. 周帅，张彤，崔一平； 一种TEC温度控制模块的电路设计与仿真[J]； 《电子器件》 2008年05期
3. 洪木南，卢文雯，李建秋； 恒温箱温度控制器设计[J]； 《实验技术与管理》 2010年01期
4. 高加林，郭微波； 一种高效率TEC温度控制器的设计[J]； 《集成电路通讯》2007年01期
5. 曾华林;；江鹏飞； 谢福增；半导体激光器温度控制研究[J]； 《激光与红外》2004年05期
6. 王瑗,余建波,王云,赵铁松；热敏电阻温度特性的计算机数据采集[J]； 《物理实验》2007年03期
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