王課程設(shè)計(jì)345.

1、目錄第一章 緒論 1第二章 溫度測量儀的設(shè)計(jì)方案 22.1 設(shè)計(jì)方案的選擇 22.2 溫度測量儀設(shè)計(jì)思路 4第三章 單元電路的設(shè)計(jì) 53.1 溫度電壓轉(zhuǎn)換單元電路 53.2 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生單元電路 63.3 差分放大電路 83.4 報(bào)警原理圖 93.5 Multisim 仿真圖 103.5.1 20 C時(shí)的仿真 103.5.2 49 C溫度時(shí)的仿真 113.5.3 大于50C時(shí)的仿真 11第四章PCB板的制作 12第五章 綜合調(diào)試 125.1 硬件電路排查 125.2 排除電源故障 125.3 元器件調(diào)節(jié) 135.4 測量結(jié)果 13第六章 材料清單及電路相關(guān)參數(shù) 156.1 材料清單 156.2

2、 元件參數(shù) 15第七章 電路原理圖 17第八章 總結(jié)報(bào)告 18主要參考文獻(xiàn) 19附錄 A 實(shí)物圖 20致 謝 21第一章 緒論集成溫度傳感器是目前應(yīng)用范圍最廣、使用最普及的一種全集成化傳感器。 其種類很多，大致可分為以下 5 類：1、模擬集成溫度傳感器；2、模擬集成溫度控制器；3、智能溫度傳感器；4、通用智能溫度控制器；5、微機(jī)散熱保護(hù)專用的智能溫度控制器。集成溫度傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域有以下 2 個(gè)方面：1. 溫度測量：可以構(gòu)成數(shù)字溫度計(jì)、溫度變送器、溫度巡回檢測儀、智能 化溫度檢測系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化測溫系統(tǒng)。2. 溫度控制：適用于智能化溫度測控系統(tǒng)、 工業(yè)過程控制、 現(xiàn)場可編程溫度 控制系統(tǒng)、環(huán)境

3、溫度監(jiān)測及報(bào)警系統(tǒng)、中央空調(diào)、風(fēng)扇溫控電路、微處理器及微 機(jī)系統(tǒng)的過熱保護(hù)裝置、現(xiàn)代辦公設(shè)備、電信設(shè)備、服務(wù)器中的溫度測控系統(tǒng)、 電池充電器的過熱保護(hù)電路、音頻功率放大器的過熱保護(hù)電路及家用電器。溫度傳感器是利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量 的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是 溫度測量 儀表的核心部分， 品種繁多。 按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類， 按照 傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類 。1第二章溫度測量儀的設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)萬案的選擇此方案數(shù)字溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)框圖如下圖所示，控制其采用單片機(jī)AT89C51度傳感器采用

4、DS18B20用四位LED數(shù)碼管以串行口傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度顯示。圖2.1總體設(shè)計(jì)框圖優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字溫度計(jì)精度高、靈敏度高測量范圍廣。缺點(diǎn)：調(diào)試復(fù)雜、制作成本較高、部分知識(shí)暫時(shí)沒有學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)此方案有困難,不予采用。作為工業(yè)測溫中最廣泛使用的溫度傳感器之一一一熱電偶，與鉑熱電阻一起，約占整個(gè)溫度傳感器總量的60%熱電偶通常和顯示儀表等配套使用，直接 測量各種生產(chǎn)過程中-401800C范圍內(nèi)的液體、蒸氣和氣體介質(zhì)以及固體的表 面溫度。本方案采用的是以8051系列的AT89C2051單片機(jī)為核心開發(fā)熱電偶測溫的 系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件原理框圖如下圖：圖2.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖2所示，熱電偶傳感器采集到溫度信號(hào)傳

5、送給信號(hào)處理模塊， 信號(hào)處理由Max6675單芯片構(gòu)成，它是Maxim公司新近推出的一個(gè)集成了熱電偶 放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它與 單片機(jī)通信讀出溫度值，經(jīng)過線性化處理后發(fā)給顯示電路顯示， 顯示電路是由四 位獨(dú)立數(shù)碼管組成。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用范圍廣、測量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、測量范圍廣、使用壽命長、 缺點(diǎn)：熱電勢率較低、靈敏度低、制作成本較高、不適用于還原性氣體以及金屬 或非金屬蒸氣環(huán)境下進(jìn)行溫度測量，實(shí)現(xiàn)此方案有困難，所以不予采用。溫度測量儀經(jīng)過下圖3過程完成，當(dāng)被測溫度高于報(bào)警溫度則會(huì)出現(xiàn)LED變亮，蜂鳴器報(bào)警的效果，同時(shí)也可以利用電壓表讀出被測對(duì)象溫度

6、。圖2.3溫度測量儀原理框圖其中，每個(gè)框圖作用如下：1. K C變換電路：將開爾文溫度轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)溫度C；2. 放大電路：經(jīng)過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓的放大作用；3. 電壓比較器：運(yùn)用差分放大電路原理將電壓進(jìn)行比較， 得到攝氏溫度與輸出電 壓的關(guān)系。4. 報(bào)警設(shè)備：當(dāng)溫度超過50攝氏度時(shí)，報(bào)警設(shè)備將會(huì)報(bào)警，如 LED亮或者蜂鳴 器響。2.2溫度測量儀設(shè)計(jì)思路(1) 選擇被測對(duì)象，經(jīng)過溫度傳感器AD590將溫度轉(zhuǎn)換為電流，然后經(jīng) 過溫度一電壓變化，轉(zhuǎn)化為電壓；(2) 轉(zhuǎn)化的電壓再經(jīng)過KC變換電路轉(zhuǎn)化為絕對(duì)C；(3) 再經(jīng)過反相比例放大電路，將電壓值放大；(4) 最后利用差分放大電路，將電壓進(jìn)行比較，通過

7、驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行報(bào) 警，超過設(shè)定溫度，發(fā)光二極管將會(huì)變亮。優(yōu)點(diǎn)：測溫誤差小、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單。缺點(diǎn)：部分元器件價(jià)格較貴。綜上所述：從電路結(jié)構(gòu)、安裝難易、成本計(jì)算、性能指標(biāo)多方面考慮為最佳因此 選擇方案三。5第三章單元電路的設(shè)計(jì)3.1溫度一電壓轉(zhuǎn)換單元電路圖3.1溫度一電壓變換電路AD590溫度傳感器是一種已經(jīng)IC化的溫度感測器，它會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換為電流。AD590的主要特性如下：流過器件的電流等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。 AD590的測溫范圍為-55 C+150C。 AD590的電源電壓范圍為4V30

8、V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流 變化1mA相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓， 因而器件反接也不會(huì)被損壞。AD590最重要的特性是：度每增加 1C,它會(huì)增加1卩A輸出電流。AD590的接口電路十分簡單，不需要外圍溫度補(bǔ)償和線性處理電路，便安裝調(diào)試。 AD590的管腳圖及元件符號(hào)如下圖所示。圖3.2 AD590管腳（第三個(gè)腳可以不用,是接外殼做屏蔽用的）圖3.3 AD590元件符號(hào)（1管腳接電源；2管腳輸出電流）AD590基本應(yīng)用電路如下圖所示圖3.4 AD590基本應(yīng)用電路單元電路元器件選用參數(shù)說明：1、R6=10 （便于計(jì)算）2、在該電路中，利用了

9、UA741作為電壓跟隨器電壓跟隨器的特性如下：隔離緩沖。電壓跟隨（極性不變）。電壓放大倍數(shù)為一倍，只是改善輸出量的輸出質(zhì)量，不改變輸出值。利用電壓跟隨器的隔離緩沖作用確保了 AD590輸出的電壓值穩(wěn)定。3、用直流電流源代替AD590 。根據(jù)AD590的特性，溫度每升高C,電 流增大1卩A。利用串聯(lián)的10K電阻進(jìn)行電壓采樣，可以將實(shí)現(xiàn)溫度與電壓間的 轉(zhuǎn)換。計(jì)算公式如下：10KX（ 273+T）卩 A= （2.73+0.01T ） V （T 為溫度）3.2 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生單元電路利用AD590的基本應(yīng)用電路可得到電壓 U= （2.73+0.01T） V，即AD590的溫控電流值是對(duì)應(yīng)熱力學(xué)溫度 K，

10、而在溫控中需要采用攝氏溫度C，需要設(shè)計(jì)電路消去關(guān)系式中的2.73V，消去2.73V后，就得到了輸出電壓U與 攝氏溫度T的關(guān)系。需要設(shè)計(jì)一個(gè)得到恒壓 2.73V的電路。為了得到2.73V電壓,可使用下圖電路:V23 V 7 O 741R9 20kQ01 OPAMP 3T1BASIC10kQ _ Key=A圖3.5基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生單元電路單元電路元器件選用參數(shù)說明：1、R7與R9分別取值為10K.】與20 2 有利于參數(shù)的計(jì)算2、直流電源+3V與R7、R9串聯(lián)分壓Ui 色V2VR7 +R作為放大器的輸入電壓。3、為了得到基準(zhǔn)電壓選10K1的電位器，將其調(diào)至3.6K。4、 R, =10K便于參數(shù)的計(jì)算更

11、加簡單的得出電流從而得出2.73V的基準(zhǔn)電壓。5、R,為10K電位器為了調(diào)試后更精準(zhǔn)的得到 3.6K1的電阻從而更簡單的得到基準(zhǔn)電壓2.73V。6、UA741為放大器，放大電壓理論計(jì)算：利用放大器虛短、虛斷的原理可得U2UI -2V , I,1廠0.2 10”A , UoTR U嚴(yán)2.72V。R,10漢1093.3差分放大電路:R1:iota0R2 100RQ10#圖3.6差分放大電路差分放大電路(上圖)的作用是消去關(guān)系式uo= (2.73+0.01T) V中的2.73V,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。利用差分放大電路得到輸出uI2=10(UO2-UO1)= V。這樣就10得到了攝氏溫度與輸出電壓的關(guān)系。

12、利用數(shù)字電壓表就可以測量出當(dāng)前的溫度了。如果當(dāng)前的溫度為28C，貝U測出的電壓為2.8V。單元電路元器件選用參數(shù)說明：1、尺2與R3控制其放大倍數(shù)；2、Ri與R2根據(jù)資料得出的經(jīng)驗(yàn)值；3、利用U?進(jìn)行差分放大。4、R3為100K1，為了與Ri2成10倍關(guān)系，從而可以得到電壓增益為10 ,可將電壓放大十倍R,uo1-uI -27.3vR2Uo2=(1R3R|2R3R2)u T R：)汽Tu。二 Uo1 Uo2R3 (Ul1 72)二 尺2R3R12Ui#AvdUo=10Ui1 Ui2R23.4報(bào)警原理圖11利用放大器構(gòu)成的比較器，將放大器的正向端電壓與負(fù)向端比較。 如果正相 輸入端電壓小于反向端

13、電壓，輸出低電平，LED不亮；當(dāng)正向端輸入電壓大于等 于反向端電壓時(shí)，LED亮，因此可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警。單元電路元器件選用參數(shù)說明：1、電阻R5是為了保護(hù)二極管LED1;2、LED燈將可以在得到正向電壓時(shí)也就是溫度高于 50C變亮從而實(shí)現(xiàn) 報(bào)警；3、蜂鳴器是在溫度高于50C進(jìn)行聲控報(bào)警度；4、U3放大器進(jìn)行電壓值的比較；5、R4保護(hù)電路6 +5v電源作為比較的基準(zhǔn)電壓3.5 Multisim 仿真圖根據(jù)第三章的分析，我們將設(shè)計(jì)完整的電路圖，如下圖:.-XMM112#JCMH2-廿-U4OPAMPJTJASIC： T23.5.1 TJ . .- J J o - - - k e r r -& OPAMP

14、 3T BAMR11UI15 20 C時(shí)的仿真 TgRS-XMMl6K12. fl : R3 ：r wvJ：10K1 ： . ：1：0Dkfl：OPAMPJT_BASICvcc:7: :7:.JWM58H1Z. -WV- 1QKCOPflMP IT BASIC-WV 1ODkD： i 1:I M5 13；65W)專方用S-XMM25VVCCLED1133.5.2 49 C溫度時(shí)的仿真CHPAMP JT BASICR1B AAA 3.5kD .2 73 V3.5.3AMP 3TR12-Wv-IOIcOBA沁.83 -VW-1 tODkQ :Sia j- | |大于50 r時(shí)的仿真3 24 VOP

15、AMPJT ASIC:GLlL.10k2 .PAMP 3TVCC-=OPAWP- 3TBASIC:10klR2 IQOkQIMWVTOkQ12OP AMP 3F UASIC5VVCC:R4=:IDkD .:VCCOPAUP 3T RASK：MA3.65kQ:：1O0kQ：15第四章PCB板的制作按照原理圖，我們畫好PCB圖:第五章綜合調(diào)試5.1硬件電路排查采取檢查器件與設(shè)計(jì)要求的型號(hào)、規(guī)格和安裝是否一致，在電路板中是否存在虛焊、短路、斷路等現(xiàn)象。5.2排除電源故障在通電前，首先檢查了電源電壓的幅值和特性，避免造成集成塊損壞。檢查無誤后，接通+5V電源給AD590供電，接通+12V -12V電源

16、UA741芯片供電5.3元器件調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電位器R6,測試跟隨電壓達(dá)到室溫所對(duì)應(yīng)的開爾文溫度，將已調(diào)試好的R7=20裝入電路板，調(diào)節(jié) R10使基準(zhǔn)電壓達(dá)到絕對(duì)零度所對(duì)應(yīng)的開爾文溫度 （273K），測試差分放大電路所得電壓所得電壓是否為室溫多對(duì)應(yīng)的攝氏溫度值。如果有誤差則調(diào)節(jié)電位器R2或R3,使它為室溫多對(duì)應(yīng)的攝氏溫度值。5.4測量結(jié)果本設(shè)計(jì)經(jīng)過一定程度的改進(jìn)，可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)報(bào)警溫度。1、以下是設(shè)定報(bào)警溫度為50r時(shí)進(jìn)行測量的結(jié)果：經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得AD590輸出電流I與攝氏溫度T與輸出電壓U及開爾文溫度K的關(guān)系如下表：K/開爾文T/CIo/ 卩 AU/VLED燈報(bào)警現(xiàn)象蜂鳴器報(bào)警現(xiàn)象301.728.72

17、73+28.72. 9不亮沒出現(xiàn)鳴叫30330273+303.01不亮沒出現(xiàn)鳴叫30532273+323.26不亮沒出現(xiàn)鳴叫30835273+353.58不亮沒出現(xiàn)鳴叫31037273+373.75不亮沒出現(xiàn)鳴叫32350273+505.01亮出現(xiàn)鳴叫2、以下是設(shè)定報(bào)警溫度為33 C為例進(jìn)行測量：經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得AD590輸出電流I與攝氏溫度T與輸出電壓U及開爾文溫度K的關(guān)系如下表：K/開爾文T/CIo/ 卩 AU/VLED燈報(bào)警現(xiàn)象蜂鳴器報(bào)警現(xiàn)象29522273+222.23不亮沒出現(xiàn)鳴叫301.728.7273+28.72. 9不亮沒出現(xiàn)鳴叫30330273+303.01不亮沒出現(xiàn)鳴叫3053

18、2273+323.26不亮沒出現(xiàn)鳴叫30633273+333.31亮出現(xiàn)鳴叫30835273+353.58亮出現(xiàn)鳴叫31037273+373.75亮出現(xiàn)鳴叫由以上測試結(jié)果分析可得 AD590的輸出電流值說明如下：其輸出電流是以絕 對(duì)溫度零度(273k)為基準(zhǔn)，每增加C,它會(huì)增加1卩A輸出電流，因此在TC 時(shí)，其輸出電流Io= (273+T)卩A經(jīng)過多次測試得出測試結(jié)果并分析可得該溫度測量儀可從 27 C到100C范 圍內(nèi)進(jìn)行溫度設(shè)定實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并且測試結(jié)果精準(zhǔn)，報(bào)警信號(hào)無誤，經(jīng)過電壓表顯 示測量溫度誤差較小。第六章材料清單及電路相關(guān)參數(shù)6.1材料清單序號(hào)名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量備注1PCB實(shí)驗(yàn)板86*561塊2集成溫度傳感器AD5901個(gè)U53集成運(yùn)算放大器uA7414個(gè)U1-U44電阻1/4W 1K1個(gè)R55電阻1/4W 10K4個(gè)R1/R4/R11/R126直流電源12V/1A1個(gè)J17直流電源-12V/1A1個(gè)J