水温测量仪原理图设计.docx
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水温测量仪原理图设计
课程设计任务书
水温测量仪的设计
（一）设计目的
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，学会在实际电路中运用；
2、进一步熟悉集成运放的线性和非线性运用；
3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法。
（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）测量温度：
室温—50℃；
（2）被测温度达到50℃时，指示灯亮（或蜂鸣器工作）；
（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，并用Protel99画出印制板图；
（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）在万能板或面包板上安装好电路并调试；
（5）拟定测试方案和设计步骤；
（6）撰写设计报告，测试总结及使用说明书。
（三）设计提示
1．基本原理：
2．温度传感器：
建议采用AD590集成温度传感器进行温度～电流转换。
它是一种电流型二端器件，其内部已作修正，具有良好的互换性和线性。
有消除电源波动的特性。
输出阻抗达10MΩ，转换当量为
。
器件采用B－1型金属壳封装。
温度—电压变换电路如图1所示。
由图可得：
如R=10KΩ，则
。
图1温度—电压转换电路图2K—℃变换电路
3、K—℃变换器：
因为AD590的温控电流值是对应绝对温度K，而在设计中需要采用℃，由运放组成的加法器可以实现这一转换，参考电路如图2所示。
元件参数的确定和－UR选取的指导思想是：
0℃（即273K）时，
。
4、放大器：
设计一个反相比例放大器，使其输出u03满足100mV/℃。
用数字电压表可实现温度显示。
5、比较器：
由电压比较器组成，如图3所示。
UREF为报警时温度设定电压，Rf2用于改善比较器的迟滞特性，决定了系统的精度。
图3比较器图4驱动电路
6、调试要点和注意事项：
用温度计测传感器处的温度T（℃）如T=27℃（300K）。
若取R=10KΩ，则
，调整UR的值使
，若放大器的放大倍数为－10倍，则放大器的输出u03应为2.7V。
测比较器的比较电压UREF值，使其等于所设定的温度乘以0.1V，如设定温度为50℃，则值为5V。
比较器的输出可接LED指示或蜂鸣器。
把温度传感器加热（可以电吹风吹）在温度小于设定值前LED应处于熄灭状态，反之，为点亮。
7、实验用仪器设备
（1）数字电压表
（2）面包板或万能板
（3）智能电工实验台
8、设计用主要器件
AD590集成温度传感器一只、741四块、蜂鸣器/LED各一个、电阻电容若干、晶体管一只（驱动电路）、电阻若干
（四）设计报告要求
1、选定设计方案；
2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；
3、整理测试数据
（五）设计总结
1、在测试中发现什么故障？
如何排除？
2、心得体会。
摘要
本设计介绍了水温测量仪的工作原理，它是一种简易水温测量电路，主要是采用一些简单的电子元件即可它是采用由直流稳压电源，温度—电压转换电路，K—℃电路，驱动报警电路，放大电路和比较电路五个核心部分组成。
直流稳压电源电路由通用电学实验台提供稳压电压；温度—电压转换电路由集成AD590模拟温度传感器进行温度—电流转换；K—℃转换器由uA741运放组成的减法器来实现这一功能；放大器同样由uA741运放组成的反相比例放大器；比较器由uA741实现电压比较；驱动报警电路则由晶体管和发光二极管构成，水温测试仪能测量水温并实现超温报警。
第一章绪论…………………………………………………1
第二章系统设计方案论证及分析…………………………1
2.1设计目的…………………………………………………1
2.2设计任务…………………………………………………2
2.3设计要求…………………………………………………2
2.4电路原理分析……………………………………………3
2.5设计方案…………………………………………………4
2.6水温测量仪各部分的参数设计……………………………6
2.6.1集成温度传感器AD590……………………………………6
2.6.2K—℃变换………………………………………………7
2.6.3电压的放大………………………………………………8
2.6.4比较器…………………………………………………9
2.6.5报警设备………………………………………………11
2.7水温测量仪工作过程……………………………………12
第三章水温测量仪的仿真与制作…………………………14
3.1仿真电路的建立与测试…………………………………14
3.2水温测量仪的制作………………………………………18
3.3调试与误差分析…………………………………………18
第四章结束语………………………………………………19
第五章参考文献……………………………………………19
第六章附录………………………………………………20
第1章绪论
电子技术是当今科技发展的热点，各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。
电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，课程地显著特点之一是它的实践性。
要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中的重要环节。
本课程设计就是针对模拟电子技术这门课程的要求所做的，同时也将学到的理论与实践紧密结合。
本设计是设计的水温测量仪的，它是一种简易水温测量电路，主要是采用一些简单的电子元件即可，它是采用由直流稳压电源，温度—电压转换电路，K—℃电路，驱动报警电路，放大电路和比较电路五个核心部分组成。
通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。
我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养了我们团队合作的能力，在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，制作电路板，安装调试方面都体会到了团队的力量。
本次课程设计的课题是水温测量仪，本课程设计将就水温测量电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路调试等做详细的介绍和说明。
第2章系统设计方案论证及分析
2.1、设计目的
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。
3、通过水温测试仪的设计、安装和调试，要求学会：
（1）选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源，以及使用741集成芯片，电解电容，瓷片电容，发光二极管构成的温度测量报警电路；
（2）掌握水温测量及报警电路的调试及主要技术指标的测试方法。
（3）通过电路的设计可以加深对该课程知识的理解以及对知识的综合运用。
2.2、设计任务
设计一水温测量仪，满足：
（1）测温范围：
室温～50℃；
（2）被测温度达到50℃时，指示灯亮（或蜂鸣器工作）；
（3）由数字电压表实现温度显示，可直接读出温度值。
2.3、设计要求
直流稳压电源的基本要求：
（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，并用Protel画出印制板图；
（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）在万能板或面包板上安装好电路并调试；
（5）拟定测试方案和设计步骤；
（6）撰写设计报告、调试总结及使用说明书。
（7）水温测量仪：
通过AD590集成模拟温度传感器进行温度—电流转化，再通过放大电路放大后能通过电压表或者万用表读出温度的读数，而当超过50℃时，由比较器输出驱动报警器工作。
（8）画出总体设计框图，以说明水温测量仪有哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间的联系、变化，并以文字对原理作辅助说明。
设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。
选择合适的元器件，接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。
在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和布线，进行合理布局，进行水温测量仪整个电路的调试。
2.4、电路原理分析
1．水温测量仪的基本原理
水温测量仪一般由温度传感电路，K—℃变换电路，放大器电路，比较器电路，驱动电路及报警器所组成，基本框图如下。
2．各部分的作用：
（1）温度—电压转换电路的作用是为了对温度进行测量、控制并显示，首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。
此处利用AD590集成模拟温度传感器对被测对象进行水温测量并进行温度—电流变换，将温度变化转换成相应的电信号。
（2）转换电路：
转换电路的作用是进行K—℃转换，因为AD590是集成模拟温度传感器，输出电流对应绝对温度K，而在技术指标中要求能够由数字电压表实现温度显示，并可直接读出温度值。
本设计采用由uA741运放组成的加法器来实现这一功能。
（3）放大电路：
放大电路的作用是将电压进行10倍放大，方面进行电压显示。
例如当温度—电压转换电路输出的电压
时通过放大电路放大后使得其输出电压u03=100mV/℃。
（4）比较电路：
用的是迟滞比较电路，这样更稳定。
使比较器输出高电平和低电平来控制驱动报警电路。
2.5．设计方案
根据水温测量仪的基本原理以及各部分的功能，设计方案如下：
（1）直流稳压电源由通用电学实验台提供；利用AD590集成模拟温度传感器实现温度—电流变换；并在电压输出端接一电压跟随器增大输入阻抗。
（2）利用一个差分减法器实现K—℃转换，所需电压Uref=2.73V，该电压由一个运算放大器和一个稳压管组成的电路提供。
（3）利用差分放大器进行K—℃转换的同时对电压进行放大。
（4）在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系实现报警功能，所需电压Uref=5V，该电压由通用电学实验台提供。
（5）报警设备用一个发光二极管来充当。
设计出的电路图如图2.5.1所示：
图2.5.1水温测量仪原理图
2.6.水温测量仪各部分的参数设计
2.6.1集成温度传感器AD590
图2.6.1集成温度传感器AD590
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：
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
表2.6.1AD590参数表
AD590输出阻抗达10MΩ，转换当量为1μA/K。
温度—电压转换电路如图2.6.2所示：
图2.6.2温度—电压转换电路
温度—电压转换分析：
如图2.6.2所示，当将AD590置于水中时，根据水温多少将提供恒流，方向如图所示。
由于在Uo输出端接一电压跟随器从而增大输入阻抗，电流几乎全部流经电阻Ro。
由AD590转换当量可知：
U1=Uo=1μA/K×R=R×10-6/K（2.6.1）
在实际应用中可取R=10KΩ，则:
U1=10mV/K（2.6.2）
这样可以实现温度—电压的转换，取的所需电压。
2.6.2K—℃变换
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（2.6.3）
由式（2.6.2）与式（2.6.3）可知要实现K—℃变换，必有：
Uo=10mV/K―2.73V（2.6.4）
该变换可用一个差分式减法器实现，如图2.6.3所示：
图2.6.3差分式减法器
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：
=
（2.6.5）
及
=
（2.6.6）
解式（2.6.5）与式（2.6.6）得：
U2=（
）（
）U1—
Uref（2.6.7）（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：
U2=EQ\f（R4,R2）（U1-Uref）（2.6.8）
2.6.3电压的放大
由式2.6.8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）（2.6.9）
由上式可知温度与电压之间的关系：
U=0.1V/℃（2.6.10）
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。
2.6.4比较器
电压比较器是集成运放非线性应用电路,常用于各种电子设备中.它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。
图2.6.4（a）所示为一最简单的电压比较器，UR为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压ui加在反相的输入端。
（a）
（b）
图2.6.4电压比较器原理原理图
图2.6.4（b）所示为其传输特性。
当Ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。
输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即Uo＝UZ。
当ui＞UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即Uo＝－UD。
因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。
以上介绍的是最简单的电压比较器原理。
比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。
图2.6.5由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压Va经分压器R2、R3分压后接在同相端，Vb通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与Va、Vb及4个电阻的关系式为：
Vout=（1+
）（
）Va-
Vb（2.6.11）
若R1=R2，R3=RF，则:
Vout=
（Va-Vb），（2.6.12）
RF/R1为放大器的增益。
当R1=R2=0（相当于R1、R2短路），R3=RF=∞（相当于R3、RF开路）时，Vout=∞。
增益成为无穷大，其电路图就形成图2.6.6的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。
实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。
因此为了实现报警功能，可在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系起到报警作用。
图2.6.5图2.6.6
在本实例中采用图2.6.7比较器。
其中电阻参数取：
R7=R8=10KΩ，R9=1KΩ，在图2.6.7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。
图2.6.7水温测量仪电压比较器电路
2.6.5报警设备
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，它是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写。
发光二极管发热量小，耗电少。
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。
2.7.水温测量仪工作过程
将上述器件加以组合得到图2.7.1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2.7.1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：
Uref=（1+
）Uad1（2.7.1）
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。
在前面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。
图2.6.1水温测量仪原理图
图3.6.1水温测量仪原理图
图2.6.1水温测量仪原理图
图2.7.1水温测量仪原理图
第三章水温测量仪的仿真与制作
3.1.仿真电路的建立与测试
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。
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322uA，即绝对温度322K，转换为摄氏度为49℃。
电压表读值为4.9V。
可见与理论值相同，此时温度比50摄氏度小。
比较器输出为负值。
二极管不导通。
图中二极管未发光（双箭头所示）。
2，取电流源电流值为323uA，即绝对温度323K，转换为摄氏度为50℃.电压表为5V。
与理论相同，由于温度等于50摄氏度，电压U2=VCC3.比较器输出为零，二极管不导通，图中二极管不发光（双箭头所示）。
3，取电流源电流值为323.1uA，即绝对温度323.1K，转换为摄氏度为50.1℃。
电压表读数值为5.01V。
与理论值相同，此时温度比50摄氏度大。
比较器输出为正值。
二极管导通，图中二极管发光（双箭头所示）。
由此可见理论值与实际值符合得很好。
温度能够测得。
电路模型如图3.1.1，图3.1.2，图3.1.3所示
图3.1.1水温测量仪EWB仿真1
图3.1.2水温测量仪EWB仿真2
图3.1.3水温测量仪EWB仿真3
3.2.水温测量仪的制作
根据原理图在面包板上连接电路。
在电路板上根据电气要求进行合理的整体布局．最大限度的减少交叉线和飞线，降低干扰．自己要形成一个大致的整体布局和接线方法，而且要尽量美观．
在电路焊好以后，检查是否有错误，确定无错误以后，接通电源，电路能正常工作。
3.3.调试与误差分析
1）、调试
1、在温度30摄氏度下进行，电压表读数为3V，此时报警电路发光二极管不亮；
2、把AD590和温度计同时放在点吹风机下，使得温度慢慢升高，当温度计读数为50摄氏度时，电压表读数为5V，此时报警电路发光二极管仍然不亮；
3、继续对AD590和温度计进行加热，当温度计读数大于50摄氏度时，电压表读数也大于5V，此时报警电路发光二极管发光；随着温度的升高，电压表读数继续增大，发光二极管一直发光。
调试结束。
2）、误差分析
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
a、元件本身存在误差；
b、焊接时，焊接点存在微小电阻；
c、万用表本身的准确度而造成的系统误差。
d、读数误差
第四章结束语
本人经过长时间的努力，终于完成了水温测量仪的课程设计。
此次课题设计让我懂得了很多之前不知道的模电数电知识，感觉相当有意义！
在设计水温测量仪的时候，我分析各种器件，进而专个研究，逐个击破。
然后把器件组合成完整的电路。
在讨论电压比较器时，我明白了运放组成比较器的基本原理。
我不仅把设计当作任务，也当作一种兴趣。
对于所有的课题都有向往之情。
然而课程设计的书写格式让我很无语，花费了很多时间，改了又改，感觉基本符合要求了。
我要感谢老师，是他们给我注入了知识，给了我一些课题上的建议，指出设计中的不妥之处，感触良多。
课程设计让我感受书本与现实的距离又进了一点。
很期待未来的挑战，想要感受更多的科技力量。
设计时我用的运放都是理想的，所以实际测量值可能有些偏差，我们可以适当调节电阻大小来平衡误差。
在试验的调试上还要做很多努力。
第五章参考文献
参考文献
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[2].邱关源．电路（第五版）．高等教育出版社．2006-05．
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[5].蔡明生.电子设计，高等教育出版社，2003.
[6].梁延贵，王裕琛。
集成运算放大器电压比较器（分册）。
北京：
科学技术文献出版社，2006.
[7].郭培源。
电子电路及电子元件[M]。
北京：
高等教育出版社，2000.
第六章附录
各种元件列表：
表6.1
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
发光二极管LED
1N5819
集成运算放大器
uA741
4个
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
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