模电课程设计-一个温度监测与报警电路

模拟电路基础课程设一、 设计题目在醋和酒等的酿造生产中必须对发酵过程的温度进行检测与控制。本项目的目标是设计一个温度监测与报警电路。用电桥式温度传感器对温度进行检测用数字电压表（数字万用表）显示温度值用发光二极管显示报警信息二、 已知条件与设计要求已知条件：温度为25时，所有电阻的阻值为400温度每上升1，Rt的阻值下降0.01 数字电压表：2V满量程，3位半 发光二极管：正常发光时正向电流为2-10mA 整个系统采用12V直流稳压电源供电 设计要求： 流过温度传感器中各电阻的电流不得超过2mA 温度为0时，数字电压表的指示为0.000V 温度为100时，数字电压表的指示为1.000V 温度低于30或高于40时，点亮发光二极管报警 温度监测与报警误差2三、 分析由已知条件可以求出Rt与T应该满足的关系是Rt=-0.01T+400.25，再由设计要求可知，该项目要求的温度变化范围在0到100之间，那么根据上述的式子推出，当温度变化100时，Rt 只变化1。而在Multisim软件中找不到热敏电阻，因此根据以上的计算结果，将Rt变为一个399.25电阻和一个1的滑动变阻器的串联，通过改变滑动变阻器的阻值来模拟外界温度变化导致的Rt的阻值的变化。为防止电流不超过2mA，设想在电桥式温度传感器与直流电源间串联一个合适的电阻来限流。经过计算，串联的电阻阻值至少为2.6k。再由设计要求可知，为发光二极管提供电压输入的位置应当使用窗口比较器，当数字电压表的示数小于0.3V或高于0.4V时输出高电平使发光二极管导通报警。四、 给出方案1、 电桥式温度传感器由之前的分析直接给出电桥式温度传感器电路如下图所示：根据设计要求，为保证流过温度传感器中各电阻的电流不超过2mA，在此选择的限流电阻为3.2k，同时采用了12V的VCC给传感器电桥供电，1的滑动变阻器正好模拟外界温度变化引起的Rt的阻值的变化。2和5引出两根导线为后级的温度显示电路提供差模输入电压。2、 温度显示电路针对上一步设置的电桥式温度传感器电路，万用表接在节点2和节点5之间检测其差模电压：当0时，差模电压为-208.297uV；当100时，差模电压为625.325uV，如下图所示：因此，要想在输出端达到0时，数字电压表指示为0.000V；100时，数字电压表指示为1.000V，且25时所有的电阻都为400，就要对该差模输入电压进行放大，并添加一个直流偏移量以抵消负电压值。设需要的放大倍数为A，需要的直流偏移为U，可列方程：-208.297*10-6A+U=0，625.325*10-6A+U=1，联立解得A1200，U0.25V。因此需要选用的运放应具有1200倍的放大倍数，并添加直流偏量0.25V。为了避免运放电路的输入电阻对前一级的电桥电路产生影响，参考教材284页，选择高输入电阻的差分比例运算电路来对差模输入电压进行放大，并根据公式算出了所需要的各电阻阻值分别为100和120k。通过在电子技术基础实验课上的学习，采用OP07CP集成运放来设计电路，于是，该部分的电路为如下所示：3、 用发光二极管显示报警信息的电路经过查阅资料，LM358N型号的集成运放适合用于搭建窗口电压比较器，同时，在该部分电路中，选用1N4148型号的二极管。而该窗口比较器的输入电压将是上一级电路的输出电压，由之前的分析可知，当数字电压表的示数低于0.3V或高于0.4V时输出高电平使发光二极管导通报警，即该窗口比较器的URH=0.4V,URL=0.3V。最后由已知条件知道发光二极管发光时正向电流为2-10mA，于是在窗口比较器的输出端串联了一个限流电阻，经过反复仿真测试，选择了一个1.5k的电阻，并将发光二极管的通态电流设置为5mA。该电路如下图所示：4、 全部电路：五、 仿真检测与分析（根据设计要求来进行）首先检测流过温度传感器中各电阻的电流是否超过2mA，1、 具体仿真结果如下所示：由以上三图可以看出，当温度从0变化到100时，即温敏电阻Rt从400.25变化到399.25的过程中，电流始终小于2mA。2、 温度为0时，数字电压表的指示是否为0.000V？具体仿真结果如下：由上图知，当温度为0时，即Rt为400.25时，电压表数值为2.587mV，与理论上的0.000V有偏差。而根据设计要求中的温度监测与报警误差2一项可知，电压表示数误差应该小于20mV，由此看来，该示数在误差范围内。3、 温度为100时，数字电压表示数是否为1.000V？具体仿真结果如下图所示：由上图可知，当温度为100，即Rt为399.25时，电压表的示数为1.001V，与理论上的1.000V相差1mV，同样满足误差小于20mV的指标。4、 当温度低于30或高于40时，发光二极管是否处于报警状态？具体仿真结果如下几张图所示（注意观测察左下角滑动变阻器示数以及右下角发光二极管状态）：0时，发光二极管亮红灯正在报29时，发光二极管亮红灯正在报警：30时，发光二极管未亮灯，没有报警：39时，发光二极管未亮灯，没有报警：41时，发光二极管亮红灯正在报警：100时，发光二极管亮红灯正在报警：检测发光二极管的电流：由以上7张图可以很明确清晰地看出，当温度低于30或高于40时，发光二极管是处于发光报警状态的，而在30到40之间，发光二极管不会发光报警，且当发光二极管发光报警时，通过其的电流为5.50mA。满足设计要求，故本项也达标。5、 温度监测与报警误差是否小于2？根据前面的仿真结果可知，该系统的误差是满足设计要求的。 六、 设计总结首先，达到了所有的设计要求：流过温度传感器中各电阻的电流不得超过2mA，实际为1.67mA。温度为0时，数字电压表的指示为0.000V，实际为2.038mV。温度为100时，数字电压表的指示为1.000V，实际为1.001V。温度低于30或高于40时，点亮发光二极管报警。温度监测与报警误差2。这次课程设计，我的思路是先根据项目简介将问题分为3部分。第一部分为电桥式温度传感器的设计，除已知条件外，关键在于温敏电阻Rt的设计，一开始想过直接连接一个温敏电阻记为Rt，但后来发现仿真软件上并没有温敏电阻，又因为条件要求精度比较高，而大阻值滑动变阻器精度不高，且阻值变化范围不大。因此选择了用一个399.25的电阻与一个1的滑动变阻器串联来代替。第二部分电路为放大电路，这就要回归到书本内容，为减小误差，该课程设计中使用高输入电阻的差分比例运算电路比较合适，而同时运放选择了熟悉的OP07集成运放，最终比较成功地实现了设计要求。第三部分为报警电路部分，根据设计的要求想到使用窗口电压比较器，运放的选用经上网查阅资料，适合做窗口比较器的运放主要有LM324、LM358、OP27等。在此选用LM324型运放。而二极管选用常见的1N4009。输出电压不高，因此直接接了一个1.2k的电阻进行限流来保证发光二极管的正常工作。总而言之，理论与实践操作差距很大，设计过程中有些内容理论并不难，但实际设计电路的过程比较艰难。因此以后要多投身实际设计操作当中，为以后学习更深乳的学习打下良好的基础。七、设计细节l 元件清单（元件及数量）：OP07CD集成运放*2LM3