温度报警器仿真.docx

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温度报警器仿真

模拟电路基础课程设计报告

温度报警电路的设计与仿真

姓名：

FD

学号：

-----

背景与简介：

本项目的目标是设计一个温度监测与报警电路。

人们的生活与坏境温度息息相关，物理、化学、生物等科学都离不开温度，太阳能热水器、电力、石油、农业大棚经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对温度进行控制。

例如，在醋和酒等的酿造生产中必须对发酵过程的温度进行检测与控制；许多太阳能热水器中，需要通过温度检测来控制其水泵运作；在农业大棚中，通过温度检测来判断是否合适农作物种植与生长；许多电子设备都有额定温度单位，没有合适的温度会使电子产品造成故障等等。

已知条件：

1．温度传感器

温度为25℃时，所有电阻的阻值为400Ω

温度每上升1℃，Rt的阻值下降0.01Ω

2．数字电压表：

2V满量程，3位半

3．发光二极管：

正常发光时正向电流为2~10mA

设计要求：

1．温度为0℃时，数字电压表的指示为0.000V

2．温度为100℃时，数字电压表的指示为1.000V

3．温度低于30℃或高于40℃时，点亮发光二极管报警

4．温度监测与报警误差<±2℃

分析：

1.由已知条件知：

Rt与温度T的关系为：

Rt=400.25Ω-0.01T;

由于Multisim12.0软件里面没有热敏电阻，根据上面的关系式，把Rt替换成一只399.25Ω与一个1Ω的电位器串联，从而模拟由于温度改变引起的Rt的阻值变化。

2.根据设计要求1和2：

温度为0℃时，数字电压表的指示为0.000V,即Rt=400.25Ω时，电压表示数为0.000V;温度为100℃时，数字电压表的指示为1.000V,即Rt=399.25Ω时，电压表示数为1.000V；

3.根据设计要求3：

温度低于30℃或高于40℃时，点亮发光二极管报警，即电压小于0.3V或大于0.4V时，输出逻辑高电平，使发光二极管应导通；则此时显然因选用的比较器为窗口比较器。

4.根据设计要求4：

温度监测与报警误差<±2℃，则所选用运放应具有低失调。

系统方案设计与仿真：

一：

系统框图

二：

单元电路

1．传感器

分析得到：

热敏电阻的阻值：

Rt=400.25Ω-0.01T;

用一只399.25Ω与一个1Ω的电位器串联来代替，从而模拟由于温度改变引起的Rt的阻值变化。

图1传感器部分

2．信号放大电路

由于采样信号为双端输入，共模量大，差模量小的信号，而系统需要的信号为差模信号，所以应采取CMR高的差分放大电路，并且应具有低失调，零点漂移，放大倍数稳定精确的特点。

经查阅多种运放芯片手册以及做电子设计竞赛中用过的常用运放，先选用了OP07，但仿真发现误差最大时超过1.5mV，虽然也能满足项目+-2℃的指标要求（即要求到+-20mV），但为了追求更高的精度和指标。

最终选择了INA163，INA163是一种低噪声，低失真的仪表放大器。

经仿真发现误差最大时也不超过0.2mV,下为INA163数据手册的部分资料

放大器元件参数分析与计算：

要使0℃时为0V，100℃时为1.000V；而在25℃时差模输入信号为0，分析知放大部分的输出与输入差模信号不是直接的K倍关系，而应叠加一个直流偏移。

设放大部分放大倍数为a,放大直流偏移bmV；

建立方程组

0℃时差模信号为：

-781uV;则：

-781a/1000mV+b=0;

（1）

100℃时差模信号为：

2.346mV;则：

2.346amV+b=1000mV;

（2）

联立

（1）

（2）式解得：

a=319.795倍；

b=249.76mV;

根据INA163的芯片手册：

式中Rg为3和12直接的外接反馈电阻；根据所需放大倍数，从而算得Rg=18.8Ω设计出放大级的电路如下

图2放大部分

3．电压显示电路

可选方案有

方案一：

Icl7107,ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。

它包含31/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，从而显示电压值，且精度能达到设计要求。

方案二：

用数字万用表直接显示，显然也能达到设计指标。

由于multisim里面没有icl7107系列芯片，icl7107是功能复杂的专用芯片，因此没有可以替换的单个芯片，只得选取方案二。

（图3）

4．比较器电路

采用两个LM311组成窗口比较器，输出端通过10K的上拉电阻接到Vcc。

通过外部电压设定门限值，使当输入电压ui在0.3到0.4V之间时输出逻辑低电平（mV级别），ui低于0.3或高于0.4V时，输出高电平（约为4.5V，二

极管有一点压降）。

经仿真，发现门限值和输出效果十分准确。

5．报警电路

采用发光LED报警，项目要求正常发光时正向电流为2~10mA，先设定LED的正常工作电流为5mA.

由于比较器的输出的驱动能力较弱，采用一只常用NPN型管2N3904对发光二极管进行驱动。

当Uo=0时，三极管截止，LED不亮；当Uo输出高电平时，三极管工作，LED亮；从而实现报警。

图4报警部分

6.温度报警器全局电路图

图5温度报警器全局电路图

三：

仿真结果

由于对整体进行仿真，已经相当于对每个单元进行仿真了，就没有把每个单元单独隔离出来仿真了（设计每个单元时已经验证过其正确性）。

对电压表显示和发光报警部分的仿真：

（1）温度为0℃时,调节滑动变阻器使Rt=400.25Ω

仿真：

结果为:

数字万用表示数697.593uV,led亮（温度低于30℃，报警）；

（2）温度为100℃时,调节滑动变阻器使Rt=399.25Ω

结果为:

数字万用表示数1.001V,led亮（温度高于40℃，报警）；

（3）温度为10℃时,调节滑动变阻器使Rt=400.15Ω

结果为:

数字万用表示数900.758mV,led亮（温度低于30℃，报警）；

（4）温度为25℃时,调节滑动变阻器使Rt=400Ω

结果为:

数字万用表示数750.607mV,led亮（温度低于30℃，报警）；

（5）温度为31℃时,调节滑动变阻器使Rt=399.94Ω

结果为:

数字万用表示数350.48mV,led不亮（温度在30到40℃之间，不报警）；

（6）温度为35℃时,调节滑动变阻器使Rt=399.9Ω

结果为:

数字万用表示数300.493mV,led不亮（温度在30到40℃之间，不报警）；

（7）温度为37℃时,调节滑动变阻器使Rt=399.88Ω

结果为:

数字万用表示数390.475mV,led不亮（温度在30到40℃之间，不报警）；

（8）温度为41℃时,调节滑动变阻器使Rt=399.84Ω

结果为:

数字万用表示数420.474mV,led亮（温度高于40℃，报警）；

（9）温度为80℃时,调节滑动变阻器使Rt=399.45Ω

结果为:

数字万用表示数840.691mV,led亮（温度高于40℃，报警）；

（10）温度为90℃时,调节滑动变阻器使Rt=399.35Ω

结果为:

数字万用表示数960.834mV,led亮（温度高于40℃，报警）；

分析：

仿真结果均达到设计要求。

四：

结论

设计项目成功，达到所有设计指标。

1温度为0℃时，数字电压表的指示为0.000V.（实际为697.593uV）

2温度为100℃时，数字电压表的指示为1.000V.（实际为1.001V）

并且温度在0到100℃之间变化时，数字电压表的指示十分精确，最大误差小于0.2mV.

3温度低于30℃或高40℃时，点亮发光二极管报警.（能准确报警）

4温度监测与报警误差<±2℃（实际误差<±0.02℃）

总结：

通过本课程设计项目，认识到实际运用中芯片选型的重要性，在电子设计中，芯片选型也是一个关键，本项目中OP07和INA163仪放精度差了不少。

然后就是multisim软件的缺陷，很多专用芯片在元件库中都没有，实际做电路是也不一定做仿真分析。

其次，本项目中传感器太理想，实际生活中不太可能，各种元件的阻值也不可能精确，所以计算机仿真出来的结果和实际制作出来的也会有所差距。