模擬電子技術(shù)課程設(shè)計平均氣溫測量系統(tǒng)的設(shè)計

1、1 綜述 電子技術(shù)是當(dāng)今科技發(fā)展的熱點(diǎn)，各先進(jìn)國家無不把它放在優(yōu)先的發(fā)展的地位。電子技術(shù)是電類專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，課程地顯著特點(diǎn)之一是它的實(shí)踐性。要想很好的掌握電子技術(shù)，除了掌握基本器件的原理，電子電路的基本組成及分析方法外，還要掌握電子器件及基本電路的應(yīng)用技術(shù)，課程設(shè)計就是電子技術(shù)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)。 溫度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關(guān)系，同時也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，例如機(jī)械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛需要對溫度的檢測與控制。并且隨著人們生活水平的提高，人們對自己的生存環(huán)境越來越關(guān)注，而空氣中溫度的變化與人體的舒適度和情緒都有直接的影響，所以對溫度的檢測就非常有必要

2、了。本文介紹了利用AD590作為溫度傳感器，通過溫度電壓轉(zhuǎn)換及求和電路，K電路，驅(qū)動報警電路，放大電路和比較電路實(shí)現(xiàn)檢測顯示三處平均氣溫功能以及與給定氣溫比較并進(jìn)行聲光報警功能。Error! No bookmark name given.1512 程序設(shè)計框圖 設(shè)計平均氣溫測量系統(tǒng)，首先使用三個AD590溫度傳感器分別測量三個不同地點(diǎn)的氣溫，使用反相運(yùn)算電路將傳感器傳出的三個電流信號求平均值并轉(zhuǎn)化為電壓信號。然后將華氏溫度與電壓的關(guān)系使用變換電路變?yōu)閿z氏溫度與電壓的關(guān)系并將電壓信號進(jìn)行放大。此時用改裝過刻度的電壓表可直接讀出溫度值。此后將放大后的電壓信號接至比較器，經(jīng)過電壓比較后由比較器決定是

3、否二極管以及報警器是否工作，從而實(shí)現(xiàn)聲光報警的功能。其程序設(shè)計框圖2-1如下：圖2-1 平均氣溫測量系統(tǒng)的程序設(shè)計框圖3 電路原理設(shè)計及計算3.1 溫度傳感器的選?。?.1.1 AD590溫度傳感器簡介 本文采用AD590作為溫度傳感器。AD590是美國ANALOG DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流與絕對溫度成比例。在4 V至30 V電源電壓范圍內(nèi)，該器件可充當(dāng)一個高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為1 A/K。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過激光調(diào)整，可用于校準(zhǔn)器件，使該器件在298.2K (25C)時輸出298.2 A電流。AD590適用于150C以下、目前采用傳統(tǒng)電氣溫度傳感器的任何溫度

4、檢測應(yīng)用。低成本的單芯片集成電路及無需支持電路的特點(diǎn)，使它成為許多溫度測量應(yīng)用的一種很有吸引力的備選方案。應(yīng)用AD590時，無需線性化電路、精密電壓放大器、電阻測量電路和冷結(jié)補(bǔ)償。 除溫度測量外，還可用于分立器件的溫度補(bǔ)償或校正、與絕對溫度成比例的偏置、流速測量、液位檢測以及風(fēng)速測定等。AD590可以裸片形式提供，適合受保護(hù)環(huán)境下的混合電路和快速溫度測量。 AD590特別適合遠(yuǎn)程檢測應(yīng)用。它提供高阻抗 電流輸出，對長線路上的壓降不敏感。任何絕緣良好的雙絞線都適用，與接收電路的距離可達(dá)到數(shù)百英尺。這種輸出特性還便于AD590實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用：輸出電流可以通過一個CMOS多路復(fù)用器切換，或者電源電壓可

5、以通過一個邏輯門輸出切換。3.1.2 AD590溫度傳感器主要特性 (1) 流過器件的電流(A) 等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文) 度數(shù)： 式中，Ir流過器件(AD590) 的電流，單位為A；T熱力學(xué)溫度，單位為K； (2) AD590的測溫范圍為- 55+150； (3) AD590的電源電壓范圍為430 V，可以承受44 V正向電壓和20 V反向電壓，因而器件即使反接也不會被損壞； (4) 輸出電阻為710 m； (5) 精度高，AD590在- 55+-150范圍內(nèi)，非線性誤差僅為0.3。3.1.3 AD590溫度傳感器的使用方法AD590的輸出電流值說明如下： 其輸出電流是以絕對溫

6、度零度（-273）為基準(zhǔn)，每增加1，它會增加1A輸出電流，因此在室溫25時，其輸出電流 圖3-1 AD590的使用 注意事項(xiàng)： （1） 的值為乘上10K，以室溫25而言，輸出值為 （2） 測量時，不可分出任何電流，否則測量值會不準(zhǔn)。 （3）根據(jù)本題實(shí)際需要，要在-4080范圍內(nèi)用05v之間電壓表示，所以將電阻換成42K電阻，使得電壓隨溫度變化值為42mV/。 3.2 求和運(yùn)算電路的設(shè)計3.2.1 集成運(yùn)算放大器的選擇 本文采用A741 作為集成運(yùn)算放大器。A741運(yùn)算放大器，美國仙童公司（fairchild）發(fā)明，是世界上第一塊集成運(yùn)算放大器，在上世紀(jì)60年代后期廣泛流行，直到今天A741運(yùn)放

7、仍是電子學(xué)科中講解運(yùn)放原理的典型元器件。A741是高性能、內(nèi)補(bǔ)償運(yùn)算放大器，功耗低，無需外部頻率補(bǔ)償，具有短路保護(hù)和失調(diào)電壓調(diào)零能力，使用中不會出現(xiàn)閂鎖現(xiàn)象，可用作積分器、求和放大器及普通反饋放大器。3.2.2 求和運(yùn)算電路的設(shè)計 三只溫度傳感器AD590的感應(yīng)電流信號輸出后，需要將其接入同相求和運(yùn)算電路進(jìn)行電流的求和和取平均值。同相求和運(yùn)算電路的多個輸入信號均作用于集成運(yùn)放的同相輸入端，如圖3-2所示。節(jié)點(diǎn)P的電流方程為 使時,取, 即可得到三個傳感器的電壓平均值。 圖3-2 同相求和運(yùn)算電路 3.3 變換器電路的設(shè)計2.3.1 變換減法電路 將三個點(diǎn)的溫度信號取平均值并轉(zhuǎn)化為電壓信號后，仍

8、不能直接測量，還需將絕對溫度轉(zhuǎn)換為攝氏度，即實(shí)現(xiàn)變換。并需要在-4080內(nèi)用05V表示，可將-40設(shè)為比較點(diǎn)，及絕對溫度233： = 該變換可用一個差分式減法器實(shí)現(xiàn)，如圖3-3所示： 圖3-3 差分式減法器差分式減法器分析：在理想運(yùn)放的情況下，利用虛短與虛斷。有如下關(guān)系：及 解得： 所以，只要選取合適的值，便可滿足所需要求。如取R4/R2=R3/R1,則有下式：3.3.2 溫度的顯示及讀取 取，此時有： 由上式可知溫度與電壓之間的關(guān)系： 將放大后的電壓接直流電壓表，即可直接讀的溫度值,如:若三只AD590溫度感應(yīng)器的平均測量結(jié)果為20，測可讀得電壓表的值為0.84V。設(shè)計要求測溫范圍為-408

9、0 ，則電壓顯示范圍為。將電壓表示數(shù)與溫度一一對應(yīng)，即可通過電壓示數(shù)得知溫度。3.4 比較器電路的設(shè)計 電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路,常用于各種電子設(shè)備中.它將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。 圖3-41(a)所示為一最簡單的電壓比較器，UR為參考電壓，加在運(yùn)放的同相的輸入端，輸入電壓ui加在反相的輸入端。(a) （b）圖3-41 電壓比較器原理原理圖 圖3-41(b)所示為其傳輸特性。當(dāng)UiUR時，運(yùn)放輸出高電平，穩(wěn)壓管Dz反向穩(wěn)壓工作。輸出端

10、電位被其箝位在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ，即UoUZ。當(dāng)uiUR時，運(yùn)放輸出低電平，DZ正向?qū)?，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向壓降UD，即 UoUD。因此，以UR為界，當(dāng)輸入電壓ui變化時，輸出端反映出兩種狀態(tài)，高電位和低電位。 以上介紹的是最簡單的電壓比較器原理。比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路。圖3-42由運(yùn)算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓Va經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，Vb通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反饋電阻，若不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與Va、Vb及4個電阻的關(guān)系式為：若R1=R2，R3=RF，則:RF/R1為放大器的

11、增益。當(dāng)R1=R2=0(相當(dāng)于R1、R2短 路)，R3=RF=(相當(dāng)于R3、RF開路)時，Vout=。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖3-43的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比較器電路。實(shí)際上，運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負(fù)電源電壓，也不可能是無窮大。因此為了實(shí)現(xiàn)報警功能，可在輸出電壓端接一個電壓比較器，利用電壓的大小關(guān)系起到報警作用。 圖 3-42 圖 3-43在本實(shí)例中采用圖3-44比較器。其中電阻參數(shù)取：，反相端2接報警時的溫度設(shè)定電壓，以40為例，當(dāng)報警溫度為40時，反相端2應(yīng)接電壓為。R7，R8用于穩(wěn)定輸入電壓，決定了系統(tǒng)的精度。而R

12、9用于報警設(shè)備的輸入電阻，用于控制輸入電流的大小。圖 3-44 電壓比較器電路3.5 聲光報警裝置的設(shè)計3.5.1 LED發(fā)光二極管的選用a.簡介 LED發(fā)光二極管是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極

13、管。 發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計算：式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED的一般工作電流b. 光源特點(diǎn): (1)電壓:LED使用低壓電源，供電電壓在直流3-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，也有少數(shù)DC36V、DC40V等，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。 (2)效能:消耗能量較同光效的白熾燈減少80% (3)適用性:體積很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 (4)穩(wěn)定性10萬小時，光衰為初始的50%

14、 (5)響應(yīng)時間:其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時間為納秒級 (6)環(huán)境污染:無有害金屬汞 (7)顏色:發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和禁帶寬度，實(shí)現(xiàn)紅黃綠藍(lán)橙多色發(fā)光。紅光管工作電壓較小，顏色不同的紅、橙、黃、綠、藍(lán)的發(fā)光二極管的工作電壓依次升高。 (8)價格:LED的價格越來越平民化，因LED省電的特性，也許不久的將來，人們都會把白熾燈換成LED燈。我國部分城市公路、學(xué)校、廠區(qū)等場所已換裝完LED路燈、節(jié)能燈等。c. LED的優(yōu)點(diǎn): (1)體積小:LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。 (2)耗電量低:LED耗電相當(dāng)?shù)?/p>

15、，一般來說LED的工作電壓是2-3.6V。工作電流是0.02-0.03A。這就是說：它消耗的電不超過0.1W。 (3)使用壽命長:在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合?，LED的使用壽命可達(dá)10萬小時。 (4)高亮度、低熱量:LED使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多。 (5)環(huán)保:LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。 (6)堅(jiān)固耐用:LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅(jiān)固。燈體內(nèi)也沒有松動的部分，這些特點(diǎn)使得LED可以說是不易損壞的。d. 報警分析： 當(dāng)加與U2端的電壓大于設(shè)定溫度Uref時，U3有了正向輸出，二極管LED導(dǎo)通，發(fā)光，報

16、警完成。3.5.2 蜂鳴器的選用本文中選用有緣蜂鳴器作為聲音報警裝置。a. 簡介 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 ；蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”表示。b. 結(jié)構(gòu)原理 1.壓電式蜂鳴器：壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。 多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（1.515V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ

17、的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。 2.電磁式蜂鳴器：電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。 接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。c. 有源蜂鳴器與無源蜂鳴器區(qū)別： 有源蜂鳴器其內(nèi)部帶有振蕩器，接通一個大約5v的直流電源就可以鳴響。無源蜂鳴器僅僅是一個諧振腔和一片壓電振蕩膜片，需要外接振蕩器。無源蜂鳴器可以使用兩個與非門或者非門電路驅(qū)動。d. 報警分析：

18、 當(dāng)加與U2端的電壓大于設(shè)定溫度時，U3有了正向輸出，有源蜂鳴器導(dǎo)通，發(fā)光，報警完成。3.6 平均氣溫測量系統(tǒng)的總體工作過程將上述器件加以組合得到圖2-6所示：平均氣溫測量系統(tǒng)工作過程：將AD590置于三個不同的地點(diǎn)，AD590會產(chǎn)生三個感應(yīng)電流，將三個感應(yīng)電流轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓并接入同相求和運(yùn)算電路，既可求得三個電壓信號的平均值。之后再將絕對溫度與電壓的轉(zhuǎn)換后還需要變換為攝氏度與電壓的關(guān)系（將絕對溫度減去273）。于是在電壓跟隨器后接一個差分減法器以達(dá)目的，即減去一個9.71V的電壓?？梢岳梅€(wěn)壓管和運(yùn)放電路來提供所需要的9.71V電壓。如圖3-6所示。取Ri=500K，D1的穩(wěn)壓Uad1為2V

19、。運(yùn)放F2與R5,R6組成同向放大器。由虛斷，虛短可得：Uref = （1+ ）Uad1所以，可以取R6=38.55K,R5=10K，此時Uref=9.71V。之后可將電壓跟隨器的輸出電壓與上式所求得的電壓接至差分減法器的兩端。在減法器作用之后，我們獲得電壓與溫度的直接關(guān)系。在U2端接一電壓表，即可讀的溫度值。例如傳感器測得溫度為25時，電壓表顯示2.71V，電壓表05V對應(yīng)-4080，改裝電壓表顯示表盤即可讀出溫度。最后再將信號接入電壓比較器以實(shí)現(xiàn)聲光報警功能。信號接入比較器同相端，比較電壓接入反相端，比較電壓依然由穩(wěn)壓管和運(yùn)放電路提供，各根據(jù)需要選擇具體的電阻元件進(jìn)行設(shè)定，比較器輸出端接入蜂鳴器和發(fā)光二極管，當(dāng)U2端輸出電壓大于比較電壓時，U30。此時二極管導(dǎo)通, LED發(fā)光，蜂鳴器工作發(fā)聲，報警過程完成。圖3-6 平均氣溫測量系統(tǒng)電路圖4 仿真 仿真軟件分為仿真語言、仿真程序包和仿真軟件系統(tǒng)三類。其中仿真語言是應(yīng)用最廣泛的仿真軟件。仿真程序包是針對仿真的專門應(yīng)用領(lǐng)域建立起來的程序系統(tǒng)。軟件設(shè)計人員將常用的程序段設(shè)計成通用的子程序模塊，并設(shè)計一個主程序模塊，用于調(diào)用子程序模塊。仿真研究人員使用這種程序包可免