自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)水溫測(cè)量?jī)x

1、 2012 2013 學(xué)年 第 二 學(xué)期 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目： 水溫測(cè)量?jī)x 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 2011級(jí)一班 姓 名：洪凱 高藍(lán)旭 龔志強(qiáng) 郭二杰 韓小勝 胡秋 皇甫趁心 指導(dǎo)教師： 倪琳 電氣工程系 2013年3月28日1、任務(wù)書(shū)課題名稱(chēng)水溫測(cè)量?jī)x指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）倪琳老師 執(zhí)行時(shí)間學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù)高藍(lán)旭1109111009溫度傳感器的設(shè)計(jì)和分析龔志強(qiáng)1109111010報(bào)警電路及電路組合的設(shè)計(jì)和分析郭二杰1109111011轉(zhuǎn)換、比較電路的設(shè)計(jì)和分析韓小勝1109111012k變換電路設(shè)計(jì)和分析洪凱1109111013水溫測(cè)量?jī)x的仿真胡秋110911

2、1014放大電路的設(shè)計(jì)和分析皇甫趁心1109111015調(diào)試與誤差分析設(shè)計(jì)目的1.通過(guò)對(duì)溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試了解溫度傳感器的性能，學(xué)會(huì)在實(shí)際電路中應(yīng)用； 2.進(jìn)一步熟悉集成運(yùn)放的線性和非線性應(yīng)用。 設(shè)計(jì)要求 1. 技術(shù)指標(biāo)要求設(shè)計(jì)一個(gè)溫度測(cè)量器件，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）測(cè)量范圍：室溫50；（2）被測(cè)溫度達(dá)到50時(shí)，指示燈亮（或蜂鳴器響）；（3）由數(shù)字電壓表實(shí)現(xiàn)溫度顯示，可直接讀出溫度值。2.設(shè)計(jì)要求 （1）設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足要求的溫度測(cè)量及報(bào)警電路；（2）要求繪出原理圖；（3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)好電路，選好元件及參數(shù)；（4）擬定設(shè)計(jì)步驟；（5）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。3.設(shè)計(jì)擴(kuò)展要求

3、能顯示輸出溫度；摘 要現(xiàn)在的生活中，傳感器越來(lái)越普遍了,有了溫度傳感器，對(duì)溫度的控制就很容易了，由溫度傳感器為主要核心的水溫測(cè)量?jī)x就是一個(gè)例子，我們可以較為簡(jiǎn)便的控制水溫達(dá)到想要的程度。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要能很好的掌握通過(guò)對(duì)溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試了解溫度傳感器的性能，學(xué)會(huì)在實(shí)際電路中應(yīng)用。關(guān)鍵詞：水溫測(cè)量?jī)x、溫度傳感器、放大器電路目錄第1章 緒論1.1 水溫測(cè)量?jī)x的發(fā)展-11.2 水溫測(cè)量?jī)x的用途-1第2章 水溫測(cè)量?jī)x電路的設(shè)計(jì)2.1 總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)-12.2 溫度傳感器電路的設(shè)計(jì)-2 2.2.1 ad590簡(jiǎn)介-2 2.2.2 ad590的應(yīng)用-32.3 k變換器電路的設(shè)計(jì)-4

4、 2.3.1 k變換減法電路-4 2.3.2 電壓的放大-52.4 比較器電路的設(shè)計(jì)-52.5 報(bào)警器電路的設(shè)計(jì)-62.6水溫測(cè)量?jī)x運(yùn)作過(guò)程總析-72.7 水溫測(cè)量?jī)x的擴(kuò)展功能-8第3章 仿真3.1 ewb仿真軟件簡(jiǎn)介-93.2 仿真電路建立-93.3 仿真結(jié)果及其分析-11第4章 結(jié)束語(yǔ)-12參考文獻(xiàn)-13元件列表-14第1章 緒論1.1 水溫測(cè)量?jī)x的發(fā)展 一般來(lái)說(shuō)，水溫測(cè)量?jī)x大都采用溫度傳感器（如 ad590）與其附加控制電路構(gòu)成。其利用溫度傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而輸出具體所需電信號(hào)。但此類(lèi)產(chǎn)品中測(cè)量誤差偏大、功能單一。最新科技有設(shè)計(jì)采用單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)靈活配置多種測(cè)溫傳感器，對(duì)溫度

5、進(jìn)行高精度測(cè)量的低功耗便攜式測(cè)溫儀，特別適合高爐熱負(fù)荷水溫差測(cè)量領(lǐng)域，或者連續(xù)多點(diǎn)溫度和溫差的測(cè)量場(chǎng)合。采用分段（每十度分段）對(duì)溫度一熱電勢(shì)間非線性關(guān)系的線性化，提高了系統(tǒng)的測(cè)溫精度。實(shí)際使用證明，該測(cè)量?jī)x具有可靠性高、便攜性好、功能齊全、功耗低、適用場(chǎng)合廣泛、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)。然溫度傳感器水溫測(cè)量?jī)x仍不失為重要的水溫測(cè)量工具。1.2 水溫測(cè)量?jī)x的用途水溫測(cè)量?jī)x在國(guó)防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，其主要用于報(bào)警設(shè)備。如在地質(zhì)探測(cè)上，其可以讀出地下水溫，進(jìn)而給地質(zhì)工作者提供地質(zhì)狀況判斷依據(jù)。在海水檢測(cè)領(lǐng)域，可以時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)測(cè)水溫，給出洋流預(yù)測(cè)參考數(shù)據(jù)。水溫測(cè)量

6、儀的作用滲透我們生活的各個(gè)方面，給我們帶來(lái)了極大的便利。1第2章 水溫測(cè)量?jī)x電路的設(shè)計(jì)2.1 總體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)制作水溫測(cè)量?jī)x，首先利用溫度傳感器獲取被測(cè)量對(duì)象的溫度，將溫度轉(zhuǎn)換為電壓表示。然而上述表示的為絕對(duì)溫度與電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此還需將絕對(duì)1溫度與電壓的關(guān)系轉(zhuǎn)換為攝氏度與電壓的關(guān)系，這樣就完成電壓與攝氏度之間的直接轉(zhuǎn)換關(guān)系。之后將電壓放大，即可直接用電壓表讀出被測(cè)對(duì)象的溫度值。此外將放大后的電壓接至一電壓比較器，比較器輸出端接報(bào)警設(shè)備，如指示燈。在設(shè)置比較電壓（即比較溫度）后，由比較器輸出端的電壓決定指示燈的狀態(tài)，進(jìn)而起到報(bào)警的作用。基本原理如圖 2.1.1所示： 被測(cè)對(duì)象k變換放大電壓表

7、比較器報(bào)警設(shè)備圖 2.1.1基本原理圖2.2 溫度傳感器電路的設(shè)計(jì)2v+v-13圖2.2.1 集成溫度傳感器ad59022.2.1 ad590簡(jiǎn)介 ad590是ad公司利用pn結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器，如圖 2.2.1所示。這種器件在被測(cè)溫度一定時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測(cè)量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的 特性。即使電源在515v之間變化，其電流只是在1a以下作微小變化。其主要參數(shù)如表2.2.1所示：工作電壓430v反向電壓20v工作溫度55150焊接溫度（10秒）300保存溫度65175靈敏度1ak正向電壓44v 表 2.2.1 ad590

8、參數(shù)表2.2.2 ad590的應(yīng)用ad590輸出阻抗達(dá)10m，轉(zhuǎn)換當(dāng)量為1a/k。器件采用b1型金屬殼封裝。溫度電壓轉(zhuǎn)換電路如圖 2.2.2所示：圖 2.2.2 溫度電壓轉(zhuǎn)換電路3由圖可得： u1=uo=1a/kr=r10-6/k （2.2.1）如r=10k，則 u1=10mv/k 。 （2.2.2）這樣可以實(shí)現(xiàn)溫度電壓的轉(zhuǎn)換，取的所需電壓。2.3 k變換器電路的設(shè)計(jì)2.3.1 k變換減法電路 實(shí)現(xiàn)溫度電壓轉(zhuǎn)換后，不能直接測(cè)量，仍需將絕對(duì)溫度轉(zhuǎn)換為攝氏度，即實(shí)現(xiàn)k 變換。絕對(duì)溫度（t）與攝氏度（t）之間的關(guān)系為： t=t+273k （2.3.1）由式 （2.2.2）與式2.3.1可知要實(shí)現(xiàn)k變

9、換，必有： uo=10mv/*t2.73v (2.3.2) 該變換可用一個(gè)差分式減法器實(shí)現(xiàn)，如圖1.3.1所示：圖1.3.1 差分式減法器差分式減法器分析：在理想運(yùn)放的情況下，利用虛短與虛斷。有如下關(guān)系： = (2.3.3)及 = (2.3.4)解式（2.3.3）與式（2.3.4）得：u2=( )( )u1 uref （2.3.5）(1.3.5)4所以，只要選取合適的r1,r2,r3,r4值，便可滿足所需要求。如取r4/r2=r3/r1,則有下式： (2.3.6) (2.3.7)2.3.2 電壓的放大引用如圖2.3.2所示儀用放大器，由式2.3.7知選擇r4與r2的值可以實(shí)現(xiàn)電壓放大功能，此時(shí)

10、取r4=r3=100k，r1=r2=10k，此時(shí)有： u=10（u1-uf） (2.3.8)由上式可知溫度與電壓之間的關(guān)系：u=0.1v/ 將放大后的電壓接直流電壓表，即可直接讀的溫度值,如:將ad590放入20的水中，可讀得電壓表的值為2v。圖2.3.2 儀用放大器原理圖52.4 比較器電路的設(shè)計(jì)在本實(shí)例中采用圖2.4.1比較器。其中電阻參數(shù)取：r1=r2=10k，r4=1k，在圖 2.4.2所示u3為報(bào)警時(shí)的溫度設(shè)定電壓。r3，r4用于穩(wěn)定輸入電壓，決定了系統(tǒng)的精度。而r2用于報(bào)警設(shè)備的輸入電阻，用于控制輸入電流的大小。 u0 uz 0 ur ud ui圖2.4.1 水溫測(cè)試儀電壓比較器原

11、理圖2.5 報(bào)警器電路的設(shè)計(jì) led發(fā)光二極管：報(bào)警設(shè)備可用一個(gè)發(fā)光二極管來(lái)充當(dāng)，發(fā)光二極管led，發(fā)熱量小，耗電小。發(fā)光二極管有很多優(yōu)勢(shì)：1. 電壓：led使用低壓電源，供電電壓在6-24v之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。 2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80% 3. 適用性：很小，每個(gè)單元led小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種6形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 4. 穩(wěn)定性：10萬(wàn)小時(shí)，光衰為初始的50% 5. 響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，led燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí) 6. 對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞 報(bào)警分析：

12、當(dāng)加與u2端的電壓大于設(shè)定溫度uref時(shí)，u3有了正向輸出，二極管led導(dǎo)通，發(fā)光，報(bào)警完成。2.6水溫測(cè)量?jī)x運(yùn)作過(guò)程總析將上述器件加以組合得到圖2.6.1所示：水溫測(cè)量過(guò)程及報(bào)警分析：將ad590放入水中，將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流，電流經(jīng)過(guò)ro，在ro兩端產(chǎn)生電壓，進(jìn)而由一個(gè)運(yùn)放組成的電壓跟隨器輸出。然而經(jīng)過(guò)絕對(duì)溫度與電壓的轉(zhuǎn)換后還需要變換為攝氏度與電壓的關(guān)系。于是在電壓跟隨器后接一個(gè)差分減法器以達(dá)目的，即減去一個(gè)2.73v的電壓?？梢岳梅€(wěn)壓管和運(yùn)放電路來(lái)提供所需要的2.73v電壓。如圖2.6.1所示。取ri=500k，d1的穩(wěn)壓uad1為2v。運(yùn)放f2與r5,r6組成同向放大器。由虛斷，虛

13、短可得： （2.6.1）uref = （1+ ）uad1 (2.6.2)所以，可以取r6=3.6k,r5=10k，此時(shí)uref=2.73v。之后可將電壓跟隨器的輸出電壓與上式所求得的電壓接至差分減法器的兩端。在減法器（放大器）作用之后，我們獲得電壓與溫度的直接關(guān)系。在u2端接一電壓表，即可讀的溫度值。比如水的溫度為12，則電壓表的示數(shù)為1.2v。完成了電壓的讀取，還需進(jìn)行電壓比較以達(dá)到報(bào)警的目的。在1.5節(jié)中已經(jīng)討論了比較器的原理。設(shè)計(jì)所要求的報(bào)警溫度為50，即比較電壓為5v。所以應(yīng)該在比較器比較端vcc3接5v的恒壓源。當(dāng)輸出電壓u25v時(shí)，u35v時(shí)，u30。7此時(shí)二極管導(dǎo)通, led發(fā)光

14、。報(bào)警過(guò)程完成。在實(shí)際應(yīng)用中，我們?nèi)cc1=12v。圖2.6.1水溫測(cè)量?jī)x原理圖2.7 水溫測(cè)量?jī)x的擴(kuò)展功能圖2.7 水溫測(cè)量?jī)x擴(kuò)展溫度顯示8第3章 仿真3.1 ewb仿真軟件簡(jiǎn)介ewb是一種電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件，它被稱(chēng)為電子設(shè)計(jì)工作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，英文全稱(chēng)為electronics workbench。ewb是加拿大interactive image technologies公司于1988年開(kāi)發(fā)的，自發(fā)布以來(lái)，已經(jīng)有35個(gè)國(guó)家、10種語(yǔ)言的人在使用。ewb以spice3f5為軟件核心，增強(qiáng)了其在數(shù)字及模擬混合信號(hào)方面的仿真功能。spice3f5是spice的最新版本，spice自19

15、72年使用以來(lái)，已經(jīng)成為模擬集成電路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軟件。ewb建立在spice基礎(chǔ)上，它具有以下突出的特點(diǎn)：（1）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測(cè)試儀器均可直接從屏幕上選??；（2）軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似，可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。（3）ewb軟件帶有豐富的電路元件庫(kù)，提供多種電路分析方法。（4）作為設(shè)計(jì)工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制板軟件交換數(shù)據(jù)。（5）ewb還是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實(shí)驗(yàn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，仿真電路的實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測(cè)量

16、方法。3.2 仿真電路的建立我們用ewb建立電路模型，由于沒(méi)有ad590，我們可以利用一個(gè)恒流源代替ad590提供電流，比擬溫度的采樣。被減電壓2.73v我用了一個(gè)2.73v的電池來(lái)代替。電路模型如圖3.1.1，圖3.1.2，圖3.1.3所示：9圖3.1.1 仿真一圖3.1.2 仿真二10圖3.1.3 仿真三3.3 仿真結(jié)果及其分析設(shè)置好電路以后，我們開(kāi)始仿真。由于我們用了一個(gè)恒流源代替了ad590，即用電流源比作電壓的獲得。1.由圖3.1.1，取電流源電流值為223ua，即絕對(duì)溫度223k，轉(zhuǎn)換為攝氏度為-50。電壓表讀值為-5.0v?？梢?jiàn)與理論值相同，此時(shí)溫度比50度小。比較器輸出為負(fù)值。

17、二極管不導(dǎo)通。圖中二極管未發(fā)光。2.由圖3.1.2，取電流源電流值為323ua，即絕對(duì)溫度323k，轉(zhuǎn)換為攝氏度為50。電壓表讀值為5.0v?？梢?jiàn)與理論值相同，此時(shí)溫度與50度相同，電壓u2=vcc3。比較器輸出為0，二極管不導(dǎo)通，圖中二極管未發(fā)光。3.由圖3.1.3，取電流源電流值為333ua，即絕對(duì)溫度333k，轉(zhuǎn)換為攝氏度為60.電壓表為6v。與理論相同，由于溫度比50度大，電壓u2vcc3.比較器輸出正值，由于理想運(yùn)放的緣故。圖中電壓表讀出值為11.977v是一個(gè)不確定正值。二極管在u3的作用下導(dǎo)通，發(fā)光.由此可見(jiàn)理論值與實(shí)際值符合得很好。溫度能夠測(cè)得。11第4章 結(jié)束語(yǔ)我經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的

18、努力，終于完成了水溫測(cè)量?jī)x的課程設(shè)計(jì)。首先要感謝網(wǎng)絡(luò)，在剛剛接觸這個(gè)課題時(shí)，我只能在網(wǎng)上漫無(wú)目的搜索有關(guān)方面的知識(shí)。后來(lái)，想起了老師講到的有關(guān)運(yùn)放方面的知識(shí)，我頓時(shí)感覺(jué)豁然開(kāi)朗，以前找到的資料看不懂的地方也漸漸的開(kāi)始明白了。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我懂得了如何在網(wǎng)上去查閱資料，網(wǎng)上的資料是雜亂無(wú)章的，而且繁多，最重要的就是自己要學(xué)會(huì)去篩選有用的內(nèi)用，去總結(jié)重要的信息，最終得出自己的結(jié)論，轉(zhuǎn)化為自己的東西。在這次課程設(shè)計(jì)中，雖然水溫測(cè)量?jī)x做得不是非常成功，但是經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)的努力把它完成還是很滿意的。在這次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，雖然遇到了不少困難，但我依然很高興，我從中學(xué)到了不少。首先我懂得了，仿真出來(lái)的不一定

19、就能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟鞘窃诶硐氲臈l件實(shí)現(xiàn)的；在利用multisim軟件剛開(kāi)始也是很麻煩的，后來(lái)經(jīng)過(guò)仔細(xì)學(xué)習(xí)也能做出自己想要的原理圖，但是失望的是沒(méi)有找到傳感器的原件，后來(lái)在網(wǎng)上查才知道庫(kù)里沒(méi)有這個(gè)原件；最后，我對(duì)如何制作一個(gè)電子產(chǎn)品的過(guò)程有了清楚的認(rèn)識(shí)，雖然在此過(guò)程中我失敗過(guò)幾次，也因此而氣餒過(guò)，但最終看到我們做出來(lái)的實(shí)物，我還是感到無(wú)比欣慰的。再多的成功都是共同努力才能完成的，在未來(lái)的學(xué)習(xí)中也是。12參考文獻(xiàn)1何希才傳感器及其應(yīng)用電路電子工業(yè)出版社2001-03-012王家楨王俊杰傳感器與變送器清華大學(xué)出版社2004-01-053 .童詩(shī)白模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社2006-54邱關(guān)源電路（第

20、五版）高等教育出版社2005-055.吳光林.吳建輝. 楊軍.饒進(jìn).羅春一種用于adc電路的高速高精度比較器設(shè)計(jì). 2005-12-24 6 蔡明生.電子設(shè)計(jì)，高等教育出版社，20037 松井邦彥 梁瑞林，傳感器應(yīng)用技巧141例，科學(xué)出版社，200113元件列表電阻rro10 kr110 kr210 kr3100 kr4100 kr510 kr63.6 kr710 kr810 kr91kri500 k穩(wěn)壓二極管1wd1穩(wěn)壓值2v開(kāi)關(guān)二極管1n4148發(fā)光二極管led1n5819集成運(yùn)算放大器cf741電壓表數(shù)字電壓顯示ad590溫度傳感器直流電壓源vcc1電壓值12vvcc3電壓值5v14答辯記錄及評(píng)分表 課題名稱(chēng)水溫測(cè)量?jī)x答辯教師（職稱(chēng)）倪琳 答辯時(shí)間20122013 學(xué)年第 二學(xué)期 第 5周答辯記錄答辯記錄問(wèn)1.溫度傳感器電路的作用？（高藍(lán)旭） 答：溫度傳感電路的作用是為了對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量、控制并顯示，首先必須將溫度的度數(shù)（非電量）轉(zhuǎn)換成電量，然后采用電子電路實(shí)現(xiàn)題目要求。此處利用ad590集成模擬溫度傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行水溫測(cè)量并進(jìn)行溫度電流變換，將溫度變化轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號(hào)。問(wèn)：2.報(bào)警為何選led而不選蜂鳴器？（ 洪凱 ） 答：（1）二極管發(fā)熱量小，耗電少； （2）使用低壓電源更安全； （3）體積小適合各種環(huán)境； （4）穩(wěn)定性強(qiáng)，不易出錯(cuò) （5）耗