尹良峰的设计说明水温测试仪

1、课程设计说明书课题名称：水温测试仪专业名称：通信技术班 级：0801班姓 名：尹良峰学 号：08400530143指导老师：伍麟君课程设计任务书（一）设计目的1、通过对温度测量电路的设计、安装和调试理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。（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）5数字电压表实现温度显示，可直接读出温度值。2、设计要求设计一个能满足要求的温度测量及报警电路；要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图；根据设

2、计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；在万能板或面包板或PCB板上安装好电路并调试；拟定测试方案和设计步骤；撰写出设计报告、调试总结及使用说明书。（三）设计提示1、基本原理：被测对象K变换放大电压表比较器报警设备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10M，转换当量为。器件采用B1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=10K，则。 图1 温度电压转换电路 图2 K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

3、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=10K，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

4、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。目 录一、课程设计任务书2二、第一章 绪论61.1 水温测量仪的发展61

5、.2 水温测量仪的用途6三、第二章 水温测量仪的设计112.总体结构框图设计72.2 温度检测电路设计82.3 K变换92.4 比较器102.5 报警设备132.6 水温测量仪运作过程总析14四、第三章 水温测量仪的仿真与制作163.1 仿真软件简介163.2 仿真电路的建立163.3仿真效果分析193.4 PROTEL电路板图19五、第四章 结束语204.1、设计总结204.2、 心得体会20六、第五章 附录21第一章 绪论1.1 水温测量仪的发展一般来说，水温测量仪大都采用温度传感器（如 AD590）与其附加控制电路构成。其利用温度传感器将温度变化转化为电信号，进而输出具体所需电信号。但此

6、类产品中测量误差偏大、功能单一。最新科技有设计采用单片机，实现灵活配置多种测温传感器，对温度进行高精度测量的低功耗便携式测温仪，特别适合高炉热负荷水温差测量领域，或者连续多点温度和温差的测量场合。采用分段（每十度分段）对温度一热电势间非线性关系的线性化，提高了系统的测温精度。实际使用证明，该测量仪具有可靠性高、便携性好、功能齐全、功耗低、适用场合广泛、测温精度高等特点。然温度传感器水温测量仪仍不失为重要的水温测量工具。1.2 水温测量仪的用途水温测量仪在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等领域都有广泛应用，其主要用于报警设备。如在地质探测上，其可以读出地下水温，进而给地质工作

7、者提供地质状况判断依据。在海水检测领域，可以时时刻刻监测水温，给出洋流预测参考数据。水温测量仪的作用渗透我们生活的各个方面，给我们带来了极大的便利。第二章 水温测量仪的设计2.总体结构框图设计制作水温测量仪，首先利用温度传感器获取被测量对象的温度，将温度转换为电压表示。然而上述表示的为绝对温度与电压的转换关系，因此还需将绝对温度与电压的关系转换为摄氏度与电压的关系，这样就完成电压与摄氏度之间的直接转换关系。之后将电压放大，即可直接用电压表读出被测对象的温度值。此外将放大后的电压接至一电压比较器，比较器输出端接报警设备，如指示灯。在设置比较电压（即比较温度）后，由比较器输出端的电压决定指示灯的状

8、态，进而起到报警的作用。基本原理如图 2.1.1所示： 被测对象K变换放大电压表比较器报警设备图 2.1.1基本原理图2.2温度检测电路设计 图2.2.1 集成温度传感器AD5902.21 AD590简介: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515V之间变化，其电流只是在1A以下作微小变化。其主要参数如表2.2.1所示：工作电压430V反向电压20V工作温度55150焊接温度（10秒）300保存温度651

9、75灵敏度1AK正向电压44V 表 2.2.1 AD590参数表2.2.2 AD590的应用AD590输出阻抗达10M，转换当量为1A/K。温度电压转换电路如图 2.2.2所示： 图 2.2.2 温度电压转换电路温度电压转换分析：如图 2.2.2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=1A/KR=R10-6/K (2 .2. 1)在实际应用中可取R=10K，则: U1=10mV/K (2.2.2)这样可以实现温度电压的转换，取的所需电压。23 K变换2

10、.31 K变换减法电路 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 （2.3.1）由式 （2.2.2）与式 2.3.1可知要实现K变换，必有： Uo=10mV/2.73V (2.3.2) 该变换可用一个差分式减法器实现，如图1.3.1所示：图 2.3.1 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： eq f(Uref-U,R2) = eq f(U-U2,R4) (2.3.3)及 eq f(U1-U,R1) = eq f(U,R3) (2.3.4)解式（2.3.3）与

11、式（2.3.4）得：U2=( EQ f(R2+R4,R2) )( EQ f(R3,R1+R3) )U1 eq f(R4,R2) Uref （2.3.5）(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） (2.3.6)2.3.2 电压的放大由式2.3.6知选择R4与R2的值可以实现电压放大功能，此时取R4=R3=100K，R1=R2=10K，此时有： U=10（U1-Uf） (2.3.7)由上式可知温度与电压之间的关系：U=0.1V/ 将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的

12、温度值,如:将AD590放入20的水中，可读得电压表的值为2V。2.4 比较器2.4.1 电压比较器原理：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2.4.1(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 2.4.1 电压比较器原理原理图图2.4.1 (b)所示为其传输特性。当UiUR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工

13、作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即UoUZ。当uiUR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 UoUD。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。2.4.2 运算放大器比较器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2.4.2 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=

14、(1+ eq f(RF,R1) )( eq f(R3,R2+R3) )Va- eq f(RF,R1) Vb (2.4.1)若R1=R2，R3=RF，则:Vout= eq f(RF,R1) (Va-Vb)， (2.4.2)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 2.4.3 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

15、，利用电压的大小关系起到报警作用。 图 2.4.2 图2.4.32.4.3 比较器实例在本实例中采用图2.4.4比较器。其中电阻参数取：R7=R8=10K，R9=1K，在图 2.4.4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2.4.4 水温测试仪电压比较器电路2.5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light emitting diode（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

16、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。水温测量仪运作过程总析将上述器件加以组合得到图2.6.1所示：水温测量过程及报警分析：

17、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2.6.1所示。取Ri=500K，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+ eq f(R6,R5) ）Uad1 (2.6.1)所以，可以取R6=3.6K,R5=10K，此时Uref=2.73V。之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求

18、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1.5节中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U25V时，U35V时，U30。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3.6.1水温测量仪原理图第三章 水温测量仪的仿真与制作3.1 仿真软件简介EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子

19、设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接

20、从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。3.2 仿真电路的建立我们用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。电路模型如图3.1.1，图3.1.2所示：

21、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23.3仿真效果分析设置好电路以后，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200uA，即绝对温度200K，转换为摄氏度为-73。电压表读值为-7.3。可见与理论值相同，此时温度比50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333uA，即绝对温度333K，转换为摄氏度为60.电压表为6V。与理论相同，由于温度比50度大，电压U2VCC3.比较器输出正值，由于理想运放的缘故。图中电压表读出值为19.8V是一个不确定

22、正值。二极管在U3的作用下导通，发光（双箭头）.由此可见理论值与实际值符合得很好。温度能够测得。3.4 PROTEL电路板图第四章 结束语4.1、设计总结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。课程每个设计步骤都包含自己的辛勤耕耘。首先要感谢网络，水温测量仪主要五大器件我都在网上找到甚多资料。也让我懂得了很多之前不为我知的模电数电知识，自我感觉相当有意义！在设计水温测量仪的时候，我分析五大器件，进而专个研究，逐个击破。然后把器件组合起来，电路图便跃然纸上。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。之前数电有讲解这方面的知识，但是当时只是一知半解。通过钻研比较器原理，我

23、豁然开朗！自己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。以后有时间会把其它的课题也做了。然而课程设计的书写格式让我很无语。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。4.2、 心得体会 随着世纪的更迭的脚步,伴着新年钟声的敲响, 忙碌了十几天的课程设计也渐渐拉下帷幕。一段时间忙碌的身影和奔波的脚步之后，使我在这个过程中体

24、会到了什么是苦,什么是累,什么是开心，什么是快乐。忙碌之后看到属于自己的这份课程设计，心中也体会到了成功之后的那份喜悦和安慰,也使我在这一段时间留下了一份美好的回忆！ 对于课程设计，以前在我的脑海中一直是一个陌生的名词。在老师给定课题的那一刻,我虽然不知道怎么去做，但我默默的下定了决心，一定要努力做好一份属于自己的课程设计。在我选定课题后的一段时间里，为了更完美的做好设计流程以及参数的选择，我就开始了收集关于语音滤波器课题的资料，在充分准备好资料以后，就开始了课题的设计。虽有了准备，但还是不知道怎么开始，怎样设计和排版。为了更好理清思绪，又在图书馆徘徊。几天的准备后一步一步的尝试着设计。工夫不负有心人，几天后总算基本完成了设计课题。在这次课程设计完毕之后，我体会颇多。从根本上使我真正认识到了做好一份课程设计并不是一件容易的事情。它不仅需要熟悉并掌握教材内容还要有很好的创新思维和动手能力。在这次设计的过程中，让我学会了以前没有学会的一些软件。例如：PROTEL99， EWB，等软件的熟练操作和使用。在这次课程设计中我体会最深的是：理论和实践有着很大一部分的差距，实践是建立在理论的基础上的，没有理论的支撑实践就会没有方向，不知道从何下手。在设计的过程中，虽然碰到