温度报警器--模拟电子技术课程设计

温度报警器--模拟电子技术课程设计内容摘要：

4 3 温度报警器电路的设计 总电路 框图及原理分析 总电路框图如图 3所示 ，其原理是 将 AD590 暴露在空气中，将会产生相应大小的电流，电流经过一个电阻，在该电阻两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。 然而经过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。 于是在电压跟随器后接求差电路，即减去一个 的电压再放大 10 倍。 利用稳压管和电位器电路来提供所需要的 电压。 在放大器作用之后， 将 获得电压与温度的直接关系。 在 U2输出端测量电压，即可读的温度值。 比如室温为 28℃ ，则电压表的示数为 3V。 完成了电压的读取，还需进行电压比较达到报警的目的。 设计所要求的报警温度为 50℃ ，故比较电压为 5V。 调节电位器调至所需报警温度 5V。 当输出电压 为低电平 ，二极管截止， LED 不亮，蜂鸣器不工作。 当输出电压 为 高电平 ，二极管导通 , LED 发光，蜂鸣器工作，报警过程完成。 图 3 总 电路框图 5 单元电路的原理及元器件参数计算与选择 温度测量电路设计 采用的是 AD590 和电阻组成的温度测量电路。 AD590 是一个将输出电流比例转换成绝对温度的二终端集成电路温度变换装置， 是一种已经 IC 化的温度感测器，它会将温度转换为电流。 相关参数见表 1，其主要特性如下： (1)温度每增加 1℃，其电流会增加 1μ A， 不需要外围温度补偿和线性处理电路，便于安装调试。 (2)可测温范围 55℃至 +150℃。 (3)供电电压范围 4V 至 30V， 电源电压可在 4V～ 6V 范围变化，电流变化 1mA，相当于温度变化 1K。 (4)可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 表 1 AD590 参数表 项目 工作电压 (V) 工作温度 (℃ ) 正向电压 (V) 反向电压 (V) 焊接温度 (V) 灵敏度 (μA／ K) AD590 4～ 30 － 55～＋ ＋ 44 － 20 300 1 AD590 输出阻抗达 10KΩ，转换当量为 1μ A/K。 温度 — 电压转换电路。 如图 3所示： 图 3 温度 — 电压转换电路 温度 — 电压转换分析：如图 2所示，当将 AD590 暴露于空气中时，根据室温将提供相应的恒流。 由于在 U0输出端接入电压跟随器，缓冲输入阻抗，电流几乎全部流经电阻 R0. 由 AD590 转换当量可知： 6 𝑈1 = 𝑈0 = 𝑇 ∗𝑅 (1) 上式中， U1是 AD590 所产生的恒流， U0是输出端电压， T是绝对温度， R0 是 10K的电阻。 其中，绝对温度 (T)与摄氏度 (t)之间的关系为： T = t+ 273k (2) 在实际应用中可取 R=10KΩ ， AD590 的摄氏度 (t)与电压 (U1)的转换的关系为： 𝑈1 = （ 𝑡 +）（ 𝑉） (3) 单元电路元器件选用参数说明： 0R ==10（便于计算）。 在该电路中，利用了 UA741 作为电压跟随器。 电压跟随器的特性如下： 隔离缓冲。 电压跟随（保持输出信号极性不变）。 电压放大倍数为一倍，只是改善输出量的输出质量，不改变输出值。 隔离缓冲作用确保了 AD590 输出的电压值稳定。 KT转换减法电路设计 实现温度 — 电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现 K— T变换。 这里运用到电位器与稳压管提供 的电压。 其电路图如图 4 所示： 图 4 KT 转换减法电路 7 利用减法电路要实现 K— T变换，必有： Uo = (𝑡+)− (V) (4) 上式中， U4是经过减法电路的输出电压。 单元电路元器件选用参数说明： 为了实现 KT的转换，原理是通过减法电路实现，如图 5所示： 图 5 减法电路原理图 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： 𝑈𝑟𝑒𝑓𝑅2= 𝑈−𝑈2𝑅4 (5) 𝑈1−𝑈𝑅1= 𝑈𝑈3 (6) 解式（ 5） 与式（ 6）得： 𝑈2 = (𝑅2+𝑅4𝑅2)( 𝑅3𝑅1+𝑅3)𝑈1 − 𝑅4𝑅2𝑈𝑟𝑒𝑓 (7) 所以，只要选取合适的 R1,R2,R3,R4值，便可实现电压放大功能。 如取 R4/R2=R3/R1,则有下式： 𝑈2 = (𝑅2𝑅1) ∗𝑈1 − (𝑅4𝑅2)∗ 𝑈𝑟𝑒𝑓 𝑈2 = (𝑅4𝑅2)(𝑈1 − 𝑈𝑟𝑒𝑓) （ 8） 所以 在 原理图图 4中，令 R4=R7=10K， R1=R12=100K， R3_RPOT SM 为可调电位器，设置参数为 ，作为基准电压。 根据式 （ 8）可知， 当原理图中的 R7=10K， R12=100K， Uo = 10(𝑈1− 𝑈𝑟𝑒𝑓) (10) 8 将此放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值。 比较器电路设计 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。 它是用来比较输入信号 VI 和参考电压 Vref 电路， 输入信号 VI 加于运放的同相端，参考电压 Vref 加于运放的反相端，此时 运放处于开环状态 ， 具有很高的开环电压增益。 在本次课程设计当中，利用过零比较器的原理设计的一个比较器电路。 其电路图如图 6 所示： 图 6 温度报警器比较器电路 单元电路元器件选用参数说明： 电阻参数： R5=10KΩ， R11=1K,用于稳定输入电压，决定系统精度； 为了满足报警温度为 50℃的设计要求 ，将可调电阻 R3_RPOT SM 设置为 5V, 接通电源后，经过 R5 的电压 与经过 排针 P2的电压进行比较，若 R5 的电压 大于基准电压 5V， 正 向 饱和，启动报警电路。 报警电路设计 报警电路可通过一个发光二极管的亮灭来报警或者通过蜂鸣器的声光报警。 其电路图的设计如图 7 所示： 9 图 7 报警电路 单元电路元器件选用参数说明： 电阻参数： R10=1K,用于报警设备的输入电阻 , 用于控制输入电流的大小 当输出电压 为低电平 时，二极管截止， LED 不亮，蜂鸣器不工作；当输出电压 为高电平 时，二极管导通 , LED 发光，蜂鸣器工作，报警过程完成。 10 4 温度报警器的仿真 Multisim 仿真软件简介 Multisim 是一个完成原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 它的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时可以新建或扩充已有的元器件库。 Multisim 有较先进的电路分析功能，可以设计、测试和演示各种电子电路，可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障。 在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点所有数据。 它具有以下突出的特点： (。