水温测量仪课程设计

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1、模拟电子技术课程设计说明书水温测量仪院、部：电气与信息工程学院学生姓名：XXX指导教师：XXX职称副教授专业： XXX班级：XXX学 号:XXX完成时间： 2014 年 6 月课程设计任务书一)设计目的1、通过对温度测量电路的设计、安装和调试了解温度传感器的性能，学会 在实际电路中应用；2、进一步熟悉集成运放的线性和非线性应用。二)设计要求和技术指标1、技术指标： 要求设计一个温度测量器件，其主要技术指标如下：(1) 测温范围：室温50C；(2) 被测温度达到50C时，指示灯亮(或蜂鸣器工作)；2、设计要求(1) 设计一个能满足要求的温度测量及报警电路；(2) 要求绘出原理图，并用 Prote

2、l 画出印制板图(选做)；( 3)根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；(4)在万能板、PCB板上或面包板上安装好电路并调试；( 5)拟定测试方案和设计步骤；(6)撰写设计报告、调试总结及使用说明书。3、设计扩展要求(1)能显示输出温度；(三) 设计提示图一 温度测量仪原理框图2、温度传感器建议采用 AD590 集成温度传感器进行温度电流转换。它是一种电流型二端器件，其内部已作修正，具有良好的互换性和线性。有消除电源波动的特性。输出阻抗达10MQ，转换当量为lyA/K。器件采用B-1型金属壳封装。温度电压变换电路如图 6.2 所示。由图可得：u 二 lyA / K x R 二 R

3、x 10-6 / Ko13、KC变换器因为AD590的温控电流值是对应绝对温度K,而在设计中需要采用C,由运放组成的加法器可以实现这一转换，参考电路如图 6.3 所示。元件参数的确定和一UR选取的指导思想是：0C（即273K）时，u = 0V。Ro 24、放大器设计一个反相比例放大器，使其输出u03满足100mV/C。用数字电压表可 实现温度显示。5、比较器由电压比较器组成，如图6.4所示。珥已尸为报警时温度设定电压，Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定了系统的精度+ VCc图四 比较器图五 驱动电路6、调试要点和注意事项用温度计测传感器处的温度T（C）如T=27C（300K）。若取R=10K

4、Q，则 u二3V，调整UR的值使u =-270mV，若放大器的放大倍数为一10倍，则放 o1Ro 2大器的输出u03应为2.7V。测比较器的比较电压珥已尸值，使其等于所设定的温 度乘以0.1V，如设定温度为50C，则值为5V。比较器的输出可接LED指示或蜂 鸣器。把温度传感器加热（可以电吹风吹）在温度小于设定值前 LED 应处于熄灭 状态，反之，为点亮。7、实验用仪器设备（ 1）数字电压表（ 2）面包板或万能板（ 3 ）智能电工实验台8、设计用主要器件AD590集成温度传感器一只、741四块、蜂鸣器/LED各一个、电阻电容若 干、晶体管一只（驱动电路）、电阻若干（四）设计报告要求1、选定设计方

5、案；2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；3、整理测试数据（五）设计总结1、在测试中发现什么故障？如何排除？2、心得体会。目录第一章 绪论 11.1 温度传感器 1 第二章 温度测量仪的设计22.1、设计方案22.1.1 、温度测量仪设计思路22.1.2、温度测量仪框图3第三章 电路设计 33.1 温度-电压变换33.2 2.732V 电压产生电路63.3 稳压调整 63.4 差分放大电路 73.5 控制报警系统电路 83.6 报警原理图 8第四章 全图设计与仿真测试94.1 完整电路图设计图 104.2 0时的仿真 114.3 50温度时的仿真124.4 大于50时的仿真13

6、第五章 材料清单及电路相关参数 145.1 材料清单 145.2 元件参数 14 第六章 总结报告 15 主要参考文献 17 附录 A 电路原理图18第1 章 绪论1.1 温度传感器 集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。 其种类很多，大致可分为以下 5 类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度 控制器；3、智能温度传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用的 智能温度控制器。集成温度传感器的主要应用领域有以下 3 个方面： 1.温度测量：可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能 化温度检测系统及网络化测温系统。2.温度控制：适用于智能化温

7、度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度 控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微 机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、 电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程 度。在整个宇宙当中，温度无处不存在。无论在地球上还是在月球上，也无 论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上，这一切无不由于空间位置的 不同而存在着温度的差别。湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含 有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空

8、气的干湿程度叫做 “湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。湿度表示气体中的水蒸汽含量 ,有绝对湿度和 相对湿度两种表示方法。绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质 量，一般其单位是克 /立方米，绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿 度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和 度有多高。温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常 见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温 度、湿度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境 越来越关注，而空气中

9、温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所 以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。温度、湿度是工业农业生产不可缺少的因素，但传统的方法是用温度表、毛 发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符 合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时 费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。含有微型计算机或微处 理器的测量仪器，由于它拥有对数据存储，运算逻辑判断及自动化的功能，有着 智能作用。随着生产的发展，一个低成本和具有较高精度的温度湿度测量仪在许 多领域会代替人工操作，自动控制各种仪器调整环境温度湿度。目前市场上普遍 存在的

10、温湿度检测仪器大都是单点测量，而且温湿度信息传递不及时，精度达不 到要求，不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定，为此，本设计开发了 一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合处理多点温湿度信息， 并能进行温湿度控制的测控产品。总之，环境温湿度的检测与调节仪器的设计和 开发具有非常大的市场前景和实用价值。第 2 章 温度测量仪的设计2.1、设计方案2.1.1、温度测量仪设计思路(1) 、选择被测对象，经过温度传感器AD590将温度转换为电流，然后 经过温度电压变化，转化为电压；(2) 、转化的电压再经过KC变换电路转化为绝对。C；(3) 、再经过反相比例放大电路，将电压值放大；(4

11、) 、最后利用差分放大电路，将电压进行比较，通过驱动电路进行报 警，超过设定温度，发光二极管将会变亮。2.1.2、温度测量仪框图温度测量仪经过下图 2.1-1 过程完成，达到效果。图 2.1 温度测量仪原理框图 其中，每个框图作用如下：KC变换电路：将开尔文温度转变为绝对温度。C； 放大电路：经过运算放大器实现电压的放大作用;电压比较器：运用差分放大电路原理将电压进行比较，得到摄氏温度与输出电压的关系。报警设备：实现实验结果第三章 电路设计3.1 温度电压变换温度电压变换电路2AD590R1图3.1温度一电压变换电路LA-135MUo2在图中，U的值为I乘上10K，以TC而言，输出值为10KX

12、(273.2+T)在该电路中，包含了一个电压跟随器。 电压跟随器的特性如下：隔离缓冲。电压跟随（极性不变）。电压放大倍数为一倍，只是改善输出量的输出质量，不改变输出值。 利用电压跟随器的隔离缓冲作用确保了 AD590 输出的电压值稳定。AD590 温度传感器是一种已经 IC 化的温度感测器，它会将温度转换为电流 AD590 的主要特性如下：流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。AD590的测温范围为-55C+150C。AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化IK。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，

13、因而器件反接也不会被损坏。精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55C +150C范围内，非线性误差为0.3C。AD590最重要的特性是：度每增加1 C,它会增加1“A输出电流。AD590 的接口电路十分简单，不需要外围温度补偿和线性处理电路，便安装调试。 AD590 的管脚图及元件符号如下图所示。VccAD590A图3.4 AD590基本应用电路10K在图3中，经过实验测得AD590输出电流I与摄氏温度T与输出电压U及开尔文温度 K 的关系如下：表3.1输出电流I与摄氏温度T与输出电压U及开尔文温度K的关系K/开尔文T/CIo/12 AU/V273. 20273

14、.2+02.732+0.00X0274. 21273.2+12.732+0.01X1275. 22273.2+22.732+0.01X2276. 23273.2+32.732+0.01X3277. 24273.2+42.732+0.01X4283. 210273.2+102.732+0.01X 10由该图表分析可得 AD590 的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度 零度(-273.2C)为基准，每增加1C,它会增加1p A输出电流，因此在TC时, 其输出电流Io= (273.2+T) p A。3.2 2.732V 电压产生电路利用AD590的基本应用电路(图3)可得到电压U= (2.7

15、32+0.01T) V,即 AD590的温控电流值是对应热力学温度K,而在温控中需要采用摄氏温度。C ，需要设计电路消去关系式中的2.732V,消去2.732V后，就得到了输出电压U 与摄氏温度T的关系。需要设计一个得到恒压2.732V的电路。为了得到2.732V电压，可使用下图电路：+5孔岚1v Lo=2.732T图 3.53.3稳压调整调整变阻器的值使Uo=2.732V。但该电路存在缺点。由于一般电源供应较多 器件之后，电源是带噪声的，使得Uo不稳定。因此可使用稳压管利用可变电阻 分压调整，调整后电路图如下：10K2DW231仝VLol =2.T32V3.4 差分放大电路R6100KLol

16、 = 2. 732VR310K1A-135H十Lo图3.7差分放大电路R7R2100K差分放大电路(上图)的作用是消去关系式U= (2!732+&eiT：)V中的2.732V， ()K1并对信号进行放大。利用差分法大电路得到输出Uo=10(Uo2-Uol)=T/10V。这样 就得到了摄氏温度与输出电压的关系。利用数字电压表就可以测量出当前的温度 了。如果当前的温度为28C，则测出的电压为2.8V。LM358 内部包括有两个独立的、增益、内部频率补偿的双运算放大器，适 合于电源电压范围很宽的使用运算放高大器的场合。LM358 引脚如下图所示。图 3.8LM358 引脚图LM358 的封装形式有塑

17、封 8 引线双列直插式和贴片式。适合于电源电压范 围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电 流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可 用单电源供电。LM358 特性如下：内部频率补偿。直流电压增益高（约lOOdB）。单位增益频带宽（约1MHz）。电源电压范围宽：单电源（330V）。3.5 控制报警系统电路控制报警系统电路设计如下图图 3.9 报警控制中的差分将显示温度的输出电压作为此图的输入电压，与可调的额定电压比较，来输 出一个控制报警系统的电压。假如设额定电压为4.3V，则当输入为5V时，它的 输出为0.7V（原理与上面的差分放大

18、电路一样，这里就不重复了），可以作为三 级管的开关控制电压。3.6 报警原理图j图3.10报警显示图出入电压为三极管的控制电压，当电压大于0.7V时，三极管CE极为导通状态， 及发光二级关的电压为VCC,这是就可知道，温度超过了 50,此电路报警状态第四章 全图设计与仿真测试4.1 完整电路图设计图根据第三章的分析，我们将设计完整的电路图，如下图R11 k Ohm-VvV12 VD5BZX79C6V2D2R101 kOhm-VvVR7100 kOhmVvV-R210 kOhmR/6874112 V2.788 V12 VR3:Ohm/73(R510 kOhm-VvV-R610 kOhmR410

19、k Ohm-VvV0.336 mA74I1 kOhm-VvVi1CR90 kOhmR111 kOhm-VvVR121 kOhm-VW15.382 V978.4m VR353 l:Ohm/73%R7100 k Ohm0。Nsaw12 R510 k Ohm-VvV-I-R90 k Ohm1 kOhm-VvVR111 k Ohm-VvVR101 k Ohm-VvViR121 k Ohm-VvV17匚D1D2630.2m V-3.570 VR20 kOhmR71 00 k OhmVvV-R/68 IR3:Ohm/73(ftR410 kOhmR101 kOhm-VvVJID43 50oiffimNsa7

20、41R510 k Ohm-VW1 kOhm-VvR90 kOhmR111 kOhm-VvVR121 k Ohm-VVV12 V2.788 V4.936 V736.2m V4.4 大于 50时的仿真Vv-Vv第五章 材料清单及电路相关参数5.1 材料清单实验板140*95 1 个 集成温度传感器 AD590 1 个集成运算放大器（带插座）LM358 2个 稳压管2DW231（稳压6v）电阻1/4W 1K 5个 电阻1/4W 10K4个电阻1/4W 100K2个直流电源 12V/1A1 个直流电源 5V/1A1 个电位器 68K1 个三极管 9014 1 个 二极管 05Z6.2Y1 个LED 或

21、者蜂鸣器 1 个6.2 元件参数AD590 参数： 输入电压：+4V+30V。测量范围：-55C+150C。LM358 参数：电源电压范围：单电源330V。2DW231 参数：稳压范围：5.8V6.6V第六章 总结报告通过一理论课程，使我明白了温度测量仪原理，并通过进一步了解，使我温度测量仪的焊接调试过程充满信心。但到了实践过程，我们遇到了一些困 难。我们在买、购买元器件时会碰到一些问题，店家没有我们那个规格的元件， 我们只能用其他代替。如 50K 的电阻器，我们就换成了 68K 的。但经过一些调整， 这些变化不会改变电路性能。焊接方面，首先，我们要掌握电烙铁的使用。从网上查阅资料查到了一些电

22、 烙铁的使用技巧： 1将烙铁头放置在焊盘和元件引脚处，使焊接点升温。2当焊点达到适当温度时，及时将松香焊锡丝放在焊接点上熔化。3焊锡熔化后，应将烙铁头根据焊点形状稍加移动，使焊锡均匀布满焊点， 并渗入被焊面的缝隙。焊锡丝熔化适量后，应迅速拿开焊锡丝。4. 拿开电烙铁，当焊点上焊锡已近饱满，焊剂（松香）尚未完全挥发，温度 适当，焊锡最亮，流动性最强时，将烙铁头沿元件引脚方向迅速移动，快离开时， 快速往回带一下，同时离开焊点，才能保证焊点光亮、圆滑、无毛刺。用偏口钳 将元件过长的引脚剪掉，使元件引脚稍露出焊点即可。5焊几个点后用金属丝擦擦烙铁头，使烙铁头干净、光洁。遵照上述 5 个步骤，我们对电路

23、板进行了焊接。心得体会经过了一个课程设计，我感想颇多。首先，我明白了做事情一定要抓紧时间，不能一拖再拖。原本我们以为一个 星期的时间做出一个电路板绰绰有余，所以开始几天的进度很慢。可结果是，中 间遇到了很多意想不到的问题，导致最后时间不够用，一直到礼拜天才将设计及 报告全部完成。经过这次课程设计，我们懂得只有抓紧时间才能够适应快节奏的 社会，拖拖拉拉最后会一事无成。其次，我明白了实践的重要性。理论知识固然重要，但只有将理论投入到实践中去检验，才能体现出理论的价值。电路元件只有焊接到电路板上，才能发挥就不能成为真正对社会有意义的人。主要参考文献1 2 3 ml4 5 6 康华光电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版社7 康华光电子技术基础数字部分（第五版）高等教育出版社附录 A 电路原理图