武汉理工模电课设 温度检测显示器.docx
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武汉理工模电课设温度检测显示器
课程设计任务书
学生姓名：
岳朋杰专业班级：
电信1204
指导教师：
曾刚工作单位：
信息工程学院
题目：
温度检测显示器
初始条件：
具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。
要求完成的主要任务：
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、检测区间为四段：
A.温度
B.温度
C.温度
D.温度
，要求对每段作出段位显示
2、测量误差
3、标准检测点为：
4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书
时间安排：
一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要1
1.概述2
2.电路设计3
2.1总体方案选择与系统结构3
2.2温度—电压转换部分4
2.2.1NTC热敏电阻温度特性4
2.2.2输出电压与温度的关系6
2.2.3元件参数的确定6
2.3监测点惠斯通电桥电路7
2.3.1各分压电阻的理论计算7
2.3.2各电阻阻值的确定9
2.4电压比较部分10
2.4.1运放电源负载的确定10
2.4.2自激振荡的解决方法10
2.5发光二级管显示10
2.5.1发光二极管简介10
2.5.2限流电阻的确定11
3.电路仿真及调试12
3.1电路原理图及仿真12
3.2实物焊接及调试过程15
3.3结果与数据处理18
心得体会20
参考文献21
本科生课程设计成绩测定表22
摘要
温度检测在我们生活中是到处都要用到的，各种自动温控装置都包含着温度检测这一知识，而且，温度检测控制也是很重要的，比如鱼池水温自动控制系统，浴室水温自动检测控制系统，等等一些生活中的小事都离不开温度的检测，我们天天用的电脑，在运转过程中也会产生很多热量，传递给自身的某些部件，若是温度过高，很可能会损坏相关器件，因此，检测温度将是一项很重要的工作。
在我们日常生活中，用到电子产品的地方简直多不胜数，每一件电子产品都涉及了很多的模拟电路知识，因此模拟电路知识也是很重要的。
本次的课程涉及便要通过所学的模拟电路知识运用NTC热敏电阻做一个简易的温度检测显示器。
1.概述
本实验要求设计一个可以检查温度区间的简单电路，我们便想到了用电压比较器比较电压信号输出来使发光二极管发光，从而来区分不同温度等级。
大体的设计思路就是这样。
这个电路比较简单。
运用惠斯通电桥原理，首先是几组电阻跟温敏电阻通过分压实现电位比较，把比较的两种电位输给运算放大器的两输入端子，再通过放大器放大信号输送给发光二级管。
放大器我们选择了LM324运算放大器，因为该型号市场上比较常见，在各大网站上，而且输出稳定，选用它是比较合适的。
在完成最后设计之前还得用Proteus软件。
在一切准备工作做好之后，便可按照流程一步步来完成此次设计，如图1-1是设计流程图。
图1-1设计流程图
2.电路设计
2.1总体方案选择与系统结构
方案一：
采用单总线数字温度传感器DS18B20测量温度，直接输出数字信号。
便于单片机处理及控制，节省硬件电路。
且该芯片的物理化学性很稳定，此元件线形性能好，在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度装置，它直接输出温度的数字信号到微控制器。
每只DS18B20具有一个独有的不可修改的64位序列号，根据序列号可访问不同的器件。
这样一条总线上可挂接多个DS18B20传感器，实现多点温度测量，轻松的组建传感网络。
方案二：
采用NTC热敏电阻与基准电阻构成惠斯通电桥。
NTC热敏电阻的测量范围一般为-10～+300℃。
利用热敏电阻制作的电子温度计的精度可以达到0.1℃，感温时间可少至10s以下。
它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。
显然基准电阻的价格比基准电压便宜多了，而且稳定性和精度更高。
尽管NTC热敏电阻是非线性元件会带来一定的系统误差，但实际上只要通过合适的基准电阻值设定，结果对系统影响并不大，满足符合题目要求。
综合考虑选择方案二作为本次电路设计解决方案。
根据题目要求，本电路主要由温度---电压转换部分、监测点可调基准电位部分、电压比较部分及LED四段显示部分组成，系统结构如图2-1-1所示。
图2-1-1系统结构图
2.2温度—电压转换部分
2.2.1NTC热敏电阻温度特性
图2-2-1电阻-温度特性
对上面的公式解释如下：
（1）Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值；
（2）R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值；
（3）B值是热敏电阻的重要参数；
（4）这里T1和T2指的是K度即开尔文温度，K度=273.15（绝对温度）+摄氏度；
比如NTC热敏电阻10K（型号：
MF52AT）5％精度B值：
39501％10Ｋ就是25度的温度。
当0度时T1=0+273.15，T2=25+273.15B=3950，
最后由此公式可利用excel制作一个表格方便查询（表2-1）：
表2-1温度-电阻对应表
T/℃
Rt/kΩ
T/℃
Rt/kΩ
T/℃
Rt/kΩ
-10
58.25
10
20.17
30
8.04
-9
55.03
11
19.21
31
7.70
-8
52.01
12
18.29
32
7.38
-7
49.18
13
17.43
33
7.07
-6
46.52
14
16.61
34
6.78
-5
44.03
15
15.84
35
6.51
-4
41.68
16
15.10
36
6.24
-3
39.48
17
14.41
37
5.99
-2
37.40
18
13.75
38
5.75
-1
35.46
19
13.13
39
5.52
0
33.62
20
12.54
40
5.30
1
31.89
21
11.97
41
5.09
2
30.27
22
11.44
42
4.89
3
28.73
23
10.94
43
4.70
4
27.29
24
10.46
44
4.52
5
25.92
25
10.00
45
4.35
6
24.64
26
9.57
46
4.18
7
23.43
27
9.16
47
4.02
8
22.28
28
8.76
48
3.87
9
21.20
29
8.39
49
3.73
2.2.2温度与输出电压的关系
电路如图2-2-2时，由热敏电阻的热敏特性:
图2-2-2
又由电阻分压：
两式联立即可得到输出电压与温度的关系式
2.2.3元件参数的确定
综上可得，为保证测量的精度，则串联的分压电阻阻值应尽可能与热敏电阻的阻值相近；为了防止热敏电阻自身发热带来的误差，又要尽可能地减小分压电阻。
又由于本次设计采用的是热敏电阻NTC-MF52AT10K5％，因此取串联的分压电阻Ro=47k。
如图3-2-3所示：
图2-2-3串联的分压电阻Ro
2.3监测点惠斯通电桥电路
2.3.1各分压电阻的理论计算Ww
显然中点电压的大小由分压电阻的比值决定。
如图3-3-1所示，由惠斯通电桥的平衡条件
图2-3-1惠斯通电桥图
因此
类似的，四组电桥平衡条件为：
其相应的电路如图2-3-2所示：
图2-3-2多组惠斯通电桥
因此，只要选取适当比值的分压电阻R1~R8就能满足要求。
而题目中要求的监测温度区间为0℃、19℃、29℃、39℃，查表可得其对应的热敏电阻阻值为33.62k、13.13k、8.39k、5.52k，对应电阻比值依次为：
1.69、3.76、5.48、7.83。
列成下表2-3-1如图：
表2-3-1分压电阻比值
T/℃
Rt/kΩ
分压电阻比值
0
33.62
1.69
19
13.13
3.76
29
8.39
5.48
39
5.52
7.83
2.3.2各电阻阻值的确定
综合考虑以上方法，确定实际电阻阻值如下表2-3-2所示：
表2-3-2对应实际电阻阻值表
T/℃
Rt/kΩ
分压电阻比值
分压电阻一/kΩ
分压电阻二/kΩ
调零电阻接入
0
33.62
1.69
2.2
1
301
19
13.13
3.76
4.7
1
250
29
8.39
5.48
6.8
1
250
39
5.52
7.83
10
1
250
最后电路如图2-3-3：
图2-3-3确定后的电路
2.4电压比较部分
2.4.1运放电源负载的确定
因LM324输出范围为0~Vcc-1.5V,考虑到发光二极管电压1.6~2.1V,，因此电源电压至少3.5V,取三节1.5V干电池作电源电压。
后级LED工作电流约1~5mA,而运放的带负载能力达到9mA,因此选用普通LED（红）串联一个电阻作为后级负载。
2.4.2自激振荡的解决方法
实际测量中发现，当温度在临界温度变化缓慢时，运算放大器的两个输入端电压近似相等，此时从热敏电阻探头串入的噪声会引起运放产生自激振荡。
为了抑制电路中串入的噪声，我们在运放的反向输入端（即热敏电阻电压输出端）并联一个47uF的电容。
并联电容后再次测试，发现自激振荡明显减弱甚至消失，故采用电容滤波的方案。
2.5发光二级管显示
2.5.1发光二极管简介
发光二极管是一种特殊的二极管。
和普通的二极管一样，发光二极管由半导体芯片组成，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。
与其它二极管一样，发光二极管中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（负极），而相反方向则不能。
两种不同的载流子：
电洞和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。
当电洞和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量（光子也即是我们常称呼的光）。
它所发出的光的波长（决定颜色），是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。
由于硅和锗是间接带隙材料，在这些材料在常温下电子与电洞的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，而是把能量转化为热能，所以硅和锗二极管不能发光。
但在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显。
发光二极管所用的材料都是直接带隙型的，因此能量会以光子形式释放，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。
发展初期，采用砷化镓（GaAs）的发光二极管只能发出红外线或红光。
随着材料科学的进步，各种颜色的发光二极管，现今皆可制造。
2.5.2限流电阻的确定
由于电源电压Vcc为4.5V，发光二极管的功率为：
其中R’为限流电阻，
为发光二极管正向偏压，此时流过发光二极管的电流为：
一般为2~10mA,
在1.63~2.03V内，代入后取R’近似值470Ω。
3.电路仿真及调试
3.1电路原理图及仿真
电路原理图如图4-1-1所示：
图3-1-1
因PROTUES无法设置NTC电阻的温度，故可用等效的电阻替代，重复多次即可。
T=-1℃时与T=0℃时的比较，可见符合题目
℃的要求：
图3-1-2T=-1℃时图3-1-3T=0℃时
T=19℃时与T=20℃时的比较，可见符合题目
℃的要求：
图3-1-4T=19℃时图3-1-5T=20℃时
T=29℃时
图3-1-6T=29℃时
T=39℃时
图3-1-7T=39℃时
3.2实物焊接及调试过程
按照图3-1电路原理图焊接后的实物图如图3-2-1、图3-2-2所示：
图3-2-1实物图一
图3-2-2实物图二
调试过程：
（1）简单测试：
接通电源进行测试，在寝室较冷的条件下只有第一个发光二级管发光，说明实验室温度在0℃-19℃之间，然后用手捏住温敏电阻和单片机测温传感器，温度上升19℃~20℃时可以看到第二个发光二级管发光。
效果如图。
（2）临界温度测试：
19℃可以用手捏住DS18B20和温敏电阻，发现当温度上升到19℃时，只有一个灯亮，而当温度越过20.4℃时，第二个灯亮起。
同样，用烙铁间接同时加热两个传感器，当单片机温度显示为29℃时，只有两个灯是亮的，当温度越过30℃时第三个灯点亮。
继续用烙铁加热，当温度越过40℃时第四个灯亮起。
现场拍摄图片：
图3-2-3
图3-2-4
图3-2-5
图3-2-6
图3-2-7
3.3结果与数据处理
简单测试结果：
用手捏住温敏电阻，可以看到第二个发光二级管发光，紧接着第三个发光二极管也发光了，这表明用手捏住温敏电阻后它的温度在上升，如图所示。
这表明热敏电阻及电路工作正常。
心得体会
我学到了许多东西。
首先，这次设计让我把书本上学到的理论知识转化成为现实生活中有价值的实物。
如果没有这次设计为我们搭建的平台，我们就不能对书本上的知识进行很好的理解，也不能熟练的把它们应用到现实生活中。
同时，这次设计加强了我们独立思考的能力。
一个好的设计需要通过我们不断的思维，不断的改善。
经过设计之后，我们不像以前那样，遇到问题都不愿意独立思考，只会一味的向别人求助。
现在，我们会通过自己的思考，解决我们自己遇到的问题和困难。
还有，我们学会不能手高眼低，要踏踏实实，从基础学起、做起。
一开始我们通过讨论，初步有了设计的方案，觉得用单片机做比较简单的。
于是通过学习单片机知识做出了满足要求并且可以显示温度的实物，当这个设计并没有用到我们所学的模拟电子技术基础的知识。
为了对我们学习的知识有
复习并且实践的原因，我们重新设计电路，运用模拟电子技术完成了此次设计。
虽然花了大量的时间在此次课程设计上，但我相信，学到的知识和所用的时间是成正比的。
参考文献
[1]吴友宇《模拟电子技术基础》北京清华大学出版社,2000
[2]杨素行《模拟电子技术基础简明教程》北京高等教育出版社,2004
[3]臧春华《电子线路设计与应用》北京高等教育出版社,2004
[4]康华光《电子技术基础（第四版》）北京高等教育出版社,2002
[5]童诗白《模拟电子技术基础》.北京高等教育出版社,2001
本科生课程设计成绩测定表
姓名
岳朋杰
性别
男
专业、班级
电信1204班
课程设计题目：
模拟电子技术课程设4温度检测显示器
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 