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基于Multisim的温控电路虚拟仿真研究

作者:

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摘要：

当前传统教学方式已逐步不能适应素质教育的需要，随着理实一体化教学方式的推广，理论教学和实操教学界限也逐渐变得模糊［1，2］.在电子技术基础类课程中，学生对理论理解不透彻，导致实操效率低下，而利用一些基础仿真软件能够很好解决这些问题［3］.Mulitism是美国国家仪器公司旗下著名的电子技术仿真软件，适合模拟电子、数字电子电路的设计开发.其拥有主流的电子电气元器件库和较为完备的电子仪器设备，可以实时获得直观的仿真效果，广泛适用于基础电路和综合电子设计制作［4-5］.本文采用仿真软件，以温度控制电路为例，分析了设计和仿真操作过程，取得了较为理想的效果.已知某水箱在冬天需要进行保温控制，其温度范围控制在30～35℃，采用合适的电子器件搭建电路实现功能.

1 电路总体设计

设计温控电路设计框图如图1所示，主要由电源电路、传感器电路、放大和比较电路、控制电路和执行电路等组成.电源电路负责整体电路的供电，传感器电路将温度信号转换为微弱电压输出，放大及比较电路将由温度传感器的微弱信号放大成较高的输出并进行电压比较，控制电路依据比较电路得到的输出进行处理得到控制信号，执行电路依据控制电路输出对加热电路进行驱动控制和指示.

图1 温控电路总体设计框图

1.1 传感器电路

本设计采用LM35传感器，LM35是由美国国家半导体公司所生产的温度感测器，其输出电压公式如式（1）所示：

由上式可知，LM35输出电压与摄氏温标成正比线性关系，已知当温度为0°C时LM35输出为0V，温度每升高 1°C，其输出电压增加 10mV［6，7］.由于软件中没有LM35传感器，本设计采用如图2所示的电路图来代替其输出，其主要有一个固定电阻R1及电位器RT串联构成，假设当前温度为25℃，则调节RT可使得.

图2 传感器电路图

1.2 放大比较电路

本设计的放大比较电路如图3所示，前级单个LM741构成放大电路，后级两个LM339构成比较电路［7］.由于前级传感器电路输出电压信号较弱不适合直接进行比较判断，所以需要进行放大，本放大采用同相放大电路，其输出和输入关系如式（2）所示［8］：

同时设置后级两个比较电路分别为下限比较器和上限比较器.分别采用R4、R5及R7、R8串联分压方式得到、作为两者的同相输入电压，电压值分别如式（3）、式（4）所示：

考虑到前级LM741的放大，则当温度超出30℃时，为低电平，否则为高电平；当温度超出35℃时，为低电平，否则为高电平.

图3 放大比较电路图

1.3 控制电路

控制电路如图4所示，主要由3个与非门和电阻R10 构成［9，10］，若输入即温度低于下限）时，使得，输出加热信号）；加热时温度上升，，即温度超过下限温度但低于上限温度时），由于受影响，使得（输出保持加热）；当即温度高于上限）时，使得，输出停止加热）；停止加热后温度下降，即温度低于上限温度但超过下限温度时），由于受影响，使得，输出保持停止加热）；当温度再次低于下限时，则继续按如上过程往复循环.

图4 控制电路图

1.4 执行电路

执行电路如图5所示，其主要由三极管Q1、继电器K1和加热器RL1组成.由于前级电路输出功率有限，所以采用Q1驱动K1线圈，D1为续流保护二极管，RL1为加热器，LED1为加热工作指示.当时，K1线圈得电，进行加热控制，当时，K1线圈失电，停止加热.

图5 执行电路图

2 电路仿真与误差分析

2.1 电路仿真

使用仿真软件完成整个电路的绘制，前期完成各个模块的分别测试，无误后连接成总体进行调试和验证，可以使用试灯、万用表等器件直观获得电路参数和状态.如图6所示，调节电位器RT使得传感器输出（即温度低于下限时），此时继电器闭合，加热器工作，LED1有指示.

图6 温度低于下限时仿真图

依次调节电位器RT，使得传感器输出对应不同的温度情况，得到电路仿真状态如表1所示.

表1 电路仿真状态表?

2.2 误差分析

通过改变电位器RT，对应传感器不同的温度下的电压输出，从前后仿真情况来看，仿真效果良好.分析其误差主要来源于集成运放、比较器以及与非门，实际中应当选用速度快、精度高、工作稳定的器件，来减小误差.

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/qikandaodu/2020/0803/494.html