溫度測量及顯示課程設計

1、測控電路課程設計報 告題 目 溫度監(jiān)測報警及破門報警電路設計 指導教師 劉國忠、吳思進 系 別 儀器科學與光電工程 專 業(yè) 測控技術與儀器 學生姓名 楊夢雨 班級/學號 測控1201/2012010394 成 績 一、設計任務與要求61.1設計內容：61.2基本要求71.3我們組的任務：7二、溫度報警電路設計7（一）設計目的7（二）設計方案 7（三）設計技術指標8（四）芯片選擇8（五）系統(tǒng)設計95.1溫度電壓轉換電路設計95.2差動運算電路設計115.3比較電路12（六）實驗調試12（七） 實驗結果13（八）實驗調試中所遇到的問題13三 防盜報警電路設計14（一）設計目的14（二）設計思想14

2、（三）主要元器件選擇15（四）系統(tǒng)方案154.1觸碰開關報警電路框圖設計154.2定時電路154.3多諧振蕩電路（頻率模塊）18 （五）實驗調試20（六）實驗結果20（七）遇到問題及解決方法21個人總結22附錄一 AD59022附錄二 NE55523附錄三 LM32425附錄四 LM39325附錄五 觸碰開關防盜報警總圖27附錄六 溫度測量顯示報警總圖28附錄七 參考文獻29一、設計任務與要求1.1設計內容：室內環(huán)境參數測量及安防報警電路設計1.2基本要求 1、用電路實現，不用軟件；2、用數字表頭實現測量值的顯示；3、能夠設置環(huán)境參數測量值報警上下限，并實現聲、光報警；4、從1和2中各選一項完

3、成； 1.3我們組的任務：1、溫度報警電路設計；2、防盜報警電路設計。二、溫度報警電路設計（一）設計目的 通過設計了解如何運用電子技術來實現溫度測量和控制任務，完成溫度測量和控制電路的連接和調試，學會對電子電路的檢測和排除電路故障，進一步熟悉常用電子儀器的使用，提高分析電路設計、調試方面問題和解決問題的能力。1、掌握傳感器選擇的一般設計方法；2、掌握模擬IC器件的應用；3、掌握測量電路的設計方法；4、培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力。報警同相比較 差分放大電路（二）設計方案 I/V轉換電路Ad590溫度傳感器穩(wěn)壓電路0下對應電壓報警反相比較電路工作過程：AD590是電流型溫度傳感器，通過對

4、電流的測量可得到所需要的溫度值。Ad590輸出電流經10K電阻接地，可輸出電壓，采用穩(wěn)壓5V的穩(wěn)壓二極管，變位器，輸出電壓2.73V（ad590在0下對應電壓），兩個輸出電壓經由LM393構成的差分運算電路，計算參數，可得到輸出電壓.送到預先調試好的相關溫度控制比較電路進行比較，當溫度低于控制溫度下限值時，紅色發(fā)光二極管亮。當溫度高于控制溫度上限值時，綠色發(fā)光二極管亮。當溫度在設定溫度上下限之間時，紅色和綠色發(fā)光二極管全熄滅。因此從以上不同的狀態(tài)顯示就可以知道溫度情況及溫度控制情況。（三）設計技術指標具體技術指標如下: 1、設計、組裝、調試測控電路； 2、溫度控制范圍：4060；3、使用環(huán)境溫

5、度：常溫 ；4、輸出信號：二值輸出控制LED燈亮，蜂鳴器響；5、溫度范圍控制，報警指示功能；6、非線性誤差：±1；（四）芯片選擇我們采用溫度傳感器AD590AD590是利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在515V之間變化，其電流只是在1A以下作微小變化. 1、流過器件的電流(A) 等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度(開爾文) 度數。 2、 可測量范圍-55至150. 3、 供電電壓范圍+4V至+30V. AD590集成溫度傳感器進行溫度電流轉換

6、。它是一種電流型二端器件，其內部已作修正，具有良好的互換性和線性。有消除電源波動的特性。輸出阻抗達10M，轉換當量為。器件采用B1型金屬殼封裝。溫度電壓變換電路如圖2.2.2所示。由圖可得：由 （R一般取10K）所以。 圖2.1.1 AD590原件符號 圖2.1.2 溫度電壓轉換電路（五）系統(tǒng)設計5.1溫度電壓轉換電路設計測溫電路的設計在設計測溫電路時，首先應將電流轉換成電壓。由于AD590為電流輸出元件，它的溫度每升高1K，電流就增加1A。當AD590的電流通過一個10k的電阻時，這個電阻上的壓降為10mV，即轉換成10mVK，為了使此電阻精確（01），可用一個10k電阻。圖2.1.3所示是

7、一個電流電壓和絕對攝氏溫標的轉換電路。而圖2.1.4運放LM324的作用是把絕對溫標轉換成攝氏溫標，給圖2.1.4運放的同相輸入端輸入一個恒定的電壓（如1235V），然后將此電壓放大到273V。這樣，兩運放輸出端之間的電壓即為轉換成的攝氏溫標。 將AD590放入0的冰水混合溶液中，圖2.1.3運放同相輸入端的電壓應為273V，同樣使圖2.1.4運放的輸出電壓也為273V，因此兩運放兩輸出端之間的電壓：2732730V即對應于0v元件庫里找不到ad590，所以用一個恒流源與電阻串聯(lián)來實現模擬ad590 5.1.1溫度電壓轉換電路 5.1.2穩(wěn)壓電路5.2差動運算電路設計=2.73V=（273+T

8、）*RR=10K 圖2.2.1差動運算電路根據AD590特性可知，流過器件的電流和溫度的關系比為：實驗中輸出電流以絕對零度（-273）為基準，所以 =（273+T）*R在圖2.1.4中，變位器與穩(wěn)壓二極管構成分壓電路，調節(jié)電壓使 =2.73VLM324、構成運放差動輸入減法運算電路。所以輸出電壓為 T-被測攝氏溫度表示值所以可以根據電壓表的讀數，直接得出被測溫度值由于AD590的增益有誤差，電阻也有誤差，所以應對電路進行調整，使其在室溫下27輸出電壓值為3V。注意：每次改變被測溫度值，我們都要重新調節(jié)穩(wěn)壓電路，是器輸出電壓為2.73V，這樣就可以使電路達到校準調零的狀態(tài)，以便準確測量。5.3比

9、較電路 圖3.1.1反相比較器 當溫度高于控制溫度上限值時，發(fā)光二極管亮，蜂鳴器響。如圖為反向比較器，運放同相輸入端電壓由當的值小于同相輸入端下限門限電壓時，運放輸出為正，燈亮，蜂鳴器響。當的值介于上限電壓與下限電壓之間時，LM393上下均輸出為無效的負電壓，燈均不亮。電路開始溫度保持在40-60攝氏度之間。 圖3.1.2同相比較器 當溫度低于控制溫度下限值時，發(fā)光二極管亮，蜂鳴器響。如圖為同向比較電路，所設定門限檢測電平由進行調解，輸入電壓通過電阻接到運放的同相輸入端，當大于上限門限電平時，運放輸出端電壓為正，發(fā)光二極管亮，蜂鳴器響。（六）實驗調試由于條件限制，無法實現溫度的高低調節(jié)，所以我

10、們在室溫下，通過調節(jié)比較器的上下限電壓，來實現超限報警。室溫下測得電壓為2.7V，即室溫為27.調節(jié)上限調節(jié)下限（7） 實驗結果在室溫下溫度傳感器輸出電壓3V，超出溫度上限，蜂鳴器報警，紅燈亮；超出溫度下限，蜂鳴器報警，綠燈亮。 超出溫度下限 超出溫度溫度上限穩(wěn)壓電路溫傳電壓輸出下限報警上限報警差分運算電路（八）實驗調試中所遇到的問題 問題一、差動運算電路輸出電壓不正確 一開始電路電路連接好之后，發(fā)現經過差動運算電路輸出后的電壓為0V左右，或者輸出電壓與室溫下對應的電壓相差0.3-0.4V左右。即與室溫總是相差3-4左右。后經多次檢查電路。發(fā)現在一開始對AD590的理解錯誤，所以導致電路連接錯

11、誤，輸出電壓應該是在2腳引出，一開始我是在3腳引出。這是導致電壓輸出錯誤的一個原因。將與二腳連接的10K變位器與5K電阻，直接換成了10K電阻。做過這幾次更改后，溫度傳感器輸出電壓正確。將穩(wěn)壓電路調節(jié)輸出電壓2.73V。經過差動運算電路后，輸出電壓為2.68V，與當時的室溫相對應。問題二：未經運算電路，輸出電壓正確，經過運算電路后，電壓輸出差異較大。 當未經過放大電路時，顯示溫度的值與實際溫度的值可以達到一致，但當經過了運算放大器后，溫度測量已經不準確了，但在實際操作中，我們可以使溫度在一定范圍內進行改變，并且與實際值接近。問題三、室溫對應電壓輸出正確后。連接比較器電路。電路聯(lián)通后，超出上限后

12、，報警電路中發(fā)光二極管燈亮，但是，蜂鳴器不會發(fā)出聲響。測蜂鳴器兩端電壓為2.6V左右，電壓不夠，電流不大，不足以使蜂鳴器響。解決方法一：一開始供電電壓是5V，出現這個狀況后，我們將供電電壓提到12V蜂鳴器可以響了，但是無論是不是超出上限，燈就會亮。通過改比較器的上拉電阻，來實現降低電壓。經過多次嘗試后，上限的上拉電阻選為600，可實現輸出電壓在電壓限制范圍內，燈不亮，蜂鳴器不響，超出設定限值，燈亮，蜂鳴器響。解決方法二：也是將供電電壓升為12V，由于燈會一直亮。因為一直加大上拉電阻會出現一個問題，就是，燈我們可以保證在設定范圍內不亮，但是蜂鳴器有可能出現不響的問題。在報警電路中，我們采取的是蜂

13、鳴器與發(fā)光二極管并聯(lián)，所以加載它們兩端的電壓是相等的。將與發(fā)光二極管串聯(lián)的電阻加大，原來是100的串聯(lián)電阻，經過嘗試后，改為300.可實現現象。解決方法三：不改變供電電壓。燈是可以實現正常功能，所以加一個三極管，高電平導通，C端接5V電壓,E端接蜂鳴器。三極管導通后，蜂鳴器也可以發(fā)出聲響。實現結果。我們采用的是第三種解決方法，采用的三極管為8550三極管PNP型。三 防盜報警電路設計（一）設計目的 當外出時，有人強行進如家中時，就會發(fā)出報警聲，已提醒有非法闖入者，可以在心理上對犯罪者造成恐慌，也可以提醒周邊人有人正在非法侵入民居，具有實用性。（二）設計思想 設計一個檢測電路，將檢測器件安裝在門

14、上，只要有非法進入者闖進，蜂鳴器即會發(fā)出警聲。蜂鳴器的報警聲持續(xù)時間可調，聲音大小可調即頻率可調。NE555做成單穩(wěn)態(tài)電路時，電路可以檢測出人體信號并轉化成電信號，利用這一特點可以用NE555芯片設計檢測電路。（三）主要元器件選擇1、采用一自鎖開關代替實際中的傳感器，一摁下，代表被觸碰，可以實現在試驗中模擬操作。2、 NE555做成單穩(wěn)態(tài)電路時，電路可以檢測出人體信號并轉化成電信號，利用這一特點可以用NE555芯片設計檢測電路。（四）系統(tǒng)方案 4.1觸碰開關報警電路框圖設計觸碰開關斷開閉合強制復位解除強制復位電路震蕩電路不震蕩聲光報警不報警 圖4.1.1系統(tǒng)框圖設計4.2定時電路4.2.1 5

15、55芯片原理圖 圖4.2.1 555內部功能框圖E555的內部中心電路是三極管Q15和Q17加正反饋組成的RS觸發(fā)器。輸入控制端有直接復位Reset端，通過比較器A1，復位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。輸出端為F 圖4.2.2 555構成定時電路我們采用上圖作為我們的定時電路 圖4.2.3 555定時電路Multisim仿真工作原理：結合圖4.2.1與圖4.2.3.接通電源后，三極管D導通，5腳電壓為2/3 VCC，2腳電壓為VCC。6腳電壓為0，所以R輸出為“1”，S輸出為“1”，此時3腳輸出“0”。電容C3接地導致電容的電壓下降，電容電壓的下降導致2腳電壓下降到小于1/3 VCC，

16、此時S輸出為“0”，R輸出為“1”，3腳輸出為“1”，三極管D截止，此時電源給C1充電，導致6腳電壓慢慢上升，經過t=()C1*ln3時間后上升到大于2/3 VCC時，R輸出為“0”，3腳輸出為“0”，變?yōu)榈碗娖剑龢O管D導通，此時6腳電壓又下降到0，R輸出為“1”，因為按鍵已經松開，2腳電壓為VCC，此時S輸出為“1”，所以3腳繼續(xù)保持低電平。Vco是控制電壓端（5腳），平時輸出作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。參數計算;

17、 圖4.2.4定時電路圖 圖4.2.5開關閉合3腳輸出 圖4.2.6開關斷開3腳輸出 圖4.2.5是開關閉合后555的3腳輸出高電平，圖4.2.6是開關斷開后3腳輸出高電平不會立刻變?yōu)榈碗娖?，而是延時一段時間后變?yōu)榈碗娖健?.3多諧振蕩電路（頻率模塊）用555構成多諧振蕩器 圖4.3.1 555構成多諧振蕩上圖是我們采用的多諧振蕩器原理圖。采用555構成的多諧振蕩器，改變滑變，能夠改變輸出矩形波的占空比，能夠改變蜂鳴器輸出的頻率。 圖4.3.2 555多諧振蕩Multisim仿真輸出信號的時間參數是：= 占空比： 其中，為VC由上升到所需的時間，為電容C放電所需的時間。555電路要求R1與R2

18、均應不小于1K，但兩者之和應不大于3.3M。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時器配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強的功率輸出能力。因此，這種形式的多諧振蕩器應用很廣。一般多諧振蕩器的工作過程可分為以下四個階段:(1) 暫穩(wěn)態(tài) I(O): 電容 充電 , 充電回路為 VCC R3 R2 C 地 , 充電時間常數為 為T1=(R3+R2)C, 電容 C 上的電壓 uc 隨時間 T 按指數規(guī)律上升 , 此階段內輸出電壓 穩(wěn)定在高電平. (2) 自動翻轉 I(): 當電容上的電壓 上升到了 時 , 由于 555 定時器內 S=0,R=1, 使觸發(fā)器狀態(tài)Q由 1 變?yōu)?

19、0, 由0變成 1, 輸出電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖?, 電容 C 中止充電.(3) 暫穩(wěn)態(tài) (): 由于此刻=1, 因此放電管 V 飽和導通 , 電容放電 , 放電回路為 R2 放電管 V 地 , 放電時間常數=R2C( 忽略 V 管的飽和電阻 ), 電容電壓 按指數規(guī)律下降 , 同時使輸出維持在低電平上。(4) 自動翻轉(): 當電容上的電壓 下降到了 時 , 由于 555 定時器內 S=1,R=0, 使觸發(fā)器狀態(tài)Q由0 變?yōu)?1, 由1變成0, 輸出電壓由低電平跳變到高電平 , 電容 中止放電.由于=0, 放電管截止 , 電容 又開始充電 , 進入暫穩(wěn)態(tài) I.以后 , 電路重復上述過程 ,

20、 電路沒有穩(wěn)態(tài) , 只有兩個暫穩(wěn)態(tài) , 它們交替變化 , 輸出連續(xù)的矩形波脈沖信號。 圖4.3.3多諧振蕩 圖4.3.4矩形方波 圖4.3.5斷開瞬間 圖4.3.6斷開又閉合瞬間當斷開開關后，3腳輸出輸出矩形波瞬間變?yōu)榈碗娖剑?腳與6腳連接構成多諧振蕩器，稍微延時一段時間后變?yōu)榈碗娖?，這是電容的放電時間。當閉合開關后，矩形波輸出速度明顯加快，多諧振蕩波形則程一個線性上升的關系.開關閉合后（五）實驗調試 電路連接好，調節(jié)變位器一，可改變定時時間長短，及蜂鳴器響的時間長短。調節(jié)變位器二可改變蜂鳴器發(fā)生的頻率，因為改變了占空比，震蕩周期發(fā)生變化，頻率也就發(fā)生變化，使蜂鳴器的聲音多樣化。（六）實驗結果

21、 改變改變報警時間長短，改變改變蜂鳴器報警頻率，按下按鍵，發(fā)光二極管亮，蜂鳴器響，斷開開關，蜂鳴器響一會停止發(fā)聲。 頻率模塊，調節(jié)變位器，改變蜂鳴器發(fā)聲頻率定時模塊，調節(jié)變位器，改變定時時間 圖4.3.7面膜板搭線 圖4.3.8實現報警（七）遇到問題及解決方法 問題一：開關按下后，蜂鳴器會一直發(fā)出報警聲 所以在演示時，采取按下再按一次，蜂鳴器會響一會，在停止發(fā)聲。改變調節(jié)報警時間長短，改變，改變蜂鳴器報警頻率。問題二：蜂鳴器不響或與預期現象不一致。 解決方法：蜂鳴器的工作電壓是有限制的，電壓選擇不好會導致蜂鳴器不響，通過查閱資料了解所用蜂鳴器的參數來確定最終的使用電壓。問題三：電容與電阻值選擇

22、不合理導致蜂鳴器的響聲不合理通過改變電阻值和電容值來改變蜂鳴器的頻率以及持續(xù)時間。個人總結 此溫度測量電路課程設計讓我解和認識得到了多方面的鍛煉。一方面我對模擬電子技術專業(yè)知識有了進一步的掌握并熟悉了更多電子儀器的使用方法，掌握電子電路的測試方法，了解常用電子器件的類型和特性，同時掌握如何合理選用電子器件的原則。也通過multisim軟件模擬電子電路設計、安裝、調試等各環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了我運用課程中所學的理論與實踐緊密結合，獨立地解決實際問題的能力。另一方面對于動手能力的培養(yǎng)和敏捷思維方式的形成起到很大的作用。 這次課程設計，一開始我們是先采用網上找的案例，準備按照網上的案例去改進，無意間在課本上翻

23、到采用AD590溫度傳感器進行測溫顯示的例子?？吹竭@個例子在想，既然課本上有現成的，那就不用在去找別的了。所以哦我們小組就決定采用AD590溫度傳感器做我們的溫度測量系統(tǒng)。在進行仿真設計的時候，元件庫里找不到AD590這個元器件。去查找關于AD590的信息的時候，有提到它相當于一個恒流源。所以在畫仿真電路圖的時候，我們采取了I/V轉換電路，這個電路是課本上老師著重講過的部分，我們也沒有再去查找別的資料，直接使用了課本第四章的電路圖，根據我們所需要的，改進原理圖，實現I/V轉換。我們覺得這個電路圖是真的將我們在課堂上學習過的知識應用了進去。在差分運算電路部分，參數計算也是老師上課常常提到的。我們

24、一開始設定輸出電壓與溫度的是程線性關系，比值為10倍。根據這個比值，我們反過去推導放大倍數，根據得出的比例關系，設定電壓值。有了溫度傳感器的輸出電壓，將它與我們所設定的上下限值進行比較，比較電路同樣采取老師上講過的比較電路。其實每一部分的電路都很簡單，都是老師上課經常講到的，我們所做的就是把每一小部分電路組合到一起。通過這個課設，我們將老師上課講過的很多典型電路又重新學習了，有了更深的理解。在防盜報警電路中，最重要的就是NE555芯片的使用，在這個電路里，我們用一個作為定時電路，用第二個構成多諧振蕩電路。這都是555的典型電路應用。在電路仿真過程中，老師問我們定時電路中輸出叫的電平變化是怎樣的

25、，我沒有回答上來。后經查資料，明白。當開關閉合后，輸出口電平由低變高，記者胡一直保持高電平。當斷開的時候，輸出口電平不會立刻變?yōu)榈碗娖?，而是會延時一段時間后變?yōu)榈碗娖?。這就可以使蜂鳴器報警響一段時間后，自動停止。還有關于構成多諧振蕩器的電路中，輸出口輸出的矩形波的高低電平的形成原因。這都是NE555本身特有的特性。通過這次課設，對NE555有了更深的印象。附錄一 AD590AD590的功能及特性AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據特性分擋，AD590的后綴以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖1所示，它采

26、用金屬殼3腳封裝，其中1腳為電源正端V；2腳為電流輸出端I0；3腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖2所示。 AD590的主特性參數如下： 工作電壓：430V；工作溫度：55150；保存溫度：65175；正向電壓：44V； 反向電壓：20V；焊接溫度（10秒）：300； 靈敏度：1AK。 AD590的工作原理在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和530V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1k的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mVK的電壓信號。其基本電路如圖3所示。圖3是利用UBE特性的集成PN結傳感器的感溫部分核心電路。其中T

27、1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流I1和I2相等；T3、T4是感溫用的晶體管，兩個管的材質和工藝完全相同，但T3實質上是由n個晶體管并聯(lián)而成，因而其結面積是T4的n倍。T3和T4的發(fā)射結電壓UBE3和UBE4經反極性串聯(lián)后加在電阻R上，所以R上端電壓為UBE。因此，電流I1為：    I1UBER（KTq）（lnn）R對于AD590，n8，這樣，電路的總電流將與熱力學溫度T成正比，將此電流引至負載電阻RL上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖3中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激

28、光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1AK的I值。 附錄二 NE555NE555引腳位功能配置說明下： 圖1-2 NE555各腳功能-管腳圖Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。Pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。Pin 3 (輸出) -當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 (控制) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計時器經營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調整輸出頻率。Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時