1、 模擬電子技術仿真與實驗 設計性實驗實驗三 溫度控制電路的設計1、 實驗目的（1） 了解傳感器的基本知識，掌握傳感器的基本用法。（2） 了解有關控制的基本知識。（3） 掌握根據溫度傳感器來設計控制電路的基本思路。2、 設計指標與要求 (1)電源：+12V或12V單雙電源供電均可。 (2)要求溫度設定范圍為-20+130，溫度非線性誤差不得超過5。 (3)控制部分：監控溫度高于設定的上限溫度或低于設定的下限溫度時，分別點亮不同顏色的二極管。3、 實驗原理與電路本實驗要求根據監控溫度來做出相應的報警響應，該溫度傳感控制系統如圖1所示。溫度傳感器信號處理報警控制環境溫度 圖1 溫度傳感器控制框圖（一

2、）溫度傳感器將溫度信號轉換為電信號，經過信號處理電路對其進行處理，最后通過報警控制電路來控制發光二極管的指示。 （一）溫度傳感器 1、有關溫度傳感元件介紹集成芯片LM35。 LM35是美國國家半導體公司生產的集成電路溫度傳感器系 列產品之一，它具有很高的工作精度和較寬的線性工作范圍，該器件輸出電壓與攝 氏溫度呈線性關系。因而，從使用角度來說，LM35與用開爾文標準的線性溫度傳感器相比更有優越之處，LM無須外部校準和微調，可以提供常用的室溫精度。特點與基本參數：直接以攝氏溫度校準：線性比例因數：+10.0mV/；0.5 的精確性保證（+25）；額定全工作范圍：-55+150；電壓供電范圍：直流4

3、30V；漏電電流：小于60A；低自發熱量，在靜止空氣中：0.08；非線性特性：1/4；封裝形式及管腳說明、典型應用：LM35采用TO-220塑料封裝形式，其引腳排列如圖2所示。典型應用如圖3所示，在圖4中，若 R=-VS/50AVOUT =+1500mV (+150) =+250mV (+250) =-550mV (-55) 圖2 LM35引腳排列圖 圖3 基本攝氏溫度 圖4全工作范圍攝氏 傳感器（例一） 溫度傳感器（例二）典型性能特性如圖5所示： 圖5 最小電壓輸入與溫度關系 （2）溫度傳感元件的選擇根據設計指標與要求中對電源的要求，熱敏電阻、LM35和AD590都可以選用，但根據對傳感器工

4、作條件和精度要求綜合考慮，選擇LM35作為溫度傳感元件。 （二）信號處理由LM35的技術資料可知，LM35把溫度信號轉變成了電壓信號，輸出范圍在-501500mV內并且輸出電壓和溫度呈良好的線性關系。要點亮發光二極管，僅僅靠LM35提供的輸出電壓顯然是遠遠不夠的，需要對其輸出信號進行放大。所以選擇電壓放大器作為信號處理部分。下面給出用運放實現的基本電壓放大器的實例： R2 R2 Vi R1 R1 VO VO R3 Vi R3 圖7 反相比例放大器 圖8 同相比例放大器 如圖8所示，若R3=R1|R2 , 則 。 如圖9所示，若R3=R1|R2 ,則有, 再次要求放大器的輸入電阻要盡量大。 （三

5、） 報警控制 雖然對傳感器的輸入信號進行放大，但如果直接點亮二極管就無法起到對設定的上限溫度或設定的下限溫度進行判斷的作用，從而分別點亮不同顏色的二極管。在此可以選擇電壓比較器來對輸出電壓和某特定電壓進行比較，這個比較電壓可以根據LM35的輸出電壓和溫度的線性特性，以及放大后的信號和LM35的輸出信號的關系得出。下面給出簡單的電壓比較器的實例：如圖9所示，圖中+VCC為系統供電電壓，Rw為電位器D1，D2和D3均為穩壓管，LED為發光二極管。從圖可知，該比較器的比較電壓即為Vp，即滑動端P到地之間的電壓，可見，該比較電壓為正。此電壓由系統供電電壓提供，為系統供電電壓穩定，一般R1較大；為使比較

6、電壓Vp更加穩定，給Rw并聯一個穩壓管D1，以穩定電位器兩端電壓，穩壓管穩壓電壓選擇可以根據下式： D2和D3構成雙向穩壓管，R3為限流電阻（保護發光二極管），LED點亮條件一般為1.6V，10mA,故可以更具下式來選擇限流電阻R3: 根據以上分析，可以畫出該溫度控制系統的框圖，如圖10所示。報警控制電路 電壓比較電路環境溫度電壓放大電路溫度傳感器 圖10 溫度傳感控制電路框圖（二） （四）設計步驟 （1）根據設計指標和溫度傳感器 的有關資料，選擇LM35作為溫度傳感器，由于Multisim中沒有LM35，故選用可調電壓源代替溫度傳感器，具體電路設計如圖11所示：圖11 可調直流電源 (2)選

7、擇合適的電壓放大電路，使放大器的輸出電壓不得超過5V。LM35輸出端的電壓因溫度改變1攝氏度而改變10mV，很難檢測。所以必須經過一定的處理方可成為測量以及控制部分所使用的信號。處理方法也就是將它無損的放大一定的倍數。本實驗采用同相比例放大電路，因控制或測量最高溫度在130攝氏度的時候，LM35輸出電壓為1.3V。溫度在-20攝氏度的時候輸出為-200mV。經下面計算得 即考慮計算的方便，以及最后輸出測量的方便，放大倍數為3 為宜。電路如圖12所示： 圖12 電壓放大電路 (3)根據設計要求，設定上限溫度為30，下限溫度為23，由溫度傳感器的線性比例關系可知LM35輸出的上門限電壓為300mV

8、,下門限電壓為230mV，經過同相比例放大器的放大，電壓比較器的輸入電壓上限為900mV，下限為690mV。因此需要設定同相電壓比較器的參考電壓VPH = 0.9V，反相電壓比較器的參考電壓VPL= 0.69V。 穩壓管穩壓電壓選擇：= =1V 限流電阻選擇：=540當溫度高于30時，同相比較輸出電壓VO1輸出高電平，此時LED1報警，亮紅燈；當溫度高于23時，同相比較輸出電壓VO2輸出高電平，此時LED2報警，亮藍燈；電壓比較器電路設計如下圖所示： 圖13 同相比較器（1）圖14 同相比較器（2）（2） 將溫度傳感電路、電壓放大電路和報警控制電路級聯，完成完整的電路，并調試。圖15 整體電路

9、圖五 、實驗儀器與設備直流電源，函數發生器，示波器，毫伏表，溫度計6、 測試報告要求（1） 設計完整電路，并在電路圖中標出各元件參數，需要計算的要有計算過程。（2） 設定上限溫度30 ，下限溫度23，根據所給定的溫度計算出比較較電路的比較電壓Vp，調整相應的電路參數，并測試，將測試結果填入表1中。測試溫度/實測溫度/Vp/mV傳感器輸出電壓/mV放大器輸出電壓/mV二極管指示情況1720690170200510600藍燈亮2527690/900250270750810不亮558090055080016502400紅燈亮 部分測試效果如圖所示：（1） 藍燈亮 （2） 兩燈均不亮 （3） 紅燈亮

10、7、 實驗思考與討論（1） 什么是傳感器？對于溫度傳感器來說，有什么具體參數指標？ 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。 對溫度傳感器來說，具體參數指標有：線性比例因數、額定全工作范圍、電壓供電范圍、漏電電流、低自發熱量、非線性特性等。（2） 在設計放大器時，要求放大器的輸入電阻要適當大，為什么？ 放大器的輸入電阻要適當大是為了讓電源電壓盡可能全部加在放大器兩端。（3） 在所涉及的電壓比較電路中，若要求監測溫度范圍均為正，應當如何