电子温控器

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1 设计要求
1.1用所学知识，联系实际，设计出一款简单有效的温控电路；
1.2控制温度从0~100摄氏度连续可调；
1.3控制温度精度可达±0.2摄氏度；
1.4使用通用器件。
2 技术指标
2.1电源：直流（DC）12V；
2.2继电器最大工作电流：200mA；
2.3电路工作温度：－10~25摄氏度；
2.4继电器功率：2×1.5KW；
2.5控制电路功耗：350mW。

电子温控器
摘要本电路通过电桥电路对温度采样，并对采样信号经过精确放大、比较，来调整加热器的工作状态，从而使温度精确保持在一稳定值。
关键词电桥电路、Cu100、电桥采样、OP77、电压比较、饱和导通。
1 引言
随着科技的发展，人们对事物的要求越来越高。尤其在科研领域，为使实验结果更加精确，更加具有权威性，其对实验环境要求之高乃是常人难以想象的。由于温度对决大多数物质来说都有影响，所以，对环境温度的理想控制一直以来是人们急待解决的问题。
此次设计由于时间以及各方面限制，在尽量保证温度控制精确的前提下，借先人经验，经过合理修改，成为一款结构简单，性能优越的温度控制电路。可以给一般实验提供较为良好的工作环境。
2 总体设计方案
2.1设计思路
传统的机械式温度采样体积相对较大，精度还不够高；而以往电桥式采样，其工作范围最多在0~95摄氏度。本次设计取样电路采用Cu100,经可调电阻设定温度（其理论工作温度在－50~150摄氏度之间），通过OP77的多级精确放大比较，驱动控制开关来控制加热器，使被控体温度始终保持在设定值上，从而来满足人们工作及研究的一般性需求。
2.2温控器方框图

设计原理分析
3.1核心元件介绍
OP77
OP77运算放大器实物外形如右图所示，是美国PRECISION MONOLITHICS INC.的产品，是一款公认的精密、低噪声、低漂移运算放大器。其内部设有短路保护系统，防止负载短路时损坏器件。其2脚、3脚分别为反相输入和正相输入端、6脚为输出端、7脚、4脚分别接正负12V电源、1脚、8脚为输入端、5脚为空脚。

铜热电阻Cu100
Cu100分度表（ITS—90）

温控器电路图如下所示：

温控器原理图
基准电压与调整电路：D1、R1、RP1、RP2；
电压采样电路：R2、Rz；
电压放大电路：IC1、IC2、RP3、RP4；
电压比较电路：IC3、R3、R4、R5、RP5；
放大驱动电路：IC4、Q、D2、D3、J、R6、R7、R8、R9、R10、RP6、RP7。
3.2电路原理
电路中RP1和D1为采样电桥电路提供稳定的5V电压，减少由于电源电压波动对采样电路造成的影响，提高电路的可靠性与精度。OP77的1脚和8脚也为输入端，从RP3到RP6均接到这两个管脚上，并将中间抽头接到电源端，将其调到一合适值，使1脚与8脚电位达到一种平衡，从而防止外界变化对电路的干扰，提高电路的可靠性。
预先设置RP2，将所需温度调到50摄氏度，电路开始工作时，假设受控物温度为0摄氏度，则Rz将环境温度转换为0.5mV的电压送到到IC2的同相输入端。IC2的2脚和6脚用导线连接，在此仅做为电压跟随器。由IC2的6脚输出一正电压，经R3加到IC3反相输入端。同理，此时，IC1的同相输入端由基准调整电阻RP2提供1mV的高电平，它输出电压正，经R4加到IC3正相输入端。
前方输入的这两电压存在差值，于是IC3对其进行比较放大。（Up与Uz分别表示IC1与IC2输出电压）由虚短和虚断：

由于R3与R5阻值的巨大差别，因此，Uo3的值较Up与Uz亦有了百倍级的放大，输出一个负电压，经R6加到IC4的反相输入端。
    IC4的正相输入端接地，而反相输入端加一负电压，与上面公式同理得，IC4的6脚将输出一个较Uo3大数倍的正电压，经R8加到开关管Q的基极。RP7为负反馈电阻，保证差值电压的精确放大。三极管Q原本处于截止状态，加上Uo3这一电压后，Q便会立即饱和，此时12V电源经Q发射极与集电极加到继电器上产生感应磁场，使继电器动触点便吸合，220V电压便加到加热器上，开始给受控物加热。R9和R10为开关管Q提供偏置电压。当继电器加电之后，指示灯D2便点亮，指示工作状态。
    加热器持续加热，环境温度逐渐上升到设定温度，同时采样电阻Rz阻阻值亦上升。当其值与RP2达到平衡后，IC2的同相输入端也加上一个与IC1同相输入端相同的电压。经IC1、IC2同相跟随之后，共同加到IC3的正反相输入端。由于此两电压相等，所以IC3输出为零。同理，IC4输出亦为一个低电平。加到Q基极，使其截止，从而继电器J失电，动触点复位，切断加热器的供电电路。D3在这里是防止J失电时，自身产生的感应电压不能形成回路，将继电器烧坏。上述过程根据受控物温度变化反复进行，使其始终保持在设定值上。
3.3电路测评
本电路受控开关——电磁继电器，由于前一部分采样与放大电路的设计精度较高，所以其吸合与断开较为频繁，影响其寿命，并且其可靠性不如电子开关。可用电子开关及其相应控制电路来改进这一缺限，从而进一步提高电路性能。电路的前部采样与比较放大电路精度较高，其后部可通过增加其它相应电路来提实现更多功能。可适用于一般单位的较高精度温度控制。
4 说明
    本电路在参考文献上所用运算放大器型号为OP07，但在元件参数查询时，发现了OP77这一升级产品，它们相应管脚功能与工作电压均相同，但性能更优于OP07。因此，本电路采用OP77，以方便元件的替换。
5 设计总结
    通过此次课程设计，使我们能够把所学知识从书本上拿下来，应用到实际生活之中，使学习从质上发生了飞跃。在图书馆及互联网上查阅资料，增强了我们查阅资料、组织材料的能力。并通过对电路CAD软件Protel99的使用，认识到计算机辅助设计的方便快捷与智能。从知识的实际应用中认识到自己的不足，以便于在以后的学习与工作中能够从整体的高度认识自已，完善自己。
参考文献
[1] 彭介华.电子课程设计指导 [M].北京:高等教育出版社, 1997(2004重印)
[2] 康华光.电子技术基础（模拟部分）[M]．北京:高等教育出版社，1999.6(2003重印)
[3] 杨长春.2002年《电子报》合订本世纪[J].成都：四川科学技术出版社，2002.12
[4] 精密运算放大器参数
[EB/OL]. http://www.ic58.com/dzdlu/opyf.htm
[5] 中国传感器
[EO/OL]. http://www.sensor.com.cn