自动化课程设计水温测量仪

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1、 2012 2013 学年 第 二 学期 模拟电子技术基础 课 程 设 计 报 告题 目： 水温测量仪 专 业： 自动化 班 级： 2011级一班 姓 名：洪凯 高蓝旭 龚志强 郭二杰 韩小胜 胡秋 皇甫趁心 指导教师： 倪琳 电气工程系 2013年3月28日11、任务书课题名称水温测量仪指导教师（职称）倪琳老师 执行时间学生姓名学号承担任务高蓝旭1109111009温度传感器的设计和分析龚志强1109111010报警电路及电路组合的设计和分析郭二杰1109111011转换、比较电路的设计和分析韩小胜1109111012K变换电路设计和分析洪凯1109111013水温测量仪的仿真胡秋11091

2、11014放大电路的设计和分析皇甫趁心1109111015调试与误差分析设计目的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。 设计要求 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）测量范围：室温50；（2）被测温度达到50时，指示灯亮（或蜂鸣器响）；（3）由数字电压表实现温度显示，可直接读出温度值。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；（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）拟定设计步骤；（5）撰写设计报告。3.设计扩展要求

3、 能显示输出温度；摘 要现在的生活中，传感器越来越普遍了,有了温度传感器，对温度的控制就很容易了，由温度传感器为主要核心的水温测量仪就是一个例子，我们可以较为简便的控制水温达到想要的程度。在对其进行设计的时候，要能很好的掌握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。关键词：水温测量仪、温度传感器、放大器电路目录第1章 绪论1.1 水温测量仪的发展-11.2 水温测量仪的用途-1第2章 水温测量仪电路的设计2.1 总体结构框图设计-12.2 温度传感器电路的设计-2 2.2.1 AD590简介-2 2.2.2 AD590的应用-32.3 K变换器电路的设计-

4、4 2.3.1 K变换减法电路-4 2.3.2 电压的放大-52.4 比较器电路的设计-52.5 报警器电路的设计-62.6水温测量仪运作过程总析-72.7 水温测量仪的扩展功能-8第3章 仿真3.1 EWB仿真软件简介-93.2 仿真电路建立-93.3 仿真结果及其分析-11第4章 结束语-12参考文献-13元件列表-14第1章 绪论1.1 水温测量仪的发展 一般来说，水温测量仪大都采用温度传感器（如 AD590）与其附加控制电路构成。其利用温度传感器将温度变化转化为电信号，进而输出具体所需电信号。但此类产品中测量误差偏大、功能单一。最新科技有设计采用单片机，实现灵活配置多种测温传感器，对温

5、度进行高精度测量的低功耗便携式测温仪，特别适合高炉热负荷水温差测量领域，或者连续多点温度和温差的测量场合。采用分段（每十度分段）对温度一热电势间非线性关系的线性化，提高了系统的测温精度。实际使用证明，该测量仪具有可靠性高、便携性好、功能齐全、功耗低、适用场合广泛、测温精度高等特点。然温度传感器水温测量仪仍不失为重要的水温测量工具。1.2 水温测量仪的用途水温测量仪在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等领域都有广泛应用，其主要用于报警设备。如在地质探测上，其可以读出地下水温，进而给地质工作者提供地质状况判断依据。在海水检测领域，可以时时刻刻监测水温，给出洋流预测参考数据。水温测

6、量仪的作用渗透我们生活的各个方面，给我们带来了极大的便利。1第2章 水温测量仪电路的设计2.1 总体结构框图设计制作水温测量仪，首先利用温度传感器获取被测量对象的温度，将温度转换为电压表示。然而上述表示的为绝对温度与电压的转换关系，因此还需将绝对1温度与电压的关系转换为摄氏度与电压的关系，这样就完成电压与摄氏度之间的直接转换关系。之后将电压放大，即可直接用电压表读出被测对象的温度值。此外将放大后的电压接至一电压比较器，比较器输出端接报警设备，如指示灯。在设置比较电压（即比较温度）后，由比较器输出端的电压决定指示灯的状态，进而起到报警的作用。基本原理如图 2.1.1所示： 被测对象K变换放大电压

7、表比较器报警设备图 2.1.1基本原理图2.2 温度传感器电路的设计2V+V-13图2.2.1 集成温度传感器AD59022.2.1 AD590简介 AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，如图 2.2.1所示。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的 特性。即使电源在515V之间变化，其电流只是在1A以下作微小变化。其主要参数如表2.2.1所示：工作电压430V反向电压20V工作温度55150焊接温度（10秒）300保存温度65175灵敏度1AK正向电压44V 表 2.2.1 AD59

8、0参数表2.2.2 AD590的应用AD590输出阻抗达10M，转换当量为1A/K。器件采用B1型金属壳封装。温度电压转换电路如图 2.2.2所示：图 2.2.2 温度电压转换电路3由图可得： U1=Uo=1A/KR=R10-6/K （2.2.1）如R=10K，则 U1=10mV/K 。 （2.2.2）这样可以实现温度电压的转换，取的所需电压。2.3 K变换器电路的设计2.3.1 K变换减法电路 实现温度电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现K 变换。绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为： T=t+273k （2.3.1）由式 （2.2.2）与式2.3.1可知要实现K

9、变换，必有： Uo=10mV/*T2.73V (2.3.2) 该变换可用一个差分式减法器实现，如图1.3.1所示：图1.3.1 差分式减法器差分式减法器分析：在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。有如下关系： = (2.3.3)及 = (2.3.4)解式（2.3.3）与式（2.3.4）得：U2=( )( )U1 Uref （2.3.5）(1.3.5)4所以，只要选取合适的R1,R2,R3,R4值，便可满足所需要求。如取R4/R2=R3/R1,则有下式： (2.3.6) (2.3.7)2.3.2 电压的放大引用如图2.3.2所示仪用放大器，由式2.3.7知选择R4与R2的值可以实现电压放大功能，此

10、时取R4=R3=100K，R1=R2=10K，此时有： U=10（U1-Uf） (2.3.8)由上式可知温度与电压之间的关系：U=0.1V/ 将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值,如:将AD590放入20的水中，可读得电压表的值为2V。图2.3.2 仪用放大器原理图52.4 比较器电路的设计在本实例中采用图2.4.1比较器。其中电阻参数取：R1=R2=10K，R4=1K，在图 2.4.2所示U3为报警时的温度设定电压。R3，R4用于稳定输入电压，决定了系统的精度。而R2用于报警设备的输入电阻，用于控制输入电流的大小。 U0 Uz 0 UR Ud Ui图2.4.1 水温测试仪电压比较器

11、原理图2.5 报警器电路的设计 LED发光二极管：报警设备可用一个发光二极管来充当，发光二极管LED，发热量小，耗电小。发光二极管有很多优势：1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种6形状的器件，并且适合于易变的环境 4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染：无有害金属汞 报警分析

12、：当加与U2端的电压大于设定温度Uref时，U3有了正向输出，二极管LED导通，发光，报警完成。2.6水温测量仪运作过程总析将上述器件加以组合得到图2.6.1所示：水温测量过程及报警分析：将AD590放入水中，将会产生相应大小的电流，电流经过Ro，在Ro两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。然而经过绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系。于是在电压跟随器后接一个差分减法器以达目的，即减去一个2.73V的电压。可以利用稳压管和运放电路来提供所需要的2.73V电压。如图2.6.1所示。取Ri=500K，D1的稳压Uad1为2V。运放F2与R5,R6组成同向放大器。由虚断，

13、虚短可得： （2.6.1）Uref = （1+ ）Uad1 (2.6.2)所以，可以取R6=3.6K,R5=10K，此时Uref=2.73V。之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求得的电压接至差分减法器的两端。在减法器（放大器）作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。在U2端接一电压表，即可读的温度值。比如水的温度为12，则电压表的示数为1.2V。完成了电压的读取，还需进行电压比较以达到报警的目的。在1.5节中已经讨论了比较器的原理。设计所要求的报警温度为50，即比较电压为5V。所以应该在比较器比较端VCC3接5V的恒压源。当输出电压U25V时，U35V时，U30。7此时二极管导通, LED发

14、光。报警过程完成。在实际应用中，我们取VCC1=12V。图2.6.1水温测量仪原理图2.7 水温测量仪的扩展功能图2.7 水温测量仪扩展温度显示8第3章 仿真3.1 EWB仿真软件简介EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1

15、972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测

16、量方法。3.2 仿真电路的建立我们用EWB建立电路模型，由于没有AD590，我们可以利用一个恒流源代替AD590提供电流，比拟温度的采样。被减电压2.73V我用了一个2.73V的电池来代替。电路模型如图3.1.1，图3.1.2，图3.1.3所示：9图3.1.1 仿真一图3.1.2 仿真二10图3.1.3 仿真三3.3 仿真结果及其分析设置好电路以后，我们开始仿真。由于我们用了一个恒流源代替了AD590，即用电流源比作电压的获得。1.由图3.1.1，取电流源电流值为223uA，即绝对温度223K，转换为摄氏度为-50。电压表读值为-5.0V。可见与理论值相同，此时温度比50度小。比较器输出为负值

17、。二极管不导通。图中二极管未发光。2.由图3.1.2，取电流源电流值为323uA，即绝对温度323K，转换为摄氏度为50。电压表读值为5.0V。可见与理论值相同，此时温度与50度相同，电压U2=VCC3。比较器输出为0，二极管不导通，图中二极管未发光。3.由图3.1.3，取电流源电流值为333uA，即绝对温度333K，转换为摄氏度为60.电压表为6V。与理论相同，由于温度比50度大，电压U2VCC3.比较器输出正值，由于理想运放的缘故。图中电压表读出值为11.977V是一个不确定正值。二极管在U3的作用下导通，发光.由此可见理论值与实际值符合得很好。温度能够测得。11第4章 结束语我经过长时间

18、的努力，终于完成了水温测量仪的课程设计。首先要感谢网络，在刚刚接触这个课题时，我只能在网上漫无目的搜索有关方面的知识。后来，想起了老师讲到的有关运放方面的知识，我顿时感觉豁然开朗，以前找到的资料看不懂的地方也渐渐的开始明白了。通过这次课程设计，我懂得了如何在网上去查阅资料，网上的资料是杂乱无章的，而且繁多，最重要的就是自己要学会去筛选有用的内用，去总结重要的信息，最终得出自己的结论，转化为自己的东西。在这次课程设计中，虽然水温测量仪做得不是非常成功，但是经过团队的努力把它完成还是很满意的。在这次课程设计的过程中，虽然遇到了不少困难，但我依然很高兴，我从中学到了不少。首先我懂得了，仿真出来的不一

19、定就能实现，因为那是在理想的条件实现的；在利用multisim软件刚开始也是很麻烦的，后来经过仔细学习也能做出自己想要的原理图，但是失望的是没有找到传感器的原件，后来在网上查才知道库里没有这个原件；最后，我对如何制作一个电子产品的过程有了清楚的认识，虽然在此过程中我失败过几次，也因此而气馁过，但最终看到我们做出来的实物，我还是感到无比欣慰的。再多的成功都是共同努力才能完成的，在未来的学习中也是。12参考文献1何希才传感器及其应用电路电子工业出版社2001-03-012王家桢王俊杰传感器与变送器清华大学出版社2004-01-053 .童诗白模拟电子技术基础高等教育出版社2006-54邱关源电路（

20、第五版）高等教育出版社2005-055.吴光林.吴建辉. 杨军.饶进.罗春一种用于ADC电路的高速高精度比较器设计. 2005-12-24 6 蔡明生.电子设计，高等教育出版社，20037 松井邦彦 梁瑞林，传感器应用技巧141例，科学出版社，200113元件列表电阻RRo10 KR110 KR210 KR3100 KR4100 KR510 KR63.6 KR710 KR810 KR91KRi500 K稳压二极管1WD1稳压值2V开关二极管1N4148发光二极管LED1N5819集成运算放大器CF741电压表数字电压显示AD590温度传感器直流电压源VCC1电压值12VVCC3电压值5V14答

21、辩记录及评分表 课题名称水温测量仪答辩教师（职称）倪琳 答辩时间20122013 学年第 二学期 第 5周答辩记录答辩记录问1.温度传感器电路的作用？（高蓝旭） 答：温度传感电路的作用是为了对温度进行测量、控制并显示，首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。此处利用AD590集成模拟温度传感器对被测对象进行水温测量并进行温度电流变换，将温度变化转成相应的电信号。问：2.报警为何选LED而不选蜂鸣器？（ 洪凯 ） 答：（1）二极管发热量小，耗电少； （2）使用低压电源更安全； （3）体积小适合各种环境； （4）稳定性强，不易出错 （5）耗能少 （6）响应时间纳米级

22、，反应迅速问：3.转换电路的作用？（ 龚志强 ） 答： 实现温度电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现K变换。绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为： T=t+273k问：4.电压比较器原理是什么？（韩小胜） 答：电压比较器是集成运放非线性应用电路,常用于各种电子设备中.它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。问：5.水温测量仪的仿真的过程是？（胡秋 ） 答：首先利用温度传器，获得被测对象的温度，将温度转换为电压表示，然后上述表示的关系，因此还需要将绝对温度与电压的关系转化为摄氏度与电压的关系，这

23、样就完成了电压与摄氏度之间的直接转换关系，之后将电压放大，即可直接用电压表独处被测对象的温度值。 问：6.电路引进放大电路作用？（郭二杰） 答：放大电路的作用是将电压进行10倍放大，方面进行电压显示。例如当温度电压转换电路输出的电压时通过放大电路放大后使得其输出电压u03=100mV/。 问: 7.当水温没有50时和超过50时的仿真的现象（皇甫趁心） 答：当电流电源值小于323uA时，电压表读数小于50，则比较器的输出为负值，二极管不通，不发光。当电流值大于323uA时比较器的输出值为正，二极管导通，二极管发光，所以可以通过二极管的发光课判段温度是否超过50评 分 表学生姓名学号评分高蓝旭1109111009龚志强1109111010郭二杰1109111011韩小胜1109111012洪凯1109111013胡秋1109111014皇甫趁心1109111015