《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計說明書溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計仿真與實現(xiàn)

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 電信0906 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計仿真與實現(xiàn) 初始條件： 可選元件：熱敏電阻，集成運算放大器，電容、電阻、電位器，二極管，led等；或自選元器件。直流電源12v，或自選電源?？捎脙x器：示波器，萬用表，毫伏表等。要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計任務(wù)根據(jù)要求，完成對溫度監(jiān)測系統(tǒng)仿真設(shè)計、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計要求 利用學(xué)過的集成運算放大器構(gòu)成的比較器、振蕩電路等應(yīng)用電路進行設(shè)計；當(dāng)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)時報警電路不工作；當(dāng)溫度低于下限值或高于上限值時，聲光報警；上、下限報警led用

2、不同顏色。 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（用proteus畫電路原理圖并實現(xiàn)仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設(shè)計報告書。時間安排：1、 2011 年1月3日 至2011年1月7日，完成仿真設(shè)計、制作與調(diào)試；撰寫課程設(shè)計報告。 2、 2011 年1月8日提交課程設(shè)計報告，進行課程設(shè)計驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄1.電路設(shè)計及原理分析3 1.1設(shè)計任務(wù)31.2技術(shù)指標(biāo)31.3電路原理圖31.4基本原理32.電路模擬與仿真52.1仿真軟件52.2創(chuàng)建電路模擬圖72

3、.3元件列表82.4仿真記錄與結(jié)果分析83.實際電路的安裝調(diào)試133.1 元件參數(shù)確定133.2 電路板布線設(shè)計133.3 焊接133.4調(diào)試與測量133.5分析結(jié)果及改進144.總結(jié)155.心得體會156.參考文獻(xiàn)171.電路設(shè)計及原理分析 1.1設(shè)計任務(wù) 通過proteus軟件仿真精密雙限溫度報警儀設(shè)計，在老師點撥我們自學(xué)的基礎(chǔ)上了解了運放的作用，用了比較器，震蕩電路等知識，根據(jù)找到的電路圖進行仿真，調(diào)試電路，明白了溫度報警的意義。 1.2技術(shù)指標(biāo)a.當(dāng)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)時報警電路不工作；b.當(dāng)溫度低于下限值或高于上限值時，聲光報警；c.上下限低于報警led用不同顏色；d.上下限可調(diào)；e.控

4、溫精度度 1f.監(jiān)測范圍 0.5 1.3電路原理圖圖1-1 電路原理圖1.4基本原理 本課設(shè)選用熱敏電阻作為溫度感應(yīng)元件。熱敏電阻的基本特性是溫度特性。由于熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的，其中的載流子數(shù)目是隨溫度的升高按指數(shù)規(guī)律迅速增加的。載流子數(shù)目越多，導(dǎo)電能力越強，其電阻率也就越小，因此熱敏電阻的電阻值隨著溫度的升高將按指數(shù)規(guī)律迅速減小。這和金屬中自由電子的導(dǎo)電機制恰好相反，金屬中的電阻值是隨著溫度的上升而緩慢增大的。熱敏電阻有正溫度系數(shù)，臨界溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)之分，本實驗所用的為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,在較小的溫度范圍內(nèi)，其電阻-溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，可表示為rt=e式中，rt為溫度

5、為t時的電阻值，與為與半導(dǎo)體性能有關(guān)的常數(shù)，t為熱敏電阻的熱力學(xué)溫度。 本課設(shè)用的比較器器件是lm324，這是一個帶有四個運算放大器的芯片，其管腳如圖所示。我們選擇第一組和第二組進行高低溫比較。圖1-2 lm324示意圖集成運算放大器a1、a2構(gòu)成單門限比較器， a4構(gòu)成振蕩電路。電路中的熱敏電阻rt與rv3串聯(lián)，分壓值為va，分別加在運放a1、a2同相端與反相端上，與上、下限設(shè)置溫度rv1、rv2的分壓比較，當(dāng)va介于上限、下限電壓值之間時，a1、a2均輸出高電平，d2、d3反偏截止均不亮；當(dāng)va大于rv1的分壓時，a2輸出低電平，d3發(fā)光 。當(dāng)va大于rv2的分壓時，a1輸出低電平，d2發(fā)

6、光 。任何一個發(fā)光二極管導(dǎo)通時a4所在電路即產(chǎn)生振蕩，驅(qū)動喇叭發(fā)出報警聲。調(diào)整c3、r8可改變振蕩頻率。 調(diào)節(jié)rv1和rv2可分別調(diào)整報警的上限和下限。當(dāng)電位器上端阻值減小時，報警點下降。當(dāng)上端阻值增大時，相應(yīng)的報警點升高。調(diào)節(jié)rv3可以調(diào)整比較電壓的大小，從而能根據(jù)熱敏電阻的溫度特性與環(huán)境變化帶來的需求變化進行調(diào)整。其他各電阻起分壓作用，以便各電位合適。該電路可以監(jiān)測在一定溫度下的環(huán)境，當(dāng)高于上限或低于下限時會亮燈并報警，可以很好用于很多溫度監(jiān)測領(lǐng)域。 2.電路模擬與仿真2.1仿真軟件 2.1.1 proteus簡介 proteus軟件是英國labcenter electronics公司出版

7、的eda工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。proteus是世界上著名的eda工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、pcb設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持8051、hc11、pic10/12/16/18/24/30/d

8、spic33、avr、arm、8086和msp430等，2010年即將增加cortex和dsp系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持iar、keil和mplab等多種編譯器。proteus與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機cpu的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。2.1.2 proteus中eda工具軟件 pr

9、oteus軟件具有其它eda工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是： （1）原理布圖 （2）pcb自動或人工布線 （3）spice電路仿真 2.1.3 proteus革命性的特點: （1）互動的電路仿真 用戶甚至可以實時采用諸如ram，rom，鍵盤，馬達(dá)，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。 （2）仿真處理器及其外圍電路 可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，proteus建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。2.1.4

10、 proteus 四大功能模塊（1）智能原理圖設(shè)計（isis） 豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件； 智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件； 智能化的連線功能：自動連線功能使連接導(dǎo)線簡單快捷，大大縮短繪圖時間； 支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計簡明清晰； 可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個性化設(shè)置，可以生成印刷質(zhì)量的bmp圖紙，可以方便地供word、powerpoint等多種文檔使用。 （2）完善的電路仿真功能（prospice） prospice混合仿真：基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)spice3f5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真； 超過27000個仿真器件：可以通過

11、內(nèi)部原型或使用廠家的spice文件自行設(shè)計仿真器件，labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導(dǎo)入第三方發(fā)布的仿真器件； 多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號、單頻fm、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入； 豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、spi調(diào)試器、i2c調(diào)試器等； 生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導(dǎo)線以不同顏色表示其對地電壓大小，結(jié)合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更

12、加直觀、生動； 高級圖形仿真功能（asf）：基于圖標(biāo)的分析可以精確分析電路的多項指標(biāo)，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進行一致性分析； （3）獨特的單片機協(xié)同仿真功能（vsm） 支持主流的cpu類型：如arm7、8051/52、avr、pic10/12、pic16、pic18、pic24、dspic33、hc11、basicstamp、8086、msp430等，cpu類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持cortex、dsp處理器； 支持通用外設(shè)模型：如字符lcd模塊、圖形lcd模塊、led點陣、led七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電

13、機、rs232虛擬終端、電子溫度計等等，其compim（com口物理接口模型）還可以使仿真電路通過pc機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信； 實時仿真：支持uart/usart/eusarts仿真、中斷仿真、spi/i2c仿真、mssp仿真、psp仿真、rtc仿真、adc仿真、ccp/eccp仿真； 編譯及調(diào)試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內(nèi)帶8051、avr、pic的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如iar、keil和hitech）結(jié)合，進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試； （4）實用的pcb設(shè)計平臺 原理圖到pcb的快速通道： 原理圖設(shè)計完成后，一鍵便可進入ares的p

14、cb設(shè)計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計;先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網(wǎng)格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使pcb設(shè)計更為合理； 完整的pcb設(shè)計功能：最多可設(shè)計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設(shè)置，自動設(shè)計規(guī)則檢查，3d 可視化預(yù)覽； 多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件。2.2創(chuàng)建電路模擬圖 在proteus中創(chuàng)建如下電路圖2-1所示：（熱敏電阻用電位器代替以便仿真）。圖2-1 實驗電路圖2.3元件列表元器件列表 元件名稱數(shù)量備注1n4148(二極管)2led-green(綠發(fā)光二極管)1led-red(紅發(fā)

15、光二極管)1lm324(運算放大器)4pot-hg(可調(diào)電阻)32k兩個,5k兩個res(電阻)13cap(電容)40.01uf兩個,0.1uf一個, 4.7uf一個ntsd0wf104(熱敏電阻)1speaker（喇叭） 1battery(直流電源)1 2.4仿真記錄與結(jié)果分析 2.4.1電路圖繪制 原理圖編輯窗口（the editing window）：顧名思義，它是用來繪制原理圖的。藍(lán)色方框內(nèi)為可編輯區(qū)，元件要放到它里面。注意，這個窗口是沒有滾動條的，可用預(yù)覽窗口來改變原理圖的可視范圍。預(yù)覽窗口（the overview window）：它可顯示兩個內(nèi)容，一個是：當(dāng)你在元件列表中選擇一個

16、元件時，它會顯示該元件的預(yù)覽圖；另一個是，當(dāng)你的鼠標(biāo)焦點落在原理圖編輯窗口時（即放置元件到原理圖編輯窗口后或在原理圖編輯窗口中點擊鼠標(biāo)后），它會顯示整張原理圖的縮略圖，并會顯示一個綠色的方框，綠色的方框里面的內(nèi)容就是當(dāng)前原理圖窗口中顯示的內(nèi)容，因此，你可用鼠標(biāo)在它上面點擊來改變綠色的方框的位置，從而改變原理圖的可視范圍。1 模型選擇工具欄（mode selector toolbar）： 主要模型（main modes）： 1* 選擇元件（components）（默認(rèn)選擇的） 2* 放置連接點3* 放置標(biāo)簽（用總線時會用到） 4* 放置文本5* 用于繪制總線6* 用于放置子電路7* 用于即時編輯

17、元件參數(shù)（先單擊該圖標(biāo)再單擊要修改的元件） 配件（gadgets）： 1* 終端接口（terminals）：有vcc、地、輸出、輸入等接口2* 器件引腳：用于繪制各種引腳3* 仿真圖表（graph）：用于各種分析，如noise analysis 4* 錄音機5* 信號發(fā)生器（generators） 6* 電壓探針：使用仿真圖表時要用到7* 電流探針：使用仿真圖表時要用到8* 虛擬儀表：有示波器等2d圖形（2d graphics）： 1* 畫各種直線 2* 畫各種方框 3* 畫各種圓 4* 畫各種圓弧 5* 畫各種多邊形 6* 畫各種文本 7* 畫符號 8* 畫原點等4元件列表（the obje

18、ct selector）： 用于挑選元件（components）、終端接口（terminals）、信號發(fā)生器（generators）、仿真圖表（graph）等。舉例，當(dāng)你選擇“元件（components）”，單擊“p”按鈕會打開挑選元件對話框，選擇了一個元件后（單擊了“ok”后），該元件會在元件列表中顯示，以后要用到該元件時，只需在元件列表中選擇即可。5方向工具欄（orientation toolbar）： 旋轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)角度只能是90的整數(shù)倍。翻轉(zhuǎn)：完成水平翻轉(zhuǎn)和垂直翻轉(zhuǎn)。使用方法：先右鍵單擊元件，再點擊（左擊）相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圖標(biāo)。 6 仿真工具欄仿真控制按鈕 1* 運行2* 單步運行3* 暫停4*

19、 停止2.4.2 點擊軟件界面下方的三角形按鈕進行仿真。一開始時rv4處于中間位置（溫度正常），紅綠兩燈都不亮，喇叭沒有聲音發(fā)出，用示波器觀察喇叭處，無波形顯示（直線）。調(diào)節(jié)rv4至上端某位置（溫度下降），綠燈亮，紅燈不亮，喇叭發(fā)出聲音，用示波器觀察可得如圖2-3所示波形。圖2-2 綠燈亮?xí)r電路圖圖2-3 綠燈亮?xí)r喇叭處波形調(diào)節(jié)rv4至下端某位置（溫度上升），紅燈亮，綠燈不亮，喇叭發(fā)出聲音，用示波器觀察可得如圖2-5所示波形。圖2-4 紅燈亮?xí)r電路圖圖2-5 紅燈亮?xí)r喇叭處波形3.實際電路的安裝調(diào)試3.1 元件參數(shù)確定 由于對proteus系統(tǒng)仿真軟件不熟悉，電路基本設(shè)計出來后，在計算機上實現(xiàn)

20、仿真花費了大量時間。對元器件的取值應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計的電路及實際情況來確定，以減少在硬件操作時的麻煩。 3.2 電路板布線設(shè)計焊接前對萬用電路板進行了電路設(shè)計，以整潔美觀為原則。對布線，元件的放置都標(biāo)明明確位置。3.3 焊接嚴(yán)格按照原理圖所示連接電路圖，lm324的4腳接電源正極，11腳接地（電源負(fù)極）。焊接時應(yīng)注意以下幾個方面：(一)發(fā)光二極管的極性不能搞混，腳長的一端為正極，另一端為負(fù)極?；蚴褂萌f用表測量。(二)lm324不能直耳機接口的極性已標(biāo)出，注意不能反接。(三)接焊接在電路板上，那樣的話既不容易調(diào)試，還容易燒壞片子，應(yīng)焊接8腳的集成電路管座，在焊接完成后將lm324插于管座上。3.4調(diào)

21、試與測量 開始接通電源電路，對各個電位器的阻值進行調(diào)整使電路正常運行。同時將耳機接入耳機接口聽聲音。由于沒有一個可大幅度精確調(diào)溫的環(huán)境，所以我把熱敏電阻改為了可調(diào)電阻，通過手動調(diào)節(jié)可變電阻的阻值，來模擬溫度的變化。接通電源，首先對高溫報警進行測試，然后調(diào)節(jié)可變電阻rv3使其阻值變小，對應(yīng)于真實溫度的升高，這事紅燈亮，耳機發(fā)出連續(xù)的“嘟”音，報警成功。然后對低溫報警進行相同的測試，成功。若要進行相差較大的溫度上下限報警，只需調(diào)節(jié)rv1和rv2兩電位器即可。測試成功。測led的兩端電壓： 當(dāng)綠燈亮?xí)r通過led-red的電壓為-4.091v,，led-green電壓為2.298v，輸出電壓為3.17

22、v。聽到喇叭發(fā)出滴滴的響聲。 當(dāng)紅燈亮?xí)r通過led-red的電壓為2.298v， led-green電壓為-4.091v，輸出電壓為3.16v。聽到喇叭發(fā)出滴滴的響聲。 圖3-1綠燈亮 圖3-2紅燈亮當(dāng)亮燈均不亮?xí)r，led-red的電壓為-0.761v,，led-green電壓為-0.762v，兩燈均反向截至，無輸出值，后面的振蕩電路不工作，喇叭不響。圖3-3 亮燈均不亮3.5分析結(jié)果及改進 經(jīng)過proteus的仿真,當(dāng)溫度升高時(模擬是用可調(diào)電阻rv3阻值下調(diào)代替)，紅燈亮，喇叭發(fā)聲，說明高溫預(yù)警成功。當(dāng)溫度降低時（模擬是用可調(diào)電阻rv3阻值的上調(diào)代替），綠燈亮，喇叭發(fā)聲，說明低溫預(yù)警成功。

23、當(dāng)溫度始終（模擬是用可調(diào)電阻rv3阻值在中間位置處）亮燈均不亮，喇叭不發(fā)生，說明正常溫度時成功。 由于觀察示波器，喇叭的波形是接近方波，應(yīng)該是振蕩器的設(shè)計出現(xiàn)了偏差，使得波形失真，造成了這樣的結(jié)果。4.總結(jié) 由于買電路元件時無法買到與理論仿真是完全一樣的，我們用其他相近似的元件代替了，所以對真實電路焊接實驗時有一定影響，但理論上影響并不會很大。我可以改變反饋電阻等元件進行仿真。試了不同阻值電路的情況，有時紅，綠燈會同時亮；有時只能紅燈亮，這不滿足條件；有時只能亮綠燈，這也有問題，主要是電阻的不同導(dǎo)致的。所以正確調(diào)整4個變阻器的阻值到適當(dāng)?shù)奈恢檬钦{(diào)試是否成功的關(guān)鍵因素。當(dāng)仿真成功時我會用示波器觀

24、察波形，了解情況。另外該電路板布線不太規(guī)范工整，我們有部分導(dǎo)線從電路板的上方穿出，還有排線的布置比較混亂。這還有待改進。5.心得體會短短一周的電路課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的理論知識，鍛煉了自己的動手實踐能力,也培養(yǎng)了我在短時間內(nèi)完成任務(wù)的能力。在設(shè)計過程中，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。 通過這次電路設(shè)計，我加深了對電壓比較器的理解和知識，最開始接手這個題目的時候，有點茫然和不知所措，而這個設(shè)計需要的理論知識我們都已經(jīng)全部學(xué)習(xí)完，這讓我認(rèn)識到自己的理論和實際應(yīng)用的統(tǒng)一和對于器件在實際中的使用還有很大的不足，在做的過程中也提升了我的動手能力，實踐能力得到了一定的鍛煉，加深了對模擬電路設(shè)計方面的興趣。從開始的朦朧到后面得到的結(jié)果。 我制作前在網(wǎng)上找了一些電路圖以后，開始只是盲目的效仿，但是得出的結(jié)果都不理想，有的根本就得不出結(jié)果，后來慢慢