機(jī)械工程測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)——溫度測量儀

1、<p>　　機(jī)械工程測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書</p><p>　　課題題目： 溫度測量儀 </p><p>　　專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　學(xué)生班級(jí)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p>

2、<p>　　學(xué)生學(xué)號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2014年6月17日</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b>　　一 設(shè)計(jì)目的</b>

3、</p><p>　　1、通過對(duì)溫度測量電路的設(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；</p><p>　　2、進(jìn)一步熟悉集成運(yùn)放的線性和非線性應(yīng)用。</p><p>　　二 設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　1、技術(shù)指標(biāo)：</b></p><p>　　要求設(shè)計(jì)一

4、個(gè)溫度測量器件，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：</p><p>　?。?）測溫范圍：室溫～50℃；</p><p>　?。?）被測溫度達(dá)到50℃時(shí)，指示燈亮（或蜂鳴器工作）；</p><p><b>　　2、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　（1）設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足要求的溫度測量及報(bào)警電路；</p><p>

5、;　?。?）要求繪出原理圖，并用Protel畫出印制板圖（選做）；</p><p>　　（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)；</p><p>　?。?）在萬能板、PCB板上或面包板上安裝好電路并調(diào)試；</p><p>　　（5）擬定測試方案和設(shè)計(jì)步驟；</p><p>　?。?）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告、調(diào)試總結(jié)及使用說明書。<

6、/p><p><b>　　3、設(shè)計(jì)擴(kuò)展要求</b></p><p>　?。?）能顯示輸出溫度；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒論……………………………………………………………………… 1 </p><p>　　1.1電子技術(shù)的發(fā)展趨勢

7、…………………………………………………… 1</p><p>　　1.2 本人的主要工作………………………………………………………… 2 </p><p>　　第2章 溫度測量儀的電路設(shè)計(jì)………………………………………………… 3</p><p>　　2.1 溫度測量儀總體框圖…………………………………………………… 3</p><p>　　

8、2.2 AD590集成溫度傳感器………………………………………………… 3</p><p>　　2.3 K—℃變換器…………………………………………………………… 4</p><p>　　2.4 放大器……………………………………………………………………5</p><p>　　2.5 比較器 …………………………………………………………………5</p

9、><p>　　2.6 報(bào)警設(shè)備…………………………………………………………………6</p><p>　　2.7 電路原理圖………………………………………………………………7</p><p>　　第3章 仿真與制作 ……………………………………………………………… 8</p><p>　　3.1 電路的仿真…………………………………………………

10、…………… 8</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果及其分析………………………………………………………12</p><p>　　3.3 溫度測量儀的調(diào)試…………………………………………………… 12</p><p>　　第4章 總結(jié)報(bào)告………………………………………………………………… 13</p><p>　　附錄A元件清單…………………

11、…………………………………………………14</p><p>　　附錄B 實(shí)物圖………………………………………………………………………15 </p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………16</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1電子技術(shù)的發(fā)展

12、趨勢</p><p>　　電子技術(shù)是十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。進(jìn)入21世紀(jì)，人們面臨的是以微電子技術(shù)（半導(dǎo)體和集成電路為代表）電子計(jì)算機(jī)和因特網(wǎng)為標(biāo)志的信息社會(huì)。高科技的廣泛應(yīng)用使社會(huì)生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)獲得了空前的發(fā)展?，F(xiàn)代子技術(shù)在國防、科學(xué)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊（信息處理、傳輸和交流）及文化生活等各個(gè)領(lǐng)域中都起著巨大的作用。現(xiàn)在的世界

13、，電子技術(shù)無處不在：收音機(jī)、彩電、音響、VCD、DVD、電子手表、數(shù)碼相機(jī)、微電腦、大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)流水線、因特網(wǎng)、機(jī)器人、航天飛機(jī)、宇宙探測儀，可以說，人們現(xiàn)在生活在電子世界中，一天也離不開它。</p><p>　　電子管時(shí)代（1905~1948）。四十年代末世界上誕生了第一只半導(dǎo)體三極管，它以小巧、輕便、省電、壽 命長等特點(diǎn)，很快地被各國應(yīng)用起來，在很大范圍內(nèi)取代了電子管。五十年代末期，世界

14、上出現(xiàn)了第一塊集成電路，它把許多晶體管等電子元件集成在一塊硅芯片上，使電子產(chǎn)品向更小型化發(fā)展。集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化的方向發(fā)展。</p><p>　　晶體管時(shí)代（1948～1959）。1947年 貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克萊研制成第一個(gè)點(diǎn)接觸型晶體管，揭開了晶體管的發(fā)展序幕。</p>

15、<p>　　集成電路階段（1960~至今）。自1958年第一塊集成元件問世以來，集成電路已經(jīng)跨越了小、中、大、超大、特大、巨大規(guī)模幾個(gè)臺(tái)階，集成度平均每2年提高近3倍。隨著集成度的提高，器件尺寸不斷減小。而本實(shí)驗(yàn)所研究的溫度測量儀，由于其可靠性高、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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于溫度差測量領(lǐng)域。</p><p>　　第2章 溫度測量儀的電路設(shè)計(jì)</p>

16、;<p>　　2.1 溫度測量儀總體框圖</p><p>　　使用溫度測量儀，首先經(jīng)過AD590集成溫度傳感器的作用，使外界溫度轉(zhuǎn)換為電流用表示。因?yàn)樯鲜鰹榻^對(duì)溫度K和電流之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，而在設(shè)計(jì)中我們需要采用℃，所以我們必須使其轉(zhuǎn)換成攝氏溫度℃和電流之間的關(guān)系，這就要用到K—℃變換器。通過K—℃變換器的作用，我們便得到想要的℃和電流之間的直接轉(zhuǎn)換關(guān)系。得到的電流再經(jīng)過放大器的放大，即可直接用電壓表

17、讀出被測對(duì)象的溫度值。然后放大后的電壓接一比較器，比較器的輸出端接報(bào)警設(shè)備。報(bào)警設(shè)備可由一個(gè)發(fā)光二極管組成。在設(shè)置了預(yù)警溫度后，由比較器輸出端的電壓決定二極管是否發(fā)光，從而起到警報(bào)作用?；驹韴D如圖2.1.1所示。</p><p>　　圖2.1.1溫度測量儀原理框圖</p><p>　　AD590集成溫度傳感器</p><p>　　AD590是利用PN結(jié)正向電流與

18、溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時(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，測量精度高，并具有消除電源波動(dòng)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.</p><p>　　1、流過器件的電流(μA) 等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文) 度數(shù)。</p><p>　　2、 可測量范圍-55℃至150℃.</p>

19、<p>　　3、 供電電壓范圍+4V至+30V.</p><p>　　AD590集成溫度傳感器進(jìn)行溫度～電流轉(zhuǎn)換。它是一種電流型二端器件，其內(nèi)部已作修正，具有良好的互換性和線性。有消除電源波動(dòng)的特性。輸出阻抗達(dá)10MΩ，轉(zhuǎn)換當(dāng)量為。器件采用B－1型金屬殼封裝。</p><p>　　溫度—電壓變換電路如圖2.2.2所示。由圖可得：</p><p>　　由

20、 （R一般取10KΩ）</p><p><b>　　所以。</b></p><p>　　圖2.2.1 AD590原件符號(hào) 圖2.2.2 溫度——電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　K—℃變換器</b></p><p>　　因?yàn)锳D590的溫控電流值是對(duì)應(yīng)絕對(duì)溫度K

21、，而在設(shè)計(jì)中需要采用℃，由運(yùn)放組成的加法器可以實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，參考電路如下圖2.3</p><p>　　圖2.3 K—℃變換電路 </p><p>　　設(shè)流經(jīng)R2,R1,R3的電流分別為 </p><p>　　對(duì)圖2.3的反相輸入節(jié)點(diǎn)可列出下面的方程： </p><p><b>　　由此得

22、 </b></p><p>　　( 2.3.1 )</p><p>　　若 （實(shí)際應(yīng)用中可取R1=R2=R3=5 KΩ）</p><p>　　而 計(jì)算得 </p><p>　　則式 ( 2.3.1 )可變?yōu)?</p><p><b>　

23、?。?2.3.2 )</b></p><p>　　元件參數(shù)的確定和－UR選取的指導(dǎo)思想是：0℃（即273K）時(shí)，U2 = 0 V</p><p>　　綜合式（2.2.1），可得</p><p>　　。 ( 2.3.3 )</p><p><b>　　放大器</b>&

24、lt;/p><p>　　圖2.4 反相比例放大器</p><p>　　設(shè)流經(jīng)R4，R6的電流分別為i4，i6。 由虛斷的概念可知，i4=i6， </p><p><b>　　所以得出: </b></p><p><b>　?。?.4.1）</b></p><p>　　為了提供

25、一個(gè)合適的靜態(tài)偏置，以及減小輸入級(jí)偏置電流引起的運(yùn)算誤差，故在其同向端接入一個(gè)平衡電阻 </p><p><b>　　( 2.4.2 )</b></p><p>　　要使U3滿足100mV/℃， 又因?yàn)?U2=10mV/℃，由式（2.4.1）可得 </p><p>　　所以我們可取 </p>&

26、lt;p><b>　　2.5 比較器</b></p><p>　　電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路,常用于各種電子設(shè)備中.它將一個(gè)模擬量電壓信號(hào)和一個(gè)參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。</p><p>　　圖2.5.1 電壓比較器</p><p>　　由電壓比較器組成，如圖2.5所示

27、。Uref為報(bào)警時(shí)溫度設(shè)定電壓5V，R7,R8用于穩(wěn)定輸入電壓。R9用于改善比較器的遲滯特性，R10用于報(bào)警設(shè)備的輸入電阻，用來控制輸入電流的大小。這些電阻決定了系統(tǒng)的精度。</p><p>　　由比較器的虛短和虛斷概念得</p><p><b>　　（2.5.1）</b></p><p>　　經(jīng)過調(diào)試，可取 </p>&

28、lt;p><b>　　2.6報(bào)警設(shè)備</b></p><p>　　發(fā)光二極管為其核心設(shè)備,其發(fā)熱量小，耗電量也少，節(jié)能。由低壓電源供給，供電電壓大大約為6-24 V之間。</p><p>　　當(dāng)?shù)闹敌∮诘闹禃r(shí)，輸出為低電平，三極管截止，發(fā)光二極管無響應(yīng)。</p><p>　　當(dāng)?shù)碾妷褐荡笥跁r(shí)，輸出為高電平，三極管導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光，

29、產(chǎn)生警報(bào)！</p><p>　　圖2.6.1 發(fā)光二極管 圖2.6.2 報(bào)警設(shè)備電路 2.7 2.7電路原理圖</p><p>　　由上述各設(shè)計(jì)電路可得出如圖2.7所示電路原理圖。</p><p><b>　　圖2.7 </b></p><p><b>　　第3章

30、仿真與制作</b></p><p><b>　　3.1 電路的仿真</b></p><p>　　仿真電路如圖3.1.1,3.1.2和3.1.3所示</p><p>　　其中，圖3.1.1是溫度未達(dá)警戒線50℃的仿真電路；圖3.1.2是溫度剛好為50℃的仿真電路；圖3.1.3是溫度超過警戒線50℃的仿真電路。</p>&

31、lt;p>　　圖3.1.1 27℃時(shí) </p><p>　　圖3.1.2 50℃時(shí)</p><p>　　圖3.1.3 60℃時(shí)</p><p>　　3.2 仿真結(jié)果及其分析</p><p>　　由圖3.2.1 可以看出：當(dāng)恒流源取300uA（300K）時(shí)，轉(zhuǎn)化為溫度是300-273=27℃，而的電壓值大約為2.7V，即仿真所得

32、的實(shí)際結(jié)果與理論相同。</p><p>　　由圖3.2.2 可以看出：當(dāng)恒流源取323uA（323K）時(shí)，轉(zhuǎn)化為溫度是323-273=50℃，而的電壓值大約為5V，即仿真所得的實(shí)際結(jié)果與理論相同。</p><p>　　由圖3.2.2 可以看出：當(dāng)恒流源取333uA（333K）時(shí)，轉(zhuǎn)化為溫度是333-273=60℃，而的電壓值大約為6.0V，即仿真所得的實(shí)際結(jié)果與理論相同。所以，仿真成功，可

33、以通過此裝置測得溫度。</p><p>　　3.3溫度測量儀的調(diào)試</p><p>　　1.調(diào)試要點(diǎn)和注意事項(xiàng)：</p><p>　　用溫度計(jì)測傳感器處的溫度T(℃)如T=27℃（300K）。若取R0=10KΩ，則U1=3V調(diào)整UR的值使U2=-270mV,若放大器的放大倍數(shù)為－10倍，則放大器的輸出U3應(yīng)為2.7V。測比較器的比較電壓U2值，使其等于所設(shè)定的溫度乘

34、以0.1V，如設(shè)定溫度為50℃，則值為5V。比較器的輸出可接發(fā)光二極管。把溫度傳感器加熱（可以電吹風(fēng)吹）在溫度小于設(shè)定值前發(fā)光二極管應(yīng)處于熄滅狀態(tài)，反之，為點(diǎn)亮。</p><p><b>　　2.實(shí)物的調(diào)試：</b></p><p>　　溫度測量儀測試：當(dāng)恒流源取300uA（300K）時(shí)，轉(zhuǎn)化為溫度是300-273=27℃，而所測的電壓值為2.53V，與已知的理論值2

35、.7V不符合，應(yīng)調(diào)節(jié)電路板上電位器使的值大約為2.7V即可。當(dāng)恒流源取323uA（323K）時(shí)，轉(zhuǎn)化為溫度是323-273=50℃，而的電壓值4.13V，與已知的理論值不符合，應(yīng)調(diào)節(jié)其電位器使的值大約為5V即可。當(dāng)恒流源取333uA（333K）時(shí)，轉(zhuǎn)化為溫度是333-273=60℃，而的電壓值大約為5.99V，與已知理論值基本6V相同，所以，調(diào)試成功，可以通過此裝置測得溫度。

36、 </p><p><b>　　總結(jié)報(bào)告</b></p><p>　　經(jīng)過了一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，我感想頗多。這篇關(guān)于溫度測量儀的課程設(shè)計(jì)說明書，終于圓滿完成了。期間，方便的網(wǎng)絡(luò)給我提供大量的書本上所沒有資料。通過自己親手設(shè)計(jì)，增加了對(duì)這門學(xué)科的興趣，而且，由于之前的有關(guān)內(nèi)容學(xué)的不是很扎實(shí)，導(dǎo)致剛動(dòng)手的時(shí)候，遇到很大的阻力。但在查閱了大量的資料后，這些內(nèi)容所包含的知識(shí)

37、點(diǎn)要比讓我有了深刻的理解?？梢娡ㄟ^實(shí)際的動(dòng)手操作，能夠更好的掌握所學(xué)的知識(shí)。</p><p>　　這讓我明白了實(shí)踐的重要性。理論知識(shí)固然重要，但只有將理論投入到實(shí)踐中去檢驗(yàn)，才能體現(xiàn)出理論的價(jià)值。電路元件只有焊接到電路板上，才能發(fā)揮其真正的作用，單純的研究理論知識(shí)，而不去動(dòng)手實(shí)踐，我們就不能全面發(fā)展，就不能成為真正對(duì)社會(huì)有意義的人。</p><p>　　最后，我還明白了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。單

38、純靠一個(gè)人的力量是無法完成的。只有在一個(gè)團(tuán)隊(duì)的共同努力下，才能最終走向成功。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)，帶給我很多的教訓(xùn)，但更多的是經(jīng)驗(yàn)，我相信我會(huì)越來越成熟。</p><p><b>　　附錄A元件清單</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]李力．

39、機(jī)械工程測試技術(shù)．華中科技大學(xué)出版社．</p><p>　　[2]康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）．高等教育出版社．</p><p>　　[3]曹才開．電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)．中南大學(xué)出版社． </p><p>　　[4]康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版）．高等教育出版社．</p><p>　　[5]郭照南．電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與仿真．中南