模拟电子技术课程设计平均气温测量系统的设计-毕业设计

1、1综述电子技术是当今科技发展的热点，各先进国家无不把它放在优先的发展的地位。 电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，课程地显著特点之一是它的实践性。 要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析 方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是电子技术教学中 的重要环节。温度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的 工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度的检测与控 制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越來越关注，而空气屮 温度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度的检测就非

2、常有必 要了。木文介绍了利用ad590作为温度传感器，通过温度一电压转换及求和电路，k °c电路，驱动报警电路，放大电路和比较电路实现检测显示三处平均气温功能以 及与给定气温比较并进行声光报警功能。2程序设计框图设计平均气温测量系统,首先使用三个ad590温度传感器分别测量三个不同地点 的气温，使用反相运算电路将传感器传出的三个电流信号求平均值并转化为电压信 号。然后将华氏温度与电压的关系使用k - °c变换电路变为摄氏温度与电压的关系 并将电压信号进行放大。此时用改装过刻度的电压表可直接读岀温度值。此后将放 大后的电压信号接至比较器，经过电压比较后由比较器凤决定是否二极管

3、以及报警 器是否工作，从而实现声光报警的功能。其程序设计框图2-1如下：图2-1平均气温测量系统的程序设计框图3电路原理设计及计算3.1温度传感器的选取：3.1.1 ad590温度传感器简介本文采用ad590作为温度传感器。ad590是美国analog devices公司的单片集 成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4v至30v电源电压范围内， 该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1m/k。片内薄膜电阻经过激 光调整，可用于校准器件，使该器件在29& 2k (25° c)时输出29& 2 aa电流。 ad590适用于150。c以下、目前采用传统电

4、气温度传感器的任何温度检测应用。低 成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种 很有吸引力的备选方案。应用ad590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻 测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、 流速测量、液位检测以及风速测定等。ad590可以裸片形式提供，适合受保护环境 下的混合电路和快速温度测量。ad590特别适合远程检测应用。它提供高阻抗 电流输出，对长线路上的压降不 敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。这种输 出特性还便于ad590实现多路复用:输出电流可以通过一个cmo

5、s多路复用器切换, 或者电源电压可以通过一个逻辑门输岀切换。3.1.2 ad590温度传感器主要特性(1) 流过器件的电流(ua)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：ir=1t式屮，ir流过器件(ad590)的电流，单位为pa； t热力学温度，单位为k；(2) ad590 的测温范围为-55°c+150°c；(3) ad590的电源电压范围为430 v,可以承受44 v正向电压和20 v反向电压, 因而器件即使反接也不会被损坏；(4) 输出电阻为710 mq；(5) 精度高,ad590在- 55°c+-150°c范围内,非线性误差仅为土03

6、76;c。3.1.3 ad590温度传感器的使用方法ad590的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度(-273°c)为基准，每增加1°c,它会增加lua输出电流，因此在室温25°c时，其输出电流lout = (273 + 25) = 298"v7cc图3-1 ad590的使用注意事项：(1) 必的值为人乘上10k,以室温25°c而言，输出值为10x298m = 2.98v(2) 测量必时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。(3) 根据本题实际需要，要在4080°c范围内用05v之间电压表示，所以将电阻换成42k 电阻，使得

7、电压随温度变化值为42mv/°c o3. 2求和运算电路的设计3.2.1集成运算放大器的选择本文采用ua741作为集成运算放大器。ua741运算放犬器，美国仙童公司 (fairchild)发明，是世界上第一块集成运算放大器，在上世纪60年代后期广泛 流行，直到今天卩a741运放仍是电子学科中讲解运放原理的典型元器件。ua741 是高性能、内补偿运算放大器，功耗低，无需外部频率补偿，具有短路保护和失调 电压调零能力，使用屮不会出现闩锁现彖，可用作积分器、求和放大器及普通反馈 放大器。3. 2. 2求和运算电路的设计三只温度传感器ad590的感应电流信号输出后，需要将其接入同相求和运算电

8、路 进行电流的求和和取平均值。同相求和运算电路的多个输入信号均作用于集成运放 的同相输入端，如图3-2所示。节点p的电流方程为ii + i2 + i3 = ifw1i - up ll2 - lip wl3 - lip up ifri r2 r3rp = rll r2iir3ii rwrn = rhrf 使rn = rp时,llw u2 uyu.=取 ri = r? = rs = 30q, r = 10q, rf = rio = 10q即可得到三个传感器的电压平均值。图32同相求和运算电路3.3 k-c变换器电路的设计2.3. 1 k-c变换减法电路将三个点的温度信号取平均值并转化为电压信号后，

9、仍不能直接测量，还需将绝 对温度转换为摄氏度，即实现k-c变换。并需要在-40-80 °c内用05v表示， 可将40°c设为比较点，及绝对温度233°c：t 二 t + 273kuo = 42mv /°cxt-233x 0.042v/ °c = 42/ti v xt-9.717该变换可用一个差分式减法器实现，如图3-3所示：及解得:u2 = (r2 + 7?4r2)(r3r + r3图33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:uref-u u-uir2r4u'u _ ur r3所以，只要选取合适的

10、凡值，便可满足所需要求。如取r4/r2二r3/r1, 则有下式：u2 =r3r4r2urefu2 =r4r2(u-uref3. 3. 2温度的显示及读取取 /?, = /?2 = /?3 = /?4 = 10q,此时有：u = ui-uf由上式可知温度与电压z间的关系：u = 0.042v / °c将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值，如:若三只ad590温度感应 器的平均测量结果为20°c,测可读得电压表的值为0. 84vo设计要求测温范围为 -4080 °c,则电压显示范围为05v。将电压表示数与温度一一对应，即可通过 电压示数得知温度。3.4比较器

11、电路的设计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3-41 (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加在反和的输入端。(a)(b)图3-41电压比较器原理原理图图3-41（b）所示为其传输特性。当ukur吋，运放输出高电平，稳压管dz反向 稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压uz,即uo=uz。当ui>ur时, 运放输出低电平，

12、dz正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降ud,即uo=-ud0 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。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3-42由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压也经分压器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:若 r1 二r2, r3二rf,则:rf/r1为放大器的增益。当rl=r2=0（相当于rl、r2短 路），r3二rf二相当于

13、 r3、rf开路）时，vout二8。增益成为无穷大，其电路图就形成图3-43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，利用电压的大小 关系起到报警作用。图 3-43在本实例屮采用图3-44比较器。其屮电阻参数取：r7 = r8 = 10kq, r9 = 1kq, 反相端2接报警吋的温度设定电压，以40°c为例，当报警温度为40°c吋，反相端2应接电压为0.042v/ °c x(273+ 40

14、) = 13.049。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3-44电压比较器电路3. 5声光报警装置的设计3.5.1 led发光二极管的选用a. 简介led发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为led。 发光二极管与普通二极管一样是由一个叮结组成，也具有单向导电性。当给发光二 极管加上正向电压后，从p区注入到n区的空穴和由n区注入到p区的电子，在pn 结附近数微米内分别与n区的电子和p区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同 的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能 量多

15、少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光 或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串 联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻r可用下式计算：eufr=式中e为电源电压，uf为led的正向压降，if为led的一般工作电流b. 光源特点：(1) 电压:led使用低压电源，供电电压在直流3-24v之间，根据产品不同而界，也 有少数dc36v、dc40v等，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:体积很小，每个单元led小片是3-5nini的正

16、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) 环境污染:无有害金属汞(7) 颜色:发光二极管方便地通过化学修饰方法,调整材料的能带结构和禁带宽度, 实现红黄绿蓝橙多色发光。红光管工作电压较小，颜色不同的红、橙、黄、绿、蓝 的发光二极管的工作电压依次升高。(8) 价格:led的价格越来越平民化，因led省电的特性，也许不久的将来，人们 都会把白炽灯换成led灯。我国部分城市公路、学校、厂区等场所已换装完led路 灯、节能灯等。c. led的优点：(1) 体积小:

17、led基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的 小，非常的轻。(2) 耗电量低:led耗电相当低，一般来说led的工作电压是2-3. 6v。工作电流是 0. 02-0. 03ao这就是说：它消耗的电不超过0.1w。(3) 使用寿命长:在恰当的电流和电压下，led的使用寿命可达10万小时。(4) 高亮度、低热量:led使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。(5) 环保:led是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时led也 可以回收再利用。(6) 坚固耐用：led是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。 灯体内也没有松动的部分，这些特点使得led

18、可以说是不易损坏的。d. 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。3. 5. 2蜂鸣器的选用本文中选用有缘蜂鸣器作为声音报警装置。a. 简介蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、 打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产甜 屮作发声器件。;蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器 在电路中用字母“h”或“ha”表示。b. 结构原理1 压电式蜂鸣器：压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及 共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有

19、发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515v直流工作电压）， 多谐振荡器起振，输出1. 52. 5rhz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 压电蜂鸣片由鉛钛酸铅或梶镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极, 经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。2.电磁式蜂鸣器：电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等 组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。 振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。c. 有源蜂鸣器与无源蜂鸣器区别：有源蜂鸣器其内部带有振荡器，接通一个大约5v的直流电源就

20、可以鸣响。无源蜂 鸣器仅仅是一个谐振腔和一片压电振荡膜片，需要外接振荡器。无源蜂鸣器可以使 用两个与非门或者非门电路驱动。d. 报警分析：当加与u2端的电压大于设定温度uef时，血有了正向输出，有源蜂鸣器导通, 发光，报警完成。3. 6平均气温测量系统的总体工作过程将上述器件加以组合得到图2-6所示：平均气温测量系统工作过程：将ad590置于三个不同的地点，ad590会产生三个感应 电流，将三个感应电流转化为感应电压并接入同相求和运算电路，既可求得三个电 压信号的平均值。之后再将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（将绝对温度减去273）o于是在电压跟随器后接一个差分减法器以

21、达目的，即 减去一个971v的电压。可以利用稳压管和运放电路来提供所需要的9. 71v电压。如 图3-6所示。取ri二500kq, d1的稳压uadi为2v。运放f2与r5, r6组成同向放大器。 由虚断，虚短可得：uref 二(1+ _ ) uadikb所以,可以取 r6=38 55kq,r5=10kq,此时 uref二9. 71v。之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求得的电压接至差分减法器的两端。在减 法器作用z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。例如传感器测得温度为25°c时，电压表显示2.71v,电压表05v对应-40°c 80

22、°c,改装电压表显示表盘即可读出温度。最后再将信号接入电压比较器以实现声光报警功能。信号接入比较器同相端，比较 电压接入反相端，比较电压依然由稳压管和运放电路提供，齐根据需要选择具体的 电阻元件进行设定，比较器输岀端接入蜂鸣器和发光二极管，当u2端输岀电压大于 比较电压时，u3<0o此时二极管截止，蜂鸣器不工作。当u2端输出电压小于比较电 压时，u3>0o此时二极管导通，led发光，蜂鸣器工作发声，报警过程完成。+ 12v图36平均气温测量系统电路图4仿真仿真软件分为仿真语言、仿真程序包和仿真软件系统三类。其中仿真语言是应 用最广泛的仿真软件。仿真程序包是针对仿真的专门应用领域建立起来的程序系统。