溫度檢測顯示器設計仿真及實現

1、武漢理工大學模擬電子電路課程設計報告課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 指導教師： 工作單位： 題 目: 溫度檢測顯示器設計仿真與實現 初始條件： 可選元件：集成運算放大器、電阻、電位器、電容若干，三極管等，或自選元器件?？捎脙x器：示波器，萬用表，函數發(fā)生器要求完成的主要任務: （1）設計任務 根據初始條件，完成溫度檢測顯示器電路的設計、仿真、裝配與調試，并自制直流穩(wěn)壓電源。（2）設計要求 檢測區(qū)間為四段：A. 溫度020C，B. 溫度2030C,C.溫度3040C， D. 溫度40C，采用LED四段顯示；測量誤差：2 C；標準檢測點為：0C，19C，29C，39C。 選擇電路方案，完成對確

2、定方案電路的設計。 利用Proteus或Multisim仿真設計電路原理圖，確定電路元件參數、掌握電路工作原理并仿真實現系統(tǒng)功能。 安裝調試并按規(guī)范要求格式完成課程設計報告書。 選做：利用仿真軟件的PCB設計功能進行PCB設計。時間安排：1、 前半周，完成仿真設計調試；并制作實物。 2、 后半周，硬件調試，撰寫、提交課程設計報告，進行驗收和答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日摘要溫度檢測在我們生活中是到處都要用到的，各種自動溫控裝置都包含著溫度檢測這一 知識，而且，溫度檢測控制也是很重要的，例如熱水器水溫自動檢測控制系統(tǒng)，等等一些生活中的小事都離不開溫度的檢測

3、。因此，檢測溫度將是一項很重要的工作。在我們日常生活中，用到電子產品的地方簡直多不勝數，每一件電子產品都涉及了很多的模擬電路知識，因此模擬電路知識也是很重要的。本次的課程設計便要通過所學的模擬電路知識運用運算放大器和熱敏電阻來實現簡單的溫度檢測，并利用發(fā)光二級管來顯示不同區(qū)段的溫度，制成一簡易的溫度檢測顯示裝置。關鍵詞：溫度；檢測；模擬電路AbstractTemperature detection in our life is everywhere to use of, all kinds of automatic temperature control device includes the

4、 knowledge of temperature detection, and temperature detection and control is very important of, little things such as the water heater temperature automatic detection control system, and so on some of life is inseparable from the temperature detection. Therefore, the detection of temperature will b

5、e a very important work. In our daily life, the use of electronic products is almost countless, each electronic products are involved in a lot of analog circuit knowledge, so analog circuit knowledge is also very important. The curriculum design to the analog circuit knowledge through the use of ope

6、rational amplifier and a thermistor to detect temperature in simple, and the light emitting diode to display the temperature of different sections, made a simple temperature detection display device.Key words：Temperature; detection; analog circuit目 錄1.引言12.設計思路分析23.電路結構設計33.1系統(tǒng)結構圖33.2電阻的設計33.2.1 NTC

7、熱敏電阻特性33.2.2 惠斯通電橋電路43.2.3 各電阻阻值的確定53.2.4 限流電阻的選定53.3電容的設計63.4電源的設計64.電路的仿真與調試84.1電路原理及仿真圖84.2電路焊接完成實物圖104.3電路實物調試115.設計成果評價146.有關設計感想15附錄一17附錄二181.引言隨著當今社會科技不斷發(fā)展，人類的生產生活已經離不開電，電子產品隨處可見，大到航空航天，小到一個小小的發(fā)光二極管，都凝聚著無數前人的智慧。本實驗要求設計一個可以檢查溫度區(qū)間的簡單電路，我們便想到了用電壓比較器比較電壓信號輸出來使發(fā)光二極管發(fā)光，從而來區(qū)分不同溫度等級。大體的設計思路就是這樣。這個電路比

8、較簡單。運用惠斯通電橋原理，首先是幾組電阻跟溫敏電阻通過分壓實現電位比較，把比較的兩種電位輸給運算放大器的兩輸入端子，再通過放大器放大信號輸送給發(fā)光二級管。放大器我們選擇了LM324運算放大器，因為該型號市場上比較常見，而且輸出穩(wěn)定，選用它是比較合適的。在最后進行實物焊接之前用Multisim軟件進行仿真。2.設計思路分析這次課程設計要求設計一個可以檢查溫度區(qū)間的簡單電路，我們便想到了用電壓比較器比較電壓信號輸出來使發(fā)光二極管發(fā)光，從而來區(qū)分不同溫度等級。大體的設計思路就是這樣。運用惠斯通電橋原理，首先是幾組電阻跟溫敏電阻通過分壓實現電位比較，根據公式，將0C，19C，29C，39C下溫敏電阻

9、的阻值計算出來，計算出比例系數，進而反推出四組電阻的具體的值，將這四組阻值的電壓和溫敏電路那條之路的電壓分別輸給運算放大器的兩輸入端，通過比較，若溫度達標則運放輸出高電平（LED燈亮），反之則輸出低電平（LED燈滅）。由分析可知若想完成要求，至少需要四個運算放大器，所以經過討論，我們決定采用LM324，因為該芯片比較常見，恰好有四組放大器且工作狀態(tài)穩(wěn)定。3.電路結構設計3.1系統(tǒng)結構圖根據題目要求，本電路主要由溫度-電壓轉換部分、監(jiān)測點可調基準電位部分、電壓比較部分及LED四段顯示部分組成，如圖1所示。溫度電壓轉換電路電壓比較器 LED顯示監(jiān)測點可調基準點位圖1 系統(tǒng)結構框圖3.2電阻的設計3

10、.2.1 NTC熱敏電阻特性圖2 NTC熱敏電阻特性圖（1）Rt是熱敏電阻在T1溫度下的阻值；（2）R是熱敏電阻在T2常溫下的標稱阻值；（3）B值是熱敏電阻的重要參數；（4）這里T1和T2指的是K度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度； 比如 NTC熱敏電阻 10K （型號：MF52AT） 5精度 B值：3950 1 10就是25度的溫度。3.2.2 惠斯通電橋電路圖4圖3四個電阻R0、R1、R2、RT連成四邊形，稱為電橋的四個臂。四邊形的一個對角線連有檢流計，稱為“橋”；四邊形的另一對角線接上電源，稱為電橋的“電源對角線”。 電源接通時，電橋線路中各支路均有電流通過。當C、D

11、兩點之間的電位不相等時，橋路中的電流，檢流計的指針發(fā)生偏轉；當C、D兩點之間的電位相等時，橋路中的電流，檢流計指針指零（檢流計的零點在刻度盤的中間），這時我們稱電橋處于平衡狀態(tài),如圖3。因此電橋處于平衡狀態(tài)時有： 此式說明，電橋平衡時，電橋相對臂電阻的乘積相等。這就是電橋的平衡條件。所以 同理可得這四組電橋平衡的條件為（如圖4） （RT1,RT2,RT3,RT4分別為溫敏電阻在溫度T1,T2,T3,T4下的阻值）。3.2.3 各電阻阻值的確定題目中要求的監(jiān)測溫度區(qū)間為0、19、29、39，查表可得其對應的熱敏電阻阻值為33.62KW、13.13KW、8.39KW、5.52KW，對應電阻比值依次

12、為：1.39、3.58、5.60、8.51。如表3.1所示。表3.1 分壓電阻比值T/Rt/k分壓電阻比值033.6206031.3979521913.1270173.580402298.39131445.601029395.52008218.514366由上表可計算出個電阻阻值如表3.2所示表3.2 各電阻阻值對應表T/Rt/k分壓電阻比分壓電阻1/KW分壓電阻2/KW調零電阻W033.620601.39795221430.61913.127013.5804024.71312.7298.3913145.6010296.81214.1395.5200828.514366101174.4分壓電阻

13、1的電阻比較常見，但是由于分壓電阻2是后面計算出來的，沒有辦法找到剛好與之相對應的阻值的電阻，所以我們就將R后拆分成1KW串聯(lián)上一個電位器。這樣做有一個好處，就是不僅解決了電阻找不到的問題，還方便了后面電路的調試等。3.2.4 限流電阻的選定由于電源電壓VCC為5V，發(fā)光二極管的功率為： 其中R為限流電阻，VL為發(fā)光二極管正向偏壓，此時流過發(fā)光二極管的電流為： IL一般為210mA, VL在1.532.03V內，同時考慮到LED燈的明暗程度，代入后取R近似值1KW。3.3電容的設計查閱資料發(fā)現，當溫度在臨界溫度變化緩慢時，運算放大器的兩個輸入端電壓近似相等，此時從熱敏電阻探頭串入的噪聲會引起運

14、放產生自激振蕩。為抑制電路中的噪聲，我們在運放的反向輸入端（即熱敏電阻電壓輸出端）并聯(lián)一10uF的電容。并聯(lián)電容后測試，發(fā)現自激振蕩明顯減弱，故采用電容濾波的方案。3.4電源的設計綜合考慮LM324和整個電路的的特性，我們決定設計一個5V的電壓源。同時結合上次模電實驗所做的直流可調穩(wěn)壓源，所以我們采用以下設計：變壓部分：采用15:1變壓器。整流部分：采用一個整流橋進行全波整流。濾波部分：采用10uf電容穩(wěn)定電壓，減小脈動。穩(wěn)壓部分：前級采用LM1085-ADJ電壓可調，后級采用一個LM1085-5V進行5V穩(wěn)定輸出。圖5 電壓源仿真圖如下圖為電源設計的仿真圖，PCB圖和實物圖。圖7 電壓源實物

15、圖一圖6 電壓源PCB圖圖8 電壓源實物圖二4.電路的仿真與調試4.1電路原理及仿真圖由于熱敏電阻在Multisum的元件庫里沒有找到，于是我們就用一個普通的電阻替換上去，通過改變這個電阻的阻值進而模擬出熱敏電阻在溫度不同時阻值的變化，測試電路的性能。圖10 完整電路PCB圖 圖9 完整電路仿真圖圖14 39以上圖 11 0到19圖 12 19到29以上圖811是各個溫度區(qū)間的仿真圖，采用的是模擬溫敏電阻在測試點0，19，29，39左右時電阻的變化，同時觀察四個圖 13 29到39LED燈的亮滅情況，并以此判斷理論上計算得出的阻值能否是電路正常工作。由以上四張圖可知，電路的仿真性能表現良好，各

16、個區(qū)間溫度段顯示的小燈數正確?？梢灾譁蕚鋵嵨锏暮附庸ぷ?。4.2電路焊接完成實物圖1，正面布局圖2，背面焊接圖4.3電路實物調試由于室外溫度沒法達到零度以下，所以我們只測試了0以上的溫度感應，其中，我們使用DS18B20溫度傳感器實時監(jiān)測溫度并將溫度顯示在1602上。如圖14所示，當溫度在19以下時，只亮了一個燈（圓圈處）。當我們同時用手握住溫敏電阻和DS18B20，當溫度上升到19以上，板子上第二個燈也亮了，如圖12（圓圈處）。當我們用手緊緊握住熱敏電阻時，由于人體正常的體溫為37，而手上的溫度可以達到29 以上，所以如圖16所示，有三個LED燈亮了。至于39以上，我們用一個瓶子裝上剛從樓下

17、打上來的開水，讓DS18B20和溫敏電阻同時接觸水瓶的外表面，如圖17，39以下三個燈亮，39以上燈全部燈都亮了。5.設計成果評價這次課程設計我們小組的課題是“溫度檢測顯示器設計仿真與實現”我們采用的是基于LM324對四個區(qū)間段分別進行電壓信號比較輸出。優(yōu)點：1.電路結構比較簡單。2.能夠較為準確的檢測溫度區(qū)間。3.信息直觀的顯示出來。4.電路的元件常見。5.成本低廉，易于實現。缺點：1. 精度不夠。2. 無法顯示準確的溫度。改進方案：方案一：對電路進行改造升級，盡可能的減小熱敏電阻自身的誤差對這個電路帶來的影響。有條件的情況下，盡可能的提升元件的精度。方案二：對整個電路進行重新設計，將溫敏電

18、阻換成DS18B20溫度傳感器，并將信號輸入單片機，單片機處理后即可實現對溫度的精確監(jiān)控。6.有關設計感想通過這次課程設計，讓我對書本上的知識有了更加深刻的了解，從開始的丈二摸不著頭腦到后來思路的逐漸形成，期間我們小組經過了許多次激烈的討論，不斷上網搜尋各種相關的資料和請教別的同學，最終定下這個方案。經過這些天，小組成員們的一起努力，最終完成這個課程設計，總的來說，學到了許多書本上沒有的知識，更重要的學到了處理問題的方式方法。面對擺在眼前的問題，學會去收集資料，并對它們進行歸納整理，一步一步的去克服?？梢哉f這對我們將來出去工作有著重要的影響。同時，這次設計加強了我們獨立思考的能力。一個好的設計

19、需要通過我們不斷的思維，不斷的改善。經過設計之后，我們不像以前那樣，遇到問題都不愿意獨立思考，只會一味的向別人求助?，F在，我們會通過自己的思考，解決我們自己遇到的問題和困難。還有，我們學會不能手高眼低，要踏踏實實，從基礎學起、做起。于是通過學習電路知識做出了滿足要求并且可以顯示溫度的實物，當這個設計并用到我們所學的模擬電子技術基礎的知識。并對我們學習的知識有復習并且實踐的作用，所以我們重新設計電路，運用模擬電子技術完成了此次設計。雖然花了大量的時間在此次課程設計上，但我相信，付出和收獲總是成正比的，只要敢于去嘗試，前方就是希望。在這不長的時間里我感覺自己學到了許多課本之外的知識，讓我學會了什么

20、是團隊合作，體會了團隊精神，讓我懂得了怎么表達自己并且去和別人溝通，同時也將書本上的理論和實際相結合，提高了動手能力，增強了對知識的理解。參考文獻1 吳友宇.模擬電子技術基礎 M.北京：北京清華大學出版社,2000.2 楊素行.模擬電子技術基礎簡明教程 M.北京：北京高等教育出版社,2004.3 馬場清太郎.電源電路設計技巧 M.北京：科學出版社,2013.4 康華光.電子技術基礎 M.北京：北京高等教育出版社,2002. 5 許曉平,程傳勝. PCB設計標準教程 M.北京：北京郵電大學出版社,2001.附錄一NTC熱敏電阻溫度-阻值對照表已知條件B常數3950單位：K創(chuàng)建人：電信1403班

21、日期：2016-1-11R值10傅科學 蘇靜 許應國計算公式：Rt =R*EXP(B*(1/T1-1/T2)說明： 1、Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值； 2、R是熱敏電阻在T2常溫下的標稱阻值； 3、B值是熱敏電阻的重要參數； 4、EXP是e的n次方； 5、這里T1和T2指的是K度即開爾文溫度，K度=273.15(絕對溫度)+攝氏度.溫度T1阻值Rt 溫度T1阻值Rt 溫度T1阻值Rt -40401.8597246230.26603419444.521729802-39373.8102278328.73283552454.34813685-38347.9326135427.28753953

22、464.182234141-37324.0432394525.92456242474.023639149-36301.9752292624.63870768483.871990336-35281.5768335723.42513712493.726945896-34262.7099619822.27934413503.588182582-33245.2488664921.19712914513.455394611-32229.07895931020328292635-31214.09575241119.20803624533.206602774-30200.20390

23、241218.29409964543.090065722-29187.31635371317.42958681552.978435896-28175.35356521416.61152772562.871480647-27164.2428151515.83714766572.768979515-26153.91757351615.10385337582.670723535-25144.31693731714.40922014592.57651458-24135.38511861813.75098001602.486164751-23127.07098411913.12701078612.399

24、4958-22119.32763832012.53532581622.316338585-21112.11204582111.97406473632.236532568-20105.38469022211.44148467642.159925334-1999.109265192310.93595224652.086372143-1893.2523942410.4559361662.015735507-1787.783375512510671.947884793-1682.67395355269.566796425681.882695852-1577.89810758279.1550606186

25、91.820050664-1473.4318624288.763605074701.759837009-1369.25311522298.391314428711.701948155-1265.34147828308.037140687721.646282566-1161.67813566317.700098824731.592743624-1058.24571279327.379262663741.541239367-955.02815759337.073761066751.491682246-852.01063205346.782774379761.443988895-749505531126771.398079905-646.5218034366.241304936781.353879628-544.02604669375.989411673791.311315975-441.68125456385.749206