水温测量仪课程设计

《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～50℃；（2）被测温度达到50℃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Protel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Ⅰ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被测对象K—℃变换放大电压表比较器报警设备性。输出阻抗达10MΩ，转换当量为KA/1。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：KRRKAuo/10/161如R=10KΩ，则KmVuo/101。图一温度—电压转换电路图二K—℃变换电路3、K—℃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℃，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－UR选取的指导思想是：0℃（即273K）时，Vuo02。4、放大器设计一个反相比例放大器，使其输出u03满足100mV/℃。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。UREF为报警时温度设定电压，Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定了系统的精度图四比较器图五驱动电路Ⅱ6、调试要点和注意事项用温度计测传感器处的温度T(℃)如T=27℃（300K）。若取R=10KΩ，则Vuo31，调整UR的值使mVuo2702，若放大器的放大倍数为－10倍，则放大器的输出u03应为2.7V。测比较器的比较电压UREF值，使其等于所设定的温度乘以0.1V，如设定温度为50℃，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。Ⅲ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……………………………………………33.22.732V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………………………………………104.20°时的仿真……………………………………………114.350°温度时的仿真………………………………………124.4大于50°时的仿真………………………………………13第五章材料清单及电路相关参数………………………………14Ⅳ5.1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…………………………………………………18Ⅴ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1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K—℃变换电路转化为绝对℃；（3）、再经过反相比例放大电路，将电压值放大；（4）、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。22.1.2、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：K—℃变换电路：将开尔文温度转变为绝对温度℃；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—电压变换电路图3.1温度—电压变换电路在图中，U的值为I乘上10K，以T℃而言，输出值为10K×（273.2+T）3在该电路中，包含了一个电压跟随器。被测对象K—℃变换放大电压表比较器报警设备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-55℃～+150℃。·AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，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-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。AD590最重要的特性是：度每增加1℃，它会增加1μA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。图3.2AD590管脚（第三个脚可以不用,是接外壳做屏蔽用的）4图3.3AD590元件符号（1管脚接电源；2管脚输出电流）AD590基本应用电路如下图所示。图3.4AD590基本应用电路在图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/℃Io/μAU/V273．20273.2+02.732+0.00×0274．21273.2+12.732+0.01×1275．22273.2+22.732+0.01×2276．23273.2+32.732+0.01×3277．24273.2+42.732+0.01×4············283．210273.2+102.732+0.01×105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（-273.2℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在T℃时，其输出电流Io=（273.2+T）μA。3.22.732V电压产生电路利用AD590的基本应用电路（图3）可得到电压U=（2.732+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℃，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：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：图3.663.4差分放大电路图3.7差分放大电路差分放大电路（上图）的作用是消去关系式U=（2.732+0.01T）V中的2.732V，并对信号进行放大。利用差分法大电路得到输出Uo=10(Uo2-Uo1)=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28℃，则测出的电压为2.8V。LM358内部包括有