铜陵学院模电课程设计水温测量仪.docx
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铜陵学院模电课程设计水温测量仪
2011~2012学年第二学期
《模拟电子技术基础》
课程设计报告
题目：
专业：
班级：
姓名：
指导教师：
电气工程系
2012年5月12日
水温测量仪
（一）设计目的
（1）能显示输出温度；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；
（3）由数字电压表实现温度显示，可直接读出温度值。
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；
（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）拟定设计步骤；
（5）撰写设计报告。
3、设计扩展要求
（1）能显示输出温度；
目录
第1章绪论
1.1水温测量仪的发展------------------------------1
1.2水温测量仪的用途------------------------------1
第2章水温测量仪电路的设计
2.1总体结构框图设计------------------------------2
2.2温度传感器电路的设计--------------------------2
2.2.1AD590简介--------------------------------3
2.2.2AD590的应用------------------------------3
2.3K—℃变换器电路的设计-------------------------4
2.3.1K—℃变换减法电路------------------------4
2.3.2电压的放大-------------------------------5
2.4比较器电路的设计------------------------------5
2.5报警器电路的设计-------------------------------6
2.6水温测量仪运作过程总析-------------------------6
第3章仿真与制作
3.1EWB仿真软件简介--------------------------------9
3.2仿真电路建立------------------------------------9
3.3仿真结果及其分析-------------------------------12
-
第4章结束语-------------------------------12
第5章附录
参考文献-------------------------------------13
元件清单-------------------------------------14
第1章绪论
1.1水温测量仪的发展
一般来说，水温测量仪大都采用温度传感器（如AD590）与其附加控制电路构成。
其利用温度传感器将温度变化转化为电信号，进而输出具体所需电信号。
但此类产品中测量误差偏大、功能单一。
最新科技有设计采用单片机，实现灵活配置多种测温传感器，对温度进行高精度测量的低功耗便携式测温仪，特别适合高炉热负荷水温差测量领域，或者连续多点温度和温差的测量场合。
采用分段（每十度分段）对温度一热电势间非线性关系的线性化，提高了系统的测温精度。
实际使用证明，该测量仪具有可靠性高、便携性好、功能齐全、功耗低、适用场合广泛、测温精度高等特点。
然温度传感器水温测量仪仍不失为重要的水温测量工具。
1.2水温测量仪的用途
水温测量仪在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等领域都有广泛应用，其主要用于报警设备。
如在地质探测上，其可以读出地下水温，进而给地质工作者提供地质状况判断依据。
在海水检测领域，可以时时刻刻监测水温，给出洋流预测参考数据。
水温测量仪的作用渗透我们生活的各个方面，给我们带来了极大的便利。
1
第2章水温测量仪电路的设计
2.1总体结构框图设计
制作水温测量仪，首先利用温度传感器获取被测量对象的温度，将温度转换为电压表示。
然而上述表示的为绝对温度与电压的转换关系，因此还需将绝对温度与电压的关系转换为摄氏度与电压的关系，这样就完成电压与摄氏度之间的直接转换关系。
之后将电压放大，即可直接用电压表读出被测对象的温度值。
此外将放大后的电压接至一电压比较器，比较器输出端接报警设备，如指示灯。
在设置比较电压（即比较温度）后，由比较器输出端的电压决定指示灯的状态，进而起到报警的作用。
基本原理如图2.1.1所示：
图2.1.1基本原理图
2.2温度传感器电路的设计
2
图2.2.1集成温度传感器AD590
2
2.2.1AD590简介
AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，如图2.2.1所示。
这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。
该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。
即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。
其主要参数
如表2.2.1所示：
表2.2.1AD590参数表
工作电压
4～30V
反向电压
－20V
工作温度
－55～＋150℃
焊接温度（10秒）
300℃
保存温度
－65～＋175℃
灵敏度
1μA／K
正向电压
＋44V
2.2.2AD590的应用
AD590输出阻抗达10MΩ，转换当量为1μA/K。
器件采用B－1型金属壳封装。
温度—电压转换电路如图2.2.2所示：
图2.2.2温度—电压转换电路
由图可得：
U1=Uo=1μA/K×R=R×10-6/K（2.2.1）
如R=10KΩ，则U1=10mV/K。
（2.2.2）
这样可以实现温度—电压的转换，取的所需电压。
3
2.3K—℃变换器电路的设计
2.3.1K—℃变换减法电路
实现温度—电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现K—℃变换。
绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为：
T=t+273k（2.3.1）
由式（2.2.2）与式2.3.1可知要实现K—℃变换，必有：
Uo=10mV/℃*T―2.73V（2.3.2）
该变换可用一个差分式减法器实现，如图1.3.1所示：
差分式减法器分析：
在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。
有如下关系：
=
（2.3.3）
及
=
（2.3.4）
解式（2.3.3）与式（2.3.4）得：
U2=（
）（
）U1—
Uref（2.3.5）（1.3.5）
所以，只要选取合适的R1,R2,R3,R4值，便可满足所需要求。
如取R4/R2=R3/R1,则有下式：
4
（2.3.6）
（2.3.7）
2.3.2电压的放大
由式2.3.7知选择R4与R2的值可以实现电压放大功能，此时取R4=R3=100KΩ，R1=R2=10KΩ，此时有：
U=10（U1-Uf）（2.3.8）
由上式可知温度与电压之间的关系：
U=0.1V/℃
将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值,如:
将AD590放入20℃的水中，可读得电压表的值为2V。
2.4比较器电路的设计
在本实例中采用图2.4.1比较器。
其中电阻参数取：
R7=R8=10KΩ，R9=1KΩ，在图2.4.4所示VCC3为报警时的温度设定电压。
R7，R8用于稳定输入电压，决定了系统的精度。
而R9用于报警设备的输入电阻，用于控制输入电流的大小。
2.4.1水温测试仪电压比较器电路
5
2.5报警器电路的设计
LED发光二极管：
报警设备可用一个发光二极管来充当，发光二极管LED，发热量小，耗电小。
发光二极管有很多优势：
1.电压：
LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2.效能：
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3.适用性：
很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4.稳定性：
10万小时，光衰为初始的50%
5.响应时间：
其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
6.对环境污染：
无有害金属汞
报警分析：
当加与U2端的电压大于设定温度Uref时，U3有了正向输出，二极管LED导通，发光，报警完成。
2.6水温测量仪运作过程总析
将上述器件加以组合得到图2.6.1所示：
水温测量过程及报警分析：
将AD590放入水中，将会产生相应大小的电流，电流经过Ro，在Ro两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。
然而经过绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系。
于是在电压跟随器后接一个差分减法器以达目的，即减去一个2.73V的电压。
可以利用稳压管和运放电路来提供所需要的2.73V电压。
如图2.6.1所示。
取Ri=500KΩ，D1的稳压Uad1为2V。
运放F2与R5,R6组成同向放大器。
由虚断，虚短可得：
（2.6.1）
Uref=（1+
）Uad1（2.6.2）
6
所以，可以取R6=3.6KΩ,R5=10KΩ，此时Uref=2.73V。
之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求得的电压接至差分减法器的两端。
在减法器（放大器）作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。
在U2端接一电压表，即可读的温度值。
比如水的温度为12℃，则电压表的示数为1.2V。
完成了电压的读取，还需进行电压比较以达到报警的目的。
在1.5节中已经讨论了比较器的原理。
设计所要求的报警温度为50℃，即比较电压为5V。
所以应该在比较器比较端VCC3接5V的恒压源。
当输出电压U2<5V时，U3<0。
此时二极管截止。
当输出电压>5V时，U3>0。
此时二极管导通,LED发光。
报警过程完成。
在实际应用中，我们取VCC1=12V。
7
图2...6.1水温测量仪原理图
8
第3章仿真与制作
3.1EWB仿真软件简介
EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为ElectronicsWorkbench。
EWB是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。
EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。
SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。
EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路：
在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
3.2仿真电路的建立
我们用EWB建立电路模型，由于没有AD590，我们可以利用一个恒流源代替AD590提供电流，比拟温度的采样。
被减电压2.73V我用了一个2.73V的电池来代替。
电路模型如图3.1.1，图3.1.2，图3.1.3所示：
9
图3.1.1
10
图3.1.2
图3.1.3
3.3仿真结果及其分析
设置好电路以后，我们开始仿真。
由于我们用了一个恒流源代替了AD590，即用电流源比作电压的获得。
1，取电流源电流值为223uA，即绝对温度223K，转换为摄氏度为-50℃。
电压表读值为-5.0V。
可见与理论值相同，此时温度比50度小。
比较器输出为负值。
二极管不导通。
图中二极管未发光。
2.取电流源电流值为323uA，即绝对温度323K，转换为摄氏度为50℃。
电压表读值为5.0V。
可见与理论值相同，此时温度与50度相同，电压U2=VCC3。
比较器输出为0，二极管不导通，图中二极管未发光。
3取电流源电流值为333uA，即绝对温度333K，转换为摄氏度为60℃.电压表为6V。
与理论相同，由于温度比50度大，电压U2>VCC3.比较器输出正值，由于理想运放的缘故。
图中电压表读出值为11.977V是一个不确定正值。
二极管在U3的作用下导通，发光.
由此可见理论值与实际值符合得很好。
温度能够测得。
第4章结束语
仿真与实物还是有点儿差距的，误差来自几个方面，一个是元器件本身的问题，一个是制作过程中的失误，我会接受这次的教训，下次一定做得更好。
12
第五章附录
参考文献：
[1]．何希才．传感器及其应用电路．电子工业出版社．2001-03-01．
[2]．丁镇生．传感器及传感技术应用．电子工业出版社．1998-08-01．
[3]．王家桢．王俊杰．传感器与变送器．清华大学出版社．2004-01-05．
[4].童诗白．模拟电子技术基础．高等教育出版社．2006-5．
[5]．邱关源．电路（第五版）．高等教育出版社．2005-05．
[6]．纪宗南．电压比较器的应用-集成电路应用-．1990-05.
[7].吴光林.吴建辉.杨军.饶进.罗春一．种用于ADC电路的高速高精度比较器设计.2005-12-24．
[8]蔡明生.电子设计，高等教育出版社，2003
[9]蔡锦福边宇枢，运算放大器原理与应用，科学出版社，1995
[10]松井邦彦梁瑞林，传感器应用技巧141例，科学出版社，2001
13
各种元件列表：
电阻R
Ro
10KΩ
R1
10K
R2
10KΩ
R3
100KΩ
R4
100KΩ
R5
10KΩ
R6
3.6KΩ
R7
10KΩ
R8
10KΩ
R9
1KΩ
Ri
500KΩ
稳压二极管1W
D1
稳压值2V
开关二极管
1N4148
发光二极管LED
1N5819
集成运算放大器
CF741
电压表
数字电压显示
AD590
温度传感器
直流电压源
VCC1电压值
12V
VCC3电压值
5V
14
升级会员 