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温度调节控制器

电路实践系列讲义

温度调节控制器

2012-4-18

温度调节控制器

（一）

温度调节控制器要求

设定温度可调：

20℃--29℃。

设定温度用数码管显示。

当电路检测到的环境温度高于设定温度时，表示控制信号的发光二极管亮，否则表示控制信号的发光二极管不亮。

设计思路；

电路必须有温度传感器，将环境温度信号转换为电信号。

可用温度传感器采用LM35。

附：

LM35资料　如图为温度传感器LM35的实物图，从图中我们可知LM35各管脚名称，以便我们正确安装这个器件。

1脚接电源+VC，3脚接地（GND）或者接负电源，2脚为信号输出端。

电源电压范围为+4V—+20V，输出端输出直流电压与温度的对应关系为10mV/℃，即当温度为20℃时，器件输出电压为200mV=0.2V。

测量温度的范围0℃--100℃（LM35CZ还可测温度的范围－40℃--+110℃，但要增加负电源供电，请读者查阅相关资料）。

功耗非常小，器件在不同温度下使用时从电源吸收的电流为恒定的50μA，所以一般不到1mW的功率。

对温度信号进行放大，得到合适的与温度对应的电压信号。

电路可选用0.1V/℃。

由于设定温度信号需要数码显示，因此采用十进制计数器对单脉冲信号进行计数（单脉冲电路的按键就是设定温度的调节按键），

由于十位上数字不变（此位上的数字是固定的），只变化个位，所以只需要一个十进制计数器。

由于设定温度信号通过计数器后是以数字信号形式出现的，注意到环境温度信号是以模拟信号形式出现的，两者不统一，考虑到模拟信号大小的比较非常容易，所以将设定温度的数字信号转化为模拟信号。

所以必须有一个数字信号转化为模拟信号的电路（即数/模转换电路D/A）。

是否输出控制信号，是由环境温度信号和设定温度信号的大小关系来决定的，当环境温度高于设定温度（即环境温度对应的电压高于设定温度对应的电压）时，电路输出控制信号，表示控制信号的发光二极管亮。

当环境温度低于设定温度（即环境温度对应的电压低于设定温度对应的电压）时，电路不输出控制信号，表示控制信号的发光二极管不亮。

因此，需要一个电压比较器。

设定温度显示电路，表示十位的数字用一个数码管就可以了，让它固定地显示“2”。

十进制计数器输出的就是个位设定温度数字，所以让计数器输出接七位数码解码驱动器74LS48，用74LS48直接驱动数码管，所显示的就是设定温度的个位数。

电路构成如下图所示。

发光二极管工作电路。

各单元电路的设计

放大器，可以由运算放大器构成，由于是单电源供电，所以采用同相比例放大器。

放大倍数应为10。

同相比例放大器电路如图所示，因为同相比例放大器的放大倍数为

A=1+R2/R1

所以R2/R1=9

取R1=10K，R2=91K

通用运算放大器LM358是一块双运放集成电路，内含二个完全一样的运算放大器，引脚8个，引脚编号1，2，3，4，5，6，7，8按如下方法确定：

正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圆点的位置在左下），左下第一引脚为1，然后按逆时针顺序依次确定2，3，4，5，6，7，8，即左上脚为8号引脚。

实物图如下左图所示。

8脚接正电源，4脚接负电源或地GND．引脚3，2，1三个脚组成A运放（其中引脚3为A运放的同相输入端，引脚2为A运放的反相输入端，引脚1为A运放的输出端），引脚5，6，7三个脚组成B运放（其中引脚5为B运放的同相输入端，引脚6为B运放的反相输入端，引脚7为B运放的输出端）。

运算放大器LM358电路符号。

通用运算放大器LM324简介通用运算放大器LM324是四运放集成电路，内含四个完全一样的运算放大器，引脚14个，引脚编号1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14按如下方法确定：

正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圆点的位置在左下），左下第一引脚为1，然后按逆时针顺序依次确定2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，即左上脚为14号引脚。

实物如图所示。

4脚接正电源，11脚接负电源或地GND．引脚3，2，1三个脚组成A运放（其中引脚3为A运放的同相输入端，引脚2为A运放的反相输入端，引脚1为A运放的输出端），引脚5，6，7三个脚组成B运放（其中引脚5为B运放的同相输入端，引脚6为B运放的反相输入端，引脚7为B运放的输出端）。

引脚10，9，8三个脚组成C运放（其中引脚10为C运放的同相输入端，引脚9为C运放的反相输入端，引脚8为C运放的输出端）。

引脚12，13，14三个脚组成D运放（其中引脚12为D运放的同相输入端，引脚13为D运放的反相输入端，引脚14为D运放的输出端）上图为运算放大器LM324电路符号。

3运算放大器LM358和LM324的主要参数

电源电压范围单电源+3.0V--+32V，双电源±1.5V--±16V

输出高电平大约比电源电压低1.5V，

最大输出端拉电流40mA，最大输出端灌电流20mA，

555定时器555定时器是一块常用的集成电路，电路符号如左图所示，8为电源端VCC，1为公共端GND。

所加电源电压范围：

4.5V

两个比较器C1和C2，C1的比较电压为2/3VCC，C2的比较电压为1/3VCC，当比较器“+”端电压大于比较器“-”端电压时，比较器输出高电平（其状态用1表示），当比较器“+”端电压低于比较器“-”端电压时，比较器输出低电

平（其状态用0表示）。

G1，G2两个与单脉冲发生器，本电路中的单脉冲发生器直接利用实验板上的单脉冲发生器。

下面就其电路结构及计算加以说明。

非门构成基本RS触发器，G3为输出缓冲反相器，起整形和提高带负载能力的作用。

T为泄放三极管，为外接电容提供充放电回路。

利用555定时器设计电路时，主要是考虑如何让2和6的电位发生变化（外接信号或利用电容器的充放电过程实现）而让定时器的输出状态发生变化，而设计成各种具有不同功能的电路。

实际555器件如小图所示，有小圆点对应的脚为1脚，依逆时针方向依次为2，3，4，5，6，7，8号脚。

555应用：

单脉冲发生器,电路如图所示。

当按键按下时，“2”脚电位为0，从内部图可知，2脚所在比较器C2同相输入端电位低于反相输入端电位，所以该比较器输出低电平0，G2输出高电平1，G1输出低电平0（注意到比较器C1输出高电平，因6脚所接电容现在电压为0），泄放三极管T截止，反相器G3输出高电平1，脉冲信号开始形成。

注意到此时7脚与内部是断开的（T截止），电源通过R14对电容C2充电，6脚电位开始升高，当6脚电位升高到2/3VCC时，比较器C1从高电平跳到低电平0，G1输出高电平（T饱和导通，电容电荷立即全部泄掉），G3输出低电平，脉冲信号结束。

单脉冲信号由3脚输出。

单脉冲维持时间通过理论计算得

T=1.1R2C2

本电路取值，T=0.33S

取R2=3M，C2=104

十进制计数器

利用74LS90构成十进制计数器，脉冲信号从CLK0端（14）加入，数据从Q3Q2Q1Q0端输出，Q0为最低位，Q3为最高位。

因计数器总是处于计数状态，所以MS1，MS2，MR1，MR2都接低电平，CLK1接Q0。

74LS90是二-五-十进制计数器　CLK0和CLK1是两个脉冲信号输入端，Q3Q2Q1Q0是四个计数信号输出端，MS1和MS2是两个置９端，高电平有效，MR1和MR2是两个清零端，高电平有效。

5脚接电源（+5V），10脚接公共端GND。

输出高电平为3.6V，输出低电平为0V。

当将CLK1接Q0，脉冲信号从CLK0输入时，作为BCD十进制计数器使用。

若将Q3与CLK0相连接，计数脉冲从CLK1输入，则作为二-五混合十进制计数器使用。

数模转换器

数模转换器由运放构成的加法器实现，数字信号为0000—1001（1代表高电平，74系列高电平为3.6V，0代表低电平，74系列低电平为0V），QDQCQBQ0各端子分别单独作用时所形成的模拟电压应分别为基准电压单位的8倍4倍2倍1倍。

这样就将数字信号转化成了模拟信号。

电路如图所示。

产生的基准电压为0.21V。

即当Q0单独作用时输出电压为0.21V，当QB单独作用时输出电压为0.21V的2倍即0.42V，当QC单独作用时输出电压为0.21V的4倍即0.84V，当QD单独作用时输出电压为0.21V的8倍即1.68V。

只要R5=2R9，R6=R9，R7=（1/2）R9，R8=（1/4）R9就可以满足以上关系。

结论的推导思路：

Q0单独作用时（注意此时R6，R7，R8是与R9并联的），在R9上产生的电压为U，列出关系式。

Q1单独作用时（注意此时R5，R7，R8是与R9并联的），在R9上产生的电压为2U，列出关系式。

Q2单独作用时（注意此时R6，R5，R8是与R9并联的），在R9上产生的电压为4U，列出关系式，Q3单独作用时（注意此时R6，R7，R5是与R9并联的），在R9上产生的电压为8U，列出关系式。

共四个关系式，设R9=R，R5=aR，R6=bR，R7=cR，R8=dR，并注意到条件a，b，c，d必须大于0，以确定U的取值范围，在U的取值范围内确定一个合适的数值，再解由这四个方程组成的方程组，计算出a，b，c，d四个值，确定了R5，R6，R7，R8四个电阻与R的关系。

但求解这个方程组比较困难，作者是在寻找规律的基础上直接找出结果。

方法是先解答二位加法器的电路，找出其规律再应用到四位加法器上，然后加以验证。

四位加法器输出要求：

当Q0单独作用时，输出为0.25V（为什么这样设定，后面再说明），因此，放大倍数为0.25/0.21=1.190，

即R4/R3=1.190-1=0.190。

取R3=20K，R4=3.6K。

附：

迭加原理

当电路有几个电压源同时作用时，电路的电流电压等于各个电压源单独作用时所产生的电流电压之和。

注意：

考虑某个电压源单独作用时，其它电压源置0（即其它电压源电压为0，相当于接地）。

加法器

因为从数模转换器输出的电压信号只反映了设定温度的个位数，还不是与设定温度对应的电压信号，因此还需要一个加法器将个位信号与十位信号相加，并变成与温度准确的对应量，其计数器输出数字量，数模转换器输出量，加法器输出量,设定温度对应关系如下：

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

0

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.00

2.25

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

20℃

21℃

22℃

23℃

24℃

25℃

26℃

27℃

28℃

29℃

下面通过计算确定R11，R12，R13的值。

注意到数模转换器输出接R11，+5V电源接R12。

当R11所接信号电压为0.25V单独作用时，在R13上产生的电压应为0.1V（此关系若成立，则当R11所接信号电压为0.25V的0—9倍时，在R13上产生的电压就会为0.1V的0—9倍即0.1V--0.9V也会成立）。

当R12所接信号电压为+5V单独作用时，在R13上产生的电压应为2V，这样，当两个信号同时作用时，在R11上产生的电压是2.0V—2.9V。

设R13=R，R11=xR，R12=yR，当R11所接信号电压为0.25V单独作用时，在R13上产生的电压应为0.1V，此时R12与R13是并联的，列出关系式

简化等式得

①

当R12所接信号电压为+5V单独作用时，在R13上产生的电压应为2V，此时R11与R13是并联的，列出关系式

10

简化等式得

②

解由①②组成的方程组得

取R13=R=20K，R11=10K，R12=10K.。

从此处可知四位加法器输出电压设为0.25V的优点了。

如果控制电路只让环境温度与设定温度比较，产生控制信号控制空调的工作，将会出现当环境温度降到设定温度时，空调出现频繁开关机的现象，这是不可能正常工作的。

因此，需要设计一个延迟量，如2℃，即空调应该是如下工作状态：

当环境温度高于设定温度时，开机，随着开机过程的进行，环境温度降低，当降低到设定温度时不停机，一直降到比设定温度低2℃时才停机；停机后，环境温度升高，当升高到设定温度时，空调才重新开机。

即开停机的时间是环境温度变化2℃的时间。

本电路为了观察现象比较明显，将设定温度延迟量设为4℃，这样对应的电压变化量就有0.4V，便于测量和观察。

以设定温度平均值25℃为参考确定电阻R14和R15。

即当R14和R15上的总电压为2.5V时，R14上的电压为0.4V，则R15上的电压为2.1V，因为电压之比等于电阻之比

取R14=10K，则R15=52.5K。

取R15=51K。

控制信号的形成及显示电路

设设定温度为25℃，设比较器U3C输出U1，比较器U3D输出U2，与非门U4A的输入为x1,x2,输出为y3,与非门U4D的输入为x12,x13,与非门U4D输出y11。

当环境温度高于25℃时，x1=U1=0,y3=1,使得x12=1

而x13=U2=1,所以y11=0（使得x2=0），LED亮，开机。

当环境温度低于25℃但高于21℃时，x1=U1=1,但x2=0所以y3=1,使得x12=1，而x13=U2=1,所以y11=0（使得x2=0），LED亮，开机。

当环境温度低于21℃时，x13=U2=0，所以y11=1（使得x2=1）,LED灭，停机。

而x1=U1=1,x2=1所以y3=0（使得x12=0）。

从以上讨论可知，降温过程中降到设定温度时不停机，要降到比设定温度低4℃时才停机。

停机后，环境温度开始升高，当升高到高于21℃时，x13=U2=1，但注意到x12=0，所以y11=1，LED灭，继续处于停机状态。

当环境温度升高到高于25℃时，x1=U1=0,y3=1,使得x12=1，注意到x13=U2=1，所以y11=0，LED亮，开机。

从以上讨论可知，当停机后温度升高，但升高到21℃时继续处于停机状态，一直升高到设定温度时才开机。

当然，这个21℃也可以设计成其它数值，如22℃，23℃，等等，只要改变R14或R15的电阻值就可以了。

模拟环境温度信号形成电路

电路用于课程设计时，由于并没有使得环境温度发生变化，所以当采用温度传感器时，我们只能观察到用于表示开停机信号的发光二极管一直亮或一直灭，而观察不到开停机过程和现象。

对于做课程设计来说这是不太理想的。

因此需要设计一个模拟环境温度变化的一个电路。

这个电路要产生这样的一个电压信号，当开机状态（即LED亮）时，这个电压要逐渐降低，当降低到设计值时，停机（（即LED灭），然后这个电压要逐渐升高，当升高到设计值时，开机（（即LED亮），如此循环。

如图所示，当开机状态（即LED亮）时，Q1截止，Q2导通，电容器放电，电压降低；当停机状态（即LED灭）时，Q2截止，Q1导通，电容器充电，电压升高；

13

电阻R17，R18，R19的计算

设停机时间为T1，即充电时间为T1，而电容器在充电时间内电压升高0.4V，设Q1饱和导通，压降为0.7V，电容上电压为2.5V时电流最小，电容上电压为2.1V时电流最大，取其平均状态2.3V计算电流（需要准确计算时采用积分法）：

同理，设开机时间为T2，

取C=2200μF，设停机时间T1=44秒，开机时间T2=26秒，

计算得：

R17=100K.，R19=47K。

设三极管β=30（要以最小的可能值计算），三极管处于临界饱和状态，基极电流的β倍大于最大集电极电流。

R18<3M，取R18=470K。

提示：

这个电路可能取R18=1M更合适。

温度调节控制器

（二）

温度调节控制器要求

设定温度可调：

24℃--27℃。

设定温度用发光二极管显示。

当电路检测到的环境温度高于设定温度时，表示控制信号的发光二极管亮，否则表示控制信号的发光二极管不亮。

设计思路；

电路必须有温度传感器，将环境温度信号转换为电信号。

可用温度传感器采用LM35（它的性能在上节已经介绍）。

由于设定温度信号需要发光二极管显示，因此采用移位计数器4017对单脉冲信号进行计数（单脉冲电路的按键就是设定温度的调节按键）。

移位计数器4017简介

4017外形结构为DIP16。

其中（8）脚接GND，（16）脚接+VCC电源（最高18V）。

CLK-脉冲信号端，RST-复位端（高电平有效），

ENA-片选端，低电平有效（此端为0时，芯片工作，此端为1时，芯片禁止工作），

CO-进位端，高电平有效。

Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0-数据输出端，Q9为最高位，Q0为最低位。

计数器每接收到一个脉冲，1状态从Q0端开始依次向高位移一位。

注意到，输出端十个中任何时间都只可能有一个端为1，而其它都为0。

各数据输出端的输出电流不能大于1mA（说明带负载能力较差）。

四二输入与非门４０１１简介：

40１１外形结构为DIP1４。

其中（７）脚接GND，（1４）脚接+VCC电源（最高18V）。

输出端的输出电流不能大于1mA（说明带负载能力较差）。

四个与非门的详细情况如下图所示。

它们每个与非门有二个输入端和一个输出端。

四模拟开关４０６６简介：

40６６外形结构为DIP1４。

其中（７）脚接GND，（1４）脚接+VCC电源（最高18V）。

四个模拟开关的详细情况如下图所示。

它们每个模拟开关有一个输入端和一个输出端（注意，它们谁为输入端谁为输出端都可以），一个控制端（分别为13，12，5，6），控制端为高电平时，开关导通，当控制端为低电平时，开关截止，。

是否输出控制信号，是由环境温度信号和设定温度信号的大小关系来决定的，当环境温度高于设定温度（即环境温度对应的电压高于设定温度对应的电压）时，电路输出控制信号，表示控制信号的发光二极管亮。

当环境温度低于设定温度（即环境温度对应的电压低于设定温度对应的电压）时，电路不输出控制信号，表示控制信号的发光二极管不亮。

因此，需要一个电压比较器。

设定温度显示电路，用发光二极管电路显示其设定温度。

发光二极管工作电路。

各单元电路的设计

放大器，与温度调节控制器

（一）相同。

请实验者阅读其相关内容。

555定时器原理及应用与温度调节控制器

（一）相同。

请实验者阅读其相关内容。

设定温度信号电压的产生

采用最简单的电阻分压电路得到与设定温度对应的电压，即2.4V，2.5V，2.6V，2.7V。

由R3，R4，R5，R6，R7构成。

具体设定温度值为多少，是由4017的状态决定的，而4017的状态是由单脉冲电路的按键动作决定的，每按一次按键，4017的输出高电平移一位。

就可以选择不同的模拟开关导通而选用不同的设定温度。

电阻分压电路的负载电流必须为0，否则会改变其分压电路的分压值，因此，在电压信号通过模拟开关后需要接一个隔离电路，利用运放构成隔离电路是一个理想的方案。

电路的其它部分与温度调节控制器

（一）相同。

请实验者阅读其相关内容。

整体电路解说：

本实验项目采用方案二，现就电路的工作过程进行解说。

电阻R3—R7为分压电路，按以上电阻参数选定电阻，分压电路可以分别得到2.4V，2.5V，2.6V，2.7V电压，分别送到四个模拟开关的输入端，555及电阻R1，R2及电容C1，C2构成单脉冲信号发生器，每按一次按键，产生一个脉冲，送到计数器４０１７进行计数，在脉冲信号的作用下，４０１７的状态变化００００，０００１，００１０，０１００，１０００，００００循环变化。

注意到Q4端接复位端，4017的输出端分别接四个模拟开关的控制端，因为每种状态下最多只有一个高电平，所以最多只有一个模拟开关导通，选出一个分压电压信号送到电压跟随器（电压跟随器是为了起隔离作用，现在这样接，不论开关导通情况是什么状态，因为通过开关的电流为０，不会影响分压电压的输出结果。

否则，由于开关有电流通过，分压电路的电压值就不是由R3—R7决定，将会是随着开关导通状态的变化而变化，这一点请实践者在其它的电路中也要引起相当的重视），所以随着按键动作的进行，电压跟随器输出的电压信号分别为2.4V，2.5V，2.6V，2.7V（分别代表24℃，25℃，26℃，27℃，以0.1V代表

1℃）,也就表示设定温度的变化情况。

　　同时，４０１７的输出端分别接四个发光二极管电路，当Q1为高电平时，Q6管导通，发光二极管D5有电流通过，发光，含义是显示设定为24℃。

当Q2为高电平时，Q5管导通，发光二极管D4有电流通过，发光，含义是显示设定为25℃。

当Q2为高电平时，Q5管导通，发光二极管D4有电流通过，发光，含义是显示设定为26℃。

当Q3为高电平时，Q4管导通，发光二极管D3有电流通过，发光，含义是显示设定为27℃。

电路中，三极管基极电阻的确定原则是当三极管导通时必须是饱和导通，因此，三极管基极电流不能太小，集电极电阻（即二极管限流电阻）的确定原则是使通过二极管的电流在二极管的额定值２０mA以内，设计发光二极管电流为6mA，则集电极电阻（即二极管限流电阻）＝（5-1.8-0.2）/6=0.5（K），其中1.8V是发光二极管的导通压降，0.2是三极管饱和时ce间的电压近似值，按计算结果，取电阻值为510欧姆。

若设三极管电流放大系数为100，则基极电阻的最大值为（5-0.7）*100/6=71.7（K），实际选用的电阻值要大大低于这个计算结果，本电路取基极电阻为２０Ｋ。

控制信号产生电路，由二个比较器（比较信号分别为表示设定温度的设定电压信号和表示模拟环境温度的电容器上的电压信号）和由二个与非门构成的基本RS触发器组成。

电压跟随器得到设定温度电压信号，再经过一个电阻分压电路得到一个分压值。

例如：

设定电压信号为2.5V（代表设定温度25℃），得到的分压值为2.5*51/（51+10）=2.1V（代表2１℃），则控制电路输出的控制信号情况是：

环境温度高于25℃时，输出控制信号（低电平有效），空调工作，环境温度降低，当降至25℃时，控制信号继续存在，空调继续工作，环境温度继续降低，直到降至2１℃时，控制信号消失，空调停止工作；环境温度低于2１℃时，不输出控制信号，空调不工作，环境温度升高，当升高到2１℃时，控制信号继续不出现，空调还是不工作，环境温度继续升高，直到升高到2５℃时，控制信号才出现，空调才开始工作。

这个电路的工作情况，需要比较认真细致的分析，才能分析出电路的工作过程。

控制信号是否出现，即表示空调是否工作，用发光二极D1管更不发光来表示，当控制电路输出低电平时，D1亮，当控制电路输出高电平时，D1不亮。

模拟环境温度信号的产生电路。

本电路没有采用温度传感器，采集实际的环境温度信号，因为这样，反映不出电路的工作过程，因为并没有真正的空调系统工作使环境温度变化，因此采用模拟环境温度信号，对模拟环境温度信号的要求是：

当控制信号出现时（即控制电路输出端为低电平），表示环境温度信号的电压要开始降低，当控制信号不出现时（即控制电路输出端为高电平），表示环境温度信号的电压要开始上升。

采用电容器的充放电过程来模拟，让控制电路的输出信号来控制充放电回路的通断，可用三极管作为控制通断的电子开关器件。

当控制电路输出低电平时，三极管Q1截止，Q2导通，电容器C3放电，C3上电压降低。

当控制电路输出高电平时，三极管Q２截止，Q１导通，电容器C3充电，C3上电压升高。

电阻R11和R13的大小决定了电容器充放电速度快慢，也就是表示环