水溫測量儀_模電課程設計

1、<p>　　2012~ 2013 學年 第 二 學期</p><p>　　《 模擬電子技術基礎 》</p><p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　題 目： 水溫測量儀 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　班

2、 級： 2011級一班 </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2013年3月28日</p><p><b>　　1、任務書</b></p><p><b>

3、;　　摘 要</b></p><p>　　現(xiàn)在的生活中，傳感器越來越普遍了,有了溫度傳感器，對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量儀就是一個例子，我們可以較為簡便的控制水溫達到想要的程度。在對其進行設計的時候，要能很好的掌握通過對溫度測量電路的設計、安裝和調(diào)試了解溫度傳感器的性能，學會在實際電路中應用。</p><p><b>　　關鍵詞：&l

4、t;/b></p><p>　　水溫測量儀、溫度傳感器、放大器電路</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 水溫測量儀的發(fā)展------------------------------1</p>

5、<p>　　1.2 水溫測量儀的用途------------------------------1</p><p>　　第2章 水溫測量儀電路的設計</p><p>　　2.1 總體結構框圖設計-------------------------------1</p><p>　　2.2 溫度傳感器電路的設計------------------------

6、---2</p><p>　　2.2.1 AD590簡介--------------------------------2</p><p>　　2.2.2 AD590的應用------------------------------3</p><p>　　2.3 K—℃變換器電路的設計--------------------------4</p>

7、<p>　　2.3.1 K—℃變換減法電路-------------------------4</p><p>　　2.3.2 電壓的放大--------------------------------5</p><p>　　2.4 比較器電路的設計-------------------------------5</p><p>　　2.5 報警器電路

8、的設計-------------------------------6</p><p>　　2.6水溫測量儀運作過程總析-------------------------7</p><p>　　2.7 水溫測量儀的擴展功能---------------------------8</p><p><b>　　第3章 仿真</b></p&g

9、t;<p>　　3.1 EWB仿真軟件簡介-------------------------------9</p><p>　　3.2 仿真電路建立-----------------------------------9</p><p>　　3.3 仿真結果及其分析------------------------------11</p><p>　　第

10、4章 結束語-------------------------------12</p><p>　　參考文獻-------------------------------------13</p><p>　　元件列表-------------------------------------14</p><p><b>　　第1章 緒論</b>

11、;</p><p>　　1.1 水溫測量儀的發(fā)展</p><p>　　一般來說，水溫測量儀大都采用溫度傳感器（如 AD590）與其附加控制電路構成。其利用溫度傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號，進而輸出具體所需電信號。但此類產(chǎn)品中測量誤差偏大、功能單一。最新科技有設計采用單片機，實現(xiàn)靈活配置多種測溫傳感器，對溫度進行高精度測量的低功耗便攜式測溫儀，特別適合高爐熱負荷水溫差測量領域，或者連續(xù)多點溫

12、度和溫差的測量場合。采用分段（每十度分段）對溫度一熱電勢間非線性關系的線性化，提高了系統(tǒng)的測溫精度。實際使用證明，該測量儀具有可靠性高、便攜性好、功能齊全、功耗低、適用場合廣泛、測溫精度高等特點。然溫度傳感器水溫測量儀仍不失為重要的水溫測量工具。</p><p>　　1.2 水溫測量儀的用途</p><p>　　水溫測量儀在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等領域都有廣泛

13、應用，其主要用于報警設備。如在地質(zhì)探測上，其可以讀出地下水溫，進而給地質(zhì)工作者提供地質(zhì)狀況判斷依據(jù)。在海水檢測領域，可以時時刻刻監(jiān)測水溫，給出洋流預測參考數(shù)據(jù)。水溫測量儀的作用滲透我們生活的各個方面，給我們帶來了極大的便利。</p><p><b>　　1</b></p><p>　　第2章 水溫測量儀電路的設計</p><p>　　2.1

14、總體結構框圖設計</p><p>　　制作水溫測量儀，首先利用溫度傳感器獲取被測量對象的溫度，將溫度轉(zhuǎn)換為電壓表示。然而上述表示的為絕對溫度與電壓的轉(zhuǎn)換關系，因此還需將絕對</p><p><b>　　1</b></p><p>　　溫度與電壓的關系轉(zhuǎn)換為攝氏度與電壓的關系，這樣就完成電壓與攝氏度之間的直接轉(zhuǎn)換關系。之后將電壓放大，即可直接用電

15、壓表讀出被測對象的溫度值。此外將放大后的電壓接至一電壓比較器，比較器輸出端接報警設備，如指示燈。在設置比較電壓（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)，進而起到報警的作用?；驹砣鐖D 2.1.1所示：</p><p>　　圖 2.1.1基本原理圖</p><p>　　2.2 溫度傳感器電路的設計</p><p>　　圖2.2.1 集成溫度傳感器AD5

16、90</p><p><b>　　2</b></p><p><b>　　AD590簡介</b></p><p>　　AD590是AD公司利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器，如圖 2.2.1所示。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波

17、動的 特性。即使電源在5～15V之間變化，其電流只是在1μA以下作微小變化。其主要參數(shù)</p><p>　　如表2.2.1所示：</p><p>　　表 2.2.1 AD590參數(shù)表</p><p>　　2.2.2 AD590的應用</p><p>　　AD590輸出阻抗達10MΩ，轉(zhuǎn)換當量為1μA/K。器件采用B－1型金屬殼封裝。溫度—電

18、壓轉(zhuǎn)換電路如圖 2.2.2所示：</p><p>　　圖 2.2.2 溫度—電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　由圖可得：</b></p><p>　　U1=Uo=1μA/K×R=R×10-6/K

19、 （2.2.1）</p><p>　　如R=10KΩ，則 U1=10mV/K 。 （2.2.2）</p><p>　　這樣可以實現(xiàn)溫度—電壓的轉(zhuǎn)換，取的所需電壓。</p><p>　　K—℃變換器電路的設計</p><p>　　2.3.1 K—℃變換減法電路</p><p>　　實

20、現(xiàn)溫度—電壓轉(zhuǎn)換后，不能直接測量，仍需將絕對溫度轉(zhuǎn)換為攝氏度，即實現(xiàn)K —℃變換。絕對溫度（T）與攝氏度（t）之間的關系為：</p><p>　　T=t+273k （2.3.1）</p><p>　　由式 （2.2.2）與式2.3.1可知要實現(xiàn)K—℃變換，必有：</p><p>　　U

21、o=10mV/℃*T―2.73V (2.3.2) </p><p>　　該變換可用一個差分式減法器實現(xiàn)，如圖1.3.1所示：</p><p>　　圖1.3.1 差分式減法器</p><p>　　差分式減法器分析：在理想運放的情況下，利用虛短與虛斷。有如下關系：</p><p>　　=

22、 (2.3.3)</p><p>　　及 = (2.3.4)</p><p>　　解式（2.3.3）與式（2.3.4）得：</p><p>　　U2=( )( )U1— Uref （2.3

23、.5）(1.3.5)</p><p><b>　　4</b></p><p>　　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：</p><p><b>　　(2.3.6)</b></p><p><b>　　(2.3.7)<

24、/b></p><p>　　2.3.2 電壓的放大</p><p>　　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的值可以實現(xiàn)電壓放大功能，此時取R4=R3=100KΩ，R1=R2=10KΩ，此時有：</p><p>　　U=10（U1-Uf） (2.3.8)</p>

25、<p>　　由上式可知溫度與電壓之間的關系：</p><p>　　U=0.1V/ ℃ </p><p>　　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。</p><p>　　圖2.3.2 儀用放大器原理圖</p&

26、gt;<p><b>　　5</b></p><p>　　2.4 比較器電路的設計</p><p>　　在本實例中采用圖2.4.1比較器。其中電阻參數(shù)取：R1=R2=10KΩ，R4=1KΩ，在圖 2.4.2所示U3為報警時的溫度設定電壓。R3，R4用于穩(wěn)定輸入電壓，決定了系統(tǒng)的精度。而R2用于報警設備的輸入電阻，用于控制輸入電流的大小。 </p&

27、gt;<p>　　圖2.4.1 水溫測試儀電壓比較器原理圖</p><p>　　2.5 報警器電路的設計</p><p><b>　　LED發(fā)光二極管：</b></p><p>　　報警設備可用一個發(fā)光二極管來充當，發(fā)光二極管LED，發(fā)熱量小，耗電小。</p><p>　　發(fā)光二極管有很多優(yōu)勢：</

28、p><p>　　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，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。 </p><p>　　2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80% </p><p>　　3. 適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種</p><p><

29、;b>　　6</b></p><p>　　形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 </p><p>　　4. 穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50% </p><p>　　5. 響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級 </p><p>　　6. 對環(huán)境污染：無有害金屬汞 </p><p

30、><b>　　報警分析：</b></p><p>　　當加與U2端的電壓大于設定溫度Uref時，U3有了正向輸出，二極管LED導通，發(fā)光，報警完成。</p><p>　　2.6水溫測量儀運作過程總析</p><p>　　將上述器件加以組合得到圖2.6.1所示：</p><p>　　水溫測量過程及報警分析：將AD59

31、0放入水中，將會產(chǎn)生相應大小的電流，電流經(jīng)過Ro，在Ro兩端產(chǎn)生電壓，進而由一個運放組成的電壓跟隨器輸出。然而經(jīng)過絕對溫度與電壓的轉(zhuǎn)換后還需要變換為攝氏度與電壓的關系。于是在電壓跟隨器后接一個差分減法器以達目的，即減去一個2.73V的電壓?？梢岳梅€(wěn)壓管和運放電路來提供所需要的2.73V電壓。</p><p>　　如圖2.6.1所示。取Ri=500KΩ，D1的穩(wěn)壓Uad1為2V。運放F2與R5,R6組成同向放大器

32、。由虛斷，虛短可得：</p><p><b>　?。?.6.1）</b></p><p>　　Uref = （1+ ）Uad1 (2.6.2)</p><p>　　所以，可以取R6=3.6KΩ,R5=10KΩ，此時Uref=2.73V。</p><p>　　之后

33、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。</p><p>　　完成了電壓的讀取，還需進行電壓比較以達到報警的目的。在1.5節(jié)中已經(jīng)討論了比較器的原理。設計所要求的報警溫度為50℃，即比較電壓為5V。所以應該在比較器比較端VCC3接5V的恒壓源。<

34、;/p><p>　　當輸出電壓U2<5V時，U3<0。此時二極管截止。當輸出電壓>5V時，U3>0。</p><p><b>　　7</b></p><p>　　此時二極管導通, LED發(fā)光。報警過程完成。在實際應用中，我們?nèi)CC1=12V。</p><p>　　圖2.6.1水溫測量儀原理圖<

35、/p><p>　　2.7 水溫測量儀的擴展功能</p><p>　　圖2.7 水溫測量儀擴展溫度顯示</p><p><b>　　8</b></p><p><b>　　仿真</b></p><p>　　3.1 EWB仿真軟件簡介</p><p>　　E

36、WB是一種電子電路計算機仿真軟件，它被稱為電子設計工作平臺或虛擬電子實驗室，英文全稱為Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年開發(fā)的，自發(fā)布以來，已經(jīng)有35個國家、10種語言的人在使用。EWB以SPICE3F5為軟件核心，增強了其在數(shù)字及模擬混合信號方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以來，已經(jīng)成為

37、模擬集成電路設計的標準軟件。EWB建立在SPICE基礎上，它具有以下突出的特點：</p><p>　　（1）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計算機屏幕上模仿真實實驗室的工作臺，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選?。?lt;/p><p>　?。?）軟件儀器的控制面板外形和操作方式都與實物相似，可以實時顯示測量結果。</p><p>　?。?）E

38、WB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。</p><p>　?。?）作為設計工具，它可以同其它流行的電路分析、設計和制板軟件交換數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）EWB還是一個優(yōu)秀的電子技術訓練工具，利用它提供的虛擬儀器可以用比實驗室中更靈活的方式進行電路實驗，仿真電路的實際運行情況，熟悉常用電子儀器測量方法。</p><p>　　3.2 仿真電路的建立

39、</p><p>　　我們用EWB建立電路模型，由于沒有AD590，我們可以利用一個恒流源代替AD590提供電流，比擬溫度的采樣。被減電壓2.73V我用了一個2.73V的電池來代替。電路模型如圖3.1.1，圖3.1.2，圖3.1.3所示：</p><p><b>　　9</b></p><p>　　圖3.1.1 仿真一</p>&

40、lt;p>　　圖3.1.2 仿真二</p><p><b>　　10</b></p><p>　　圖3.1.3 仿真三</p><p>　　3.3 仿真結果及其分析</p><p>　　設置好電路以后，我們開始仿真。由于我們用了一個恒流源代替了AD590，即用電流源比作電壓的獲得。</p><

41、;p>　　1.由圖3.1.1，取電流源電流值為223uA，即絕對溫度223K，轉(zhuǎn)換為攝氏度為-50℃。電壓表讀值為-5.0V。可見與理論值相同，此時溫度比50度小。比較器輸出為負值。二極管不導通。圖中二極管未發(fā)光。</p><p>　　2.由圖3.1.2，取電流源電流值為323uA，即絕對溫度323K，轉(zhuǎn)換為攝氏度為50℃。電壓表讀值為5.0V?？梢娕c理論值相同，此時溫度與50度相同，電壓U2=VCC3。比

42、較器輸出為0，二極管不導通，圖中二極管未發(fā)光。</p><p>　　3.由圖3.1.3，取電流源電流值為333uA，即絕對溫度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U2>VCC3.比較器輸出正值，由于理想運放的緣故。圖中電壓表讀出值為11.977V是一個不確定正值。二極管在U3的作用下導通，發(fā)光.</p><p>　　由此可見理論值與實際值

43、符合得很好。溫度能夠測得。</p><p><b>　　11</b></p><p><b>　　第4章 結束語</b></p><p>　　我經(jīng)過長時間的努力，終于完成了水溫測量儀的課程設計。首先要感謝網(wǎng)絡，在剛剛接觸這個課題時，我只能在網(wǎng)上漫無目的搜索有關方面的知識。后來，想起了老師講到的有關運放方面的知識，我頓時感覺

44、豁然開朗，以前找到的資料看不懂的地方也漸漸的開始明白了。通過這次課程設計，我懂得了如何在網(wǎng)上去查閱資料，網(wǎng)上的資料是雜亂無章的，而且繁多，最重要的就是自己要學會去篩選有用的內(nèi)用，去總結重要的信息，最終得出自己的結論，轉(zhuǎn)化為自己的東西。</p><p>　　在這次課程設計中，雖然水溫測量儀做得不是非常成功，但是經(jīng)過團隊的努力把它完成還是很滿意的。在這次課程設計的過程中，雖然遇到了不少困難，但我依然很高興，我從中學到

45、了不少。首先我懂得了，仿真出來的不一定就能實現(xiàn)，因為那是在理想的條件實現(xiàn)的；在利用multisim軟件剛開始也是很麻煩的，后來經(jīng)過仔細學習也能做出自己想要的原理圖，但是失望的是沒有找到傳感器的原件，后來在網(wǎng)上查才知道庫里沒有這個原件；最后，我對如何制作一個電子產(chǎn)品的過程有了清楚的認識，雖然在此過程中我失敗過幾次，也因此而氣餒過，但最終看到我們做出來的實物，我還是感到無比欣慰的。</p><p>　　再多的成功都是

46、共同努力才能完成的，在未來的學習中也是。</p><p><b>　　12</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]．何希才．傳感器及其應用電路．電子工業(yè)出版社．2001-03-01．</p><p>　　[2]．王家楨．王俊杰．傳感器與變送器．清華大學出版社

47、．2004-01-05．</p><p>　　[3] .童詩白．模擬電子技術基礎．高等教育出版社．2006-5．</p><p>　　[4]．邱關源．電路（第五版）．高等教育出版社．2005-05．</p><p>　　[5].吳光林.吳建輝. 楊軍.饒進.羅春一．種用于ADC電路的高速高精度比較器設計. 2005-12-24 ．</p><p&