温度检测显示器

1、附件1：学 号： 课 程 设 计课程名称模拟电子电路题 目温度检测显示器学 院信息工程学院专 业电子信息工程班 级姓 名指导教师刘运苟2015年01月15日武汉理工大学模拟电子电路课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电信1305班指导教师：刘运苟 工作单位： 信息工程学院 题 目: 温度检测显示器 初始条件： 具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、检测区间为四段：A. 温度 B. 温度C.温度 D. 温度

2、，要求对每段作出段位显示2、测量误差 3、标准检测点为： 4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书5、设计电源；6、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。时间安排：1、 2015 年 1 月 11日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。2、 2015 年 1 月12日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。2、 2015 年 1 月 12 日 至 2015 年 1 月13日，方案选择和电路设计。2、 2015 年 1 月 14 日 至 2015 年 1 月 15 日，电路调试和设计说明书撰写。3、 2015 年 1 月 15 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。课设答疑地点：

3、鉴主14楼电子科学与技术实验室。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目录摘 要I1概述12理论分析计算及设计22.1主要器件参数2 2.1.1NTC热敏电阻2 2.1.2LM358芯片22.2理论分析与电路设计3 2.2.1 整体电路分析3 2.2.2温度电阻电压转换电路4 2.2.3标准温度分压电路5 2.2.4电压比较电路5 2.2.5LED区间显示电路73Multisim仿真83.1仿真结果83.2仿真过程及结果分析114实物焊接及调试11 4.1实物焊接11 4.2成品调试125心得与体会15参考文献15附录16武汉理工大学模拟电子电路课程设计说明书摘要

4、本次的课程涉及便要通过所学的模拟电路知识运用运算放大器和热敏电阻来实现简单的温度检测，并利用发光二级管来显示不同区段的温度，制成一简易的温度检测显示装置。可以检测0-20，20-30，30-40，40以上四个区间段的温度并以发光二极管予以显示，不同温度区间，用不同发光二极管指示。能够对区间段灵敏区分，温度误差不超过±2。关键词： 温度检测； 区间显示； 模拟电路abstract This course covers analog circuit may be learned by knowledge operational amplifier and thermistors are

5、used to implement a simple temperature detection, and using leds to display the temperature of different extents, made a simple temperature detection display device. Can detect 0-20 , 20-30 , 30 to 40 and 40 above four interval period of temperature and light emitting diode display, different temper

6、ature range, in a different light emitting diode. To interval period of sensitive to distinguish, the temperature error is not more than plus or minus 2 .Keyword：Temperature detection; Interval display; Analog circuitI 温度检测显示器1. 概述本实验需要利用模拟器件设计一个能够检测温度并对温度进行区间显示的装置。因为有四个区间段并且不需要具体显示度数，我们考虑利用二极管来进行区间

7、区分，通过热敏电阻对电压进行分压在通过电压比较器来驱动二极管亮暗来进行区分。具体思路首先是几组电阻跟温敏电阻通过分压实现电位比较，把比较的两种电位输给运算放大器的两输入端子，再通过放大器放大信号输送给发光二级管。至于放大器的选择我们选择了LM358运算放大器，因为它是一个双运放芯片，差模输入时可以输出电源电压，这样可以通过对电源电压的选择来控制通过二级管的电流，并且这样设计的电路会比较美观空间利用也比较好。设计好电路之后还会进行软件仿真，通过mutilism可以较好地对整体电路效果进行分析与改正，这样更有利于产品的准确性与可行性。 如图1是设计流程图：查找相关资料，特别是相关元器件的具体参数

8、设计电路 仿真 与 修改 电路设计焊接装配图纸，进行实物焊接 成品调试 图1 设计流程图142. 理论分析计算及设计 2.1主要器件参数2.1.1 NTC热敏电阻NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。其主要参数如下：零功率电阻值 RT（）RT指在规定温度 T 时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。电阻值和温度变化的关系式为：RT = RN expB(1/T 1/TN)RT ： 在温度 T （ K ）时的

9、NTC 热敏电阻阻值。RN ： 在额定温度 TN （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。T ： 规定温度（ K ）。B ： NTC 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。 图2 NTC热敏电阻特性曲线exp： 以自然数e 为底的指数（ e = 2.71828 ）。 该关系式是经验公式，只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B 本身也是温度 T 的函数。2.1.2 LM358芯片 LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与

10、电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。它具有如下特性：内部频率补偿直流电压增益高(约100dB)；单位增益频带宽(约1MHz)；电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(±1.5 一±15V)；低功耗电流，适合于电池供电· 低输入偏流；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 图3 LM358引脚图2.2 理论分析计算2.2.1 整体电路分析由于该设计目标是检测四段区间的温度：A.，B.，C.，D.，并对每

11、段作出段位显示，要求测量误差为。标准检测点为： 。则根据起初的设计思路，需要四路输出进行显示，于是使用4个运算放大器和4个二极管及电阻、可调电阻组成。我们查询了相关参数，得到热敏电阻的部分温度阻值对应表，如表1所示：T() R(K)T() R(K)T() R(K)0.0 32.503015.0 15.704928.5 8.58896.5 23.532016.0 14.994429.0 8.40637.0 22.966117.0 14.319829.5 8.22817.5 22.415417.5 13.995430.0 8.05418.0 21.879518.0 13.679230.5 7.88

12、428.5 21.357918.5 13.371034.0 6.80269.0 20.850219.0 13.070538.5 5.65019.5 20.355919.5 12.777739.0 5.5363 表1 NTC热敏电阻部分R/T对照表 型号: mfh103-3950由于multisim中没有热敏电阻，因而我们用一个最大阻值为40K的变阻器来代替热敏电阻，LM358用来放大电流信号以便让发光二级管工作，发光二级管用来显示温度所在区段，根据需要，查出在0、19、29、39时温敏电阻的阻值分别为32.5k、13.1k、8.4k、5.5k，将电路图中R1、R2、R3、R4阻值分别设置为这四

13、个阻值即可，因为从LM358参数中有：在单电源供电情况下，LM358在正极输入大于负极输入时，输出Vout=Vcc-1.5V，负极输入大于正极输入时输出Vout=0，其中VCC为正电源，例如VCC=+5V，在这种条件下，只要使放大器正输入端电位大于负输入端即可让发光二级管发光，当负输入端电位大于正输入端电位时发光二级管无法发光。而根据计算：因此只要满足R1>R10时，第一个发光二级管即可发光，所以可直接取临界条件R1=32.5k因此可以直接取R1=10k、R2=6.8k、R3=4.7k、R4=2.2k即可满足条件。整体电路设计电路图如下： 图4 整体设计电路2.2.2温度电阻电压转换电路

14、热敏电阻阻值与温度的关系：又由分压公式可得：两式联立即可得到电压和温度的关系。 图5 电阻-电压转换部分2.2.3标准温度分压电路由设计电路可知类似的，四组电桥的平衡条件为：其具体电路如图所示： 图6 惠根思电桥 图7 多组惠根思电桥因此，只要选取适当比值的分压电阻R1R8就能满足要求。而题目中要求的监测温度区间为0、19、29、39，查表可得其对应的热敏电阻阻值为33.62k、13.13k、8.39k、5.52k，对应电阻比值依次为：1.69、3.76、5.48、7.83。列成下表如图3-2： 表2 分压电阻对应表2.2.4 电压比较电路在热敏电阻的分压下，通过惠根思电桥电路将标准温度与实时

15、温度以电压的形式引出，在通过电压比较器进行比较进行输出。电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当”+”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”+”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平；可工作在线性工作区和非线性工作区。工作在线性工作区时特点是虚短，虚断；工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断；由于比较器的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运放常工作在非线性区。从电路结构上看，运放常处于开环状态，又是为了使比较器输出状态的转换更加快速，以提高响应速度，

16、一般在电路中接入正反馈。因LM324输出范围为0Vcc-1.5V,考虑到发光二极管电压1.62.1V,，因此电源电压至少3.5V,取三节1.5V干电池作电源电压。后级LED工作电流约15mA,而运放的带负载能力达到9mA,因此选用普通LED（红）串联一个电阻作为后级负载。所以将四个电压比较器的反相端都与热敏电阻的高压端相连取得实时温度下热敏电阻的分压，作为电压比较器的比较标准。四个比较器的同相端分别与四路标准分压电路的分压电平相接，分压电平取固定值。这样随着温度的升高，热敏电阻阻值降低，分压降低，则电压比较器的标准电压降低，当标准电压低于每路设置的固定电压时，运算放大器可以进行输出。 图8 电

17、压比较电路与标准电压的设置2.2.5 LED区间显示电路 温度检测的显示功能我们拟用发光二极管进行实现。发光二极管简称为LED。由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN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

18、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大于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二极管的电流。限流电阻R可用下式计算：由于电源电压Vcc为3.5V，发光二极管的功率为：其中R为限流电阻，LV为发光二极管正向偏压，此时流过发光二极管的电流为:I一般为210mA,LV在1.632.03V内，代入后取R近似值200。 图9 LED区间显示电路3.Multisim仿真 电路设计好以后便要进行软件仿真，在众多的仿真软件中，优先选择Multisim

19、， Multisim是根据Pspice而设计的，通过Multisim和虚拟仪器技术，就可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原形设计和测试这样一个完整的设计流程。它具有直观的图形界面、丰富的元器件、强大的仿真能力、丰富的测试仪器、完备的分析手段、独特的射频模块、强大的MCU模块、完善的后处理、详细的报告、兼容性好，而且它很实用，比其他仿真软件功能强大，操作更简单，在仿真时只需要在multisim中新建文件并按照设计的电路连接好电路图，设置好各元件参数后启动multisim仿真，观察仿真结果。 连续调节可调电阻阻值模拟温度变化，然后再观察测量四个所需温度点的结果，即把可调电阻阻值分别调到10k、6

20、.8k、4.7k、2.2k，观察发光二级管的亮灭情况并分别测量流过发光二级管的电流值。再根据仿真情况适当修改参数，使电路仿真结果达到最佳状态。3.1仿真结果 图10 仿真电路与所测对象 图11 0时第一个LED点亮 图12 20时第二个LED点亮 图13 30时第三个LED点亮 图14 40时第四个LED点亮3.2 仿真结果分析在multisim中连接好电路并启动仿真后，依次调节可调电阻的阻值，使其刚好为热敏电阻在0、20、30、40时候的阻值。查表可知，查表可得0、20、30、40时对应的热敏电阻阻值为33.62k、13.13k、8.39k、5.52k，所以将等效的变阻器分别调到40%，30

21、%，20%，13%，由上面的仿真结果图可以发现，当滑动变阻器调整正确时，LED都能正常亮起，同时观察第一个万用表的电压示数与相应的检测电路分压大致相同，可见检测部分的电路理论正确可以执行。观察四路比较器的输出电路的探针所示的电流也都在10mA以下，电压都为3.5V，也证明了比较、输出部分的正确。综上，该电路设计在误差范围内正确，可以进行实物焊接，具体调试可以在焊接成品之后再进行。4. 实物焊接及调试4.1实物焊接根据电路图进行实物装配，由于四路监测四路输出，而运放芯片是双运放芯片，所以考虑将芯片放在两路检测电路之间上下连接，这样在节省空间的同时可以做到装配图的完全对称，甚至背面的罕见线路也是对

22、称的，较为美观。装配图与连线图如下： 图15 实物正面装配图 图16 实物反面连线图4.2成品调试成品的热敏电阻处我们使用的是用两孔排针通过杜邦线接热敏电阻的方式，这样还可以把热敏电阻与板子分离更好地使用，同时也能更好的方便我们进行测试。焊好实物后，我们先进行了最初的功能实现测试，通过短接、断开热敏电阻所连排针，可以先大致的测试出分压最大与最小的情况是否能四灯全亮与四灯全灭，满足该情况则说明电路连接无误，可以进行接下来的测试。确定电路连接无误后，我们通过一个烧了温度检测程序的单片机连接一个DS18B20和设计电路板的热敏电阻一起放到一杯水中，通过添加热水，调节滑动变阻器进行温度测量的校准。进行四段温度校准后该设计也就成功了，下面是最后的测试效果图： 图17 0-19范围内一温度的检测效果 图18 19检测点检测效果图 图18 19检测点检测效果图 图19 29检测点检测效果图图20 39检测点检测效果图 图21 40以上温度检测效果图5.心得与体会在拿到这个题目之后，其实我们的第一反应是用单片机和DS18B20模块进行温