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25C时,所有电阻的阻值为400Q
温度每上升1C,Rt的阻值下降0.01Q
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0C时,数字电压表的指示为0.000V
2.温度为100C时,数字电压表的指示为1.000V
3.温度低于30C或高于40C时,点亮发光二极管报警
4.温度监测与报警误差<士2C
分析:
1.由已知条件知:
Rt与温度T的关系为:
Rt=400.25Q-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399.25Q与一个1Q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0C时,数字电压表的指示为0.000V,即Rt=400.25Q时,电压表示数为0.000V;温度为100C时,数字电压表的指示为1.000V,即Rt=399.25Q时,电压表示数为1.000V;
3.根据设计要求3:
温度低于30C或高于40C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<士2C,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
1传感器1厂;)信号放大
k
比较器
信号采集
1
电压表显示
报警
:
单元电路
1.传感器
分析得到:
热敏电阻的阻值:
Rt=400.25Q-0.01T;
用一只399.25Q与一个1Q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+-2C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
特征
qsttlnV/VHzIkHx
q0.002K在lkH巧G=100
q宽芾宽,^SOOkHzG二100
q亮皑鸞范国=sva^bv
qHIGHCMR:
>100dB
q増谥设盖外部电明
qS0-14i面弼装包装
应用
q专业ssaasa*器q动魁去镇濫畫他衣器
q差分接收篙
q桥衣倍馬器诫大器
放大器元件参数分析与计算:
要使0C时为0V,100C时为1.000V;而在25C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
0C时差模信号为:
-781uV;贝心
-781a/1000mV+b=0;
(1)
100C时差模信号为:
2.346mV;贝心
根据所需放大倍数,从而算得
Rg=18.8Q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
^7.SV1NA163UA:
U1
方案一:
lcl7107,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)。
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。
M311D
山B/STE
5.
5V|
:
D2:
:
1N4148
\A/\
OkQR9
R13
||
■*电*m
■S
X'"-[Tov
I.R12
2N3904
6•温度报警器全局电路图
图4报警部分
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仿真结果
KTMI
■3
5MD
V
14
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Re-S.8D
IJwoo.00D
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图5温度报警器全局电路图
I”.tl9t—.
5V
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J_.bLM311D
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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0C时,调节滑动变阻器使Rt=400.25Q
仿真:
结果为:
数字万用表示数697.593uV,led亮(温度低于30C,报警);
(2)温度为100C时,调节滑动变阻器使Rt=399.25Q
结果为:
数字万用表示数1.001V,led亮(温度高于40C,报警);
(3)温度为10C时,调节滑动变阻器使Rt=400.15Q
结果为:
数字万用表示数900.758mV,led亮(温度低于30C,报警);
(4)温度为25C时,调节滑动变阻器使Rt=400Q
结果为:
数字万用表示数750.607mV,led亮(温度低于30C,报警);
(5)温度为31C时,调节滑动变阻器使Rt=399.94Q
结果为:
数字万用表示数350.48mV,led不亮(温度在30到40C
之间,不报警);
(6)温度为35C时,调节滑动变阻器使Rt=399.9Q
结果为:
数字万用表示数300.493mV,led不亮(温度在30到40C
之间,不报警);
(7)温度为37C时,调节滑动变阻器使Rt=399.88Q
结果为:
数字万用表示数390.475mV,led不亮(温度在30到40C
之间,不报警);
(8)温度为41C时,调节滑动变阻器使Rt=399.84Q
结果为:
数字万用表示数420.474mV,led亮(温度咼于40C,报警);
温度为80C时,调节滑动变阻器使Rt=399.45Q
结果为:
数字万用表示数840.691mV,led亮(温度咼于40C,报警);
(10)温度为90C时,调节滑动变阻器使Rt=399.35Q
结果为:
数字万用表示数960.834mV,led亮(温度咼于40C,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0C时,数字电压表的指示为0.000V.(实际为697.593uV)2温度为100C时,数字电压表的指示为1.000V.(实际为1.001V)并且温度在0到100C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30C或高40C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<士2C(实际误差<士0.02C)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。