模电课程设计-温度测量仪

湖南工学院课程设计说明书
课题名称：温度测量仪
专业名称：电气工程及其自动化
学生班级：
学生姓名：
学生学号：******
指导教师：****
报告时间： 2011-6-19
小组成员：
课程设计任务书
（一）设计目的
1、通过对温度测量电路的设计、安装和调试了解温度传感器的性能，学会
在实际电路中应用；
2、进一步熟悉集成运放的线性和非线性应用。

（二）设计要求和技术指标
1、技术指标：
要求设计一个温度测量器件，其主要技术指标如下：
（1）测温范围：室温～50℃；
（2）被测温度达到50℃时，指示灯亮（或蜂鸣器工作）；
2、设计要求
（1）设计一个能满足要求的温度测量及报警电路；
（2）要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图（选做）；
（3）根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；
（4）在万能板、PCB板上或面包板上安装好电路并调试；
（5）拟定测试方案和设计步骤；
（6）撰写设计报告、调试总结及使用说明书。

3、设计扩展要求
（1）能显示输出温度；
（三）设计提示
1、基本原理：
图6.1 温度测量仪原理框图
2、温度传感器
建议采用AD590集成温度传感器进行温度～电流转换。

它是一种电流型二
端器件，其内部已作修正，具有良好的互换性和线性。

有消除电源波动的特性。

输出阻抗达10M Ω，转换当量为K A /1μ。

器件采用B －1型金属壳封装。

温度—电压变换电路如图6.2所示。

由图可得：
K R R K A u o /10/161-⨯=⨯=μ
如R=10K Ω，则K mV u o /101=。

图6.2 温度—电压转换电路 图6.3 K —℃变换电路
3、K —℃变换器
因为AD590的温控电流值是对应绝对温度K ，而在设计中需要采用℃，由运放组成的加法器可以实现这一转换，参考电路如图6.3所示。

元件参数的确定和－U R 选取的指导思想是：0℃（即273K ）时，V u o 02=。

4、放大器
设计一个反相比例放大器，使其输出u 03满足100mV /℃。

用数字电压表可实现温度显示。

5、比较器
由电压比较器组成，如图6.4所示。

U REF 为报警时温度设定电压，R f2用于改善比较器的迟滞特性，决定了系统的精度。

图6.4 比较器 图6.5 驱动电路
6、调试要点和注意事项
用温度计测传感器处的温度T (℃)如T=27℃（300K ）。

若取R=10K Ω，则
V u o 31=，调整U R 的值使mV u o 2702-=，若放大器的放大倍数为－10倍，则放大器的输出u 03应为2.7V 。

测比较器的比较电压U REF 值，使其等于所设定的温度乘以0.1V ，如设定温度为50℃，则值为5V 。

比较器的输出可接LED 指示或蜂鸣器。

把温度传感器加热（可以电吹风吹）在温度小于设定值前LED 应处于熄灭状态，反之，为点亮。

7、实验用仪器设备
（1）数字电压表
（2）面包板或万能板
（3）智能电工实验台
8、设计用主要器件
AD590集成温度传感器一只、741四块、蜂鸣器/LED 各一个、电阻电容若干、晶体管一只（驱动电路）、电阻若干
（四）设计报告要求
1、选定设计方案；
2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；
3、整理测试数据
（五）设计总结
1、在测试中发现什么故障？如何排除？
2、心得体会。

目录
第一章绪论 (1)
1.1温度传感器 (1)
第二章温度测量仪的设计 (2)
2.1、设计方案 (2)
2.1.1、温度测量仪设计思路 (2)
2.1.2、温度测量仪框图 (2)
第三章电路设计 (3)
3.1 温度-电压变换 (3)
3.2 2.732V电压产生电路 (5)
3.3 稳压调整 (6)
3.4 差分放大电路 (6)
3.5 控制报警系统电路 (7)
3.6 报警原理图 (8)
第四章全图设计与仿真测试 (8)
4.1 完整电路图设计图 (8)
4.2 0°时的仿真 (10)
4.3 50°温度时的仿真 (11)
4.4 大于50°时的仿真 (12)
第五章 PCB板的制作 (13)
第六章材料清单及电路相关参数 (13)
6.1 材料清单 (13)
6.2 元件参数 (14)
第七章总结报告 (14)
主要参考文献 (16)
附录 A 电路原理图 (17)
附录 B 实物图 (18)
第1章绪论
1.1 温度传感器
集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。

其种类很多，大致可分为以下5类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度控制器；3、智能温度传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用的智能温度控制器。

集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面：
1.温度测量：可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。

2.温度控制：适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。

温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

在整个宇宙当中，温度无处不存在。

无论在地球上还是在月球上，也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上，这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。

湿度，表示大气干燥程度的物理量。

在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。

空气的干湿程度叫做“湿度”。

在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。

湿度表示气体中的水蒸汽含量,有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。

绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米，绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。

温度、湿度和人类的生产、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、湿度的检测与控制。

并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境
越来越关注，而空气中温湿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、湿度的检测及控制就非常有必要了。

温度、湿度是工业农业生产不可缺少的因素，但传统的方法是用温度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。

这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。

含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据存储，运算逻辑判断及自动化的功能，有着智能作用。

随着生产的发展，一个低成本和具有较高精度的温度湿度测量仪在许多领域会代替人工操作，自动控制各种仪器调整环境温度湿度。

目前市场上普遍存在的温湿度检测仪器大都是单点测量，而且温湿度信息传递不及时，精度达不到要求，不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定，为此，本设计开发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合处理多点温湿度信息，并能进行温湿度控制的测控产品。

总之，环境温湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。

第2章温度测量仪的设计
2.1、设计方案
2.1.1、温度测量仪设计思路
（1）、选择被测对象，经过温度传感器AD590将温度转换为电流，然后经过温度－电压变化，转化为电压；
（2）、转化的电压再经过K—℃变换电路转化为绝对℃；
（3）、再经过反相比例放大电路，将电压值放大；
（4）、最后利用差分放大电路，将电压进行比较，通过驱动电路进行报警，超过设定温度，发光二极管将会变亮。

2.1.2、温度测量仪框图
温度测量仪经过下图2.1-1过程完成，达到效果。

图1 温度测量仪原理框图
其中，每个框图作用如下：
K—℃变换电路：将开尔文温度转变为绝对温度℃；
放大电路：经过运算放大器实现电压的放大作用;
电压比较器：运用差分放大电路原理将电压进行比较，得到摄氏温度与输出电压的关系。

报警设备：实现实验结果。

第三章电路设计
3.1温度—电压变换
温度—电压变换电路
图2温度—电压变换电路
在图中，U的值为I乘上10K，以T℃而言，输出值为10K×（273.2+T）μA=（2.732+0.01T）V；测量电压U时，不可分出任何电流否则测量值会不准。

在该电路中，包含了一个电压跟随器。

电压跟随器的特性如下：
·隔离缓冲。

·电压跟随（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。

利用电压跟随器的隔离缓冲作用确保了AD590输出的电压值稳定。

AD590温度传感器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。

AD590的主要特性如下：
·流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。

·AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

·AD590的电源电压范围为4V～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。

AD590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。

·精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

AD590最重要的特性是：度每增加1℃，它会增加1μA输出电流。

AD590的接口电路十分简单，不需要外围温度补偿和线性处理电路，便安装调试。

AD590的管脚图及元件符号如下图所示。

图3 AD590管脚（第三个脚可以不用,是接外壳做屏蔽用的）
图4 AD590元件符号（1管脚接电源；2管脚输出电流）
AD590基本应用电路如下图所示。

图5 AD590基本应用电路
在图3中，经过实验测得AD590输出电流I与摄氏温度T与输出电压U及开
由该图表分析可得AD590的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度（-273.2℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在T℃时，其输出电流Io=（273.2+T）μA。

3.2 2.732V电压产生电路
利用AD590的基本应用电路（图3）可得到电压U=（2.732+0.01T）V，即AD590的温控电流值是对应热力学温度K，而在温控中需要采用摄氏温度℃
，需要设计电路消去关系式中的2.732V，消去2.732V后，就得到了输出电压U
与摄氏温度T的关系。

需要设计一个得到恒压2.732V的电路。

为了得到2.732V电压，可使用下图电路：
图6
3.3 稳压调整
调整变阻器的值使Uo=2.732V。

但该电路存在缺点。

由于一般电源供应较多器件之后，电源是带噪声的，使得Uo不稳定。

因此可使用稳压管利用可变电阻分压调整，调整后电路图如下：
图7
3.4差分放大电路
图8 差分放大电路
差分放大电路（上图）的作用是消去关系式U=（2.732+0.01T）V中的2.732V，并对信号进行放大。

利用差分法大电路得到输出Uo=10(Uo2-Uo1)=T/10V。

这样就得到了摄氏温度与输出电压的关系。

利用数字电压表就可以测量出当前的温度了。

如果当前的温度为28℃，则测出的电压为2.8V。

LM358 内部包括有两个独立的、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使用运算放高大器的场合。

LM358引脚如下图所示。

图9 LM358引脚图
LM358 的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

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。

LM358特性如下：
·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(3—30V)。

3.5 控制报警系统电路
控制报警系统电路设计如下图
图10 报警控制中的差分
将显示温度的输出电压作为此图的输入电压，与可调的额定电压比较，来输出一个控制报警系统的电压。

假如设额定电压为4.3V，则当输入为5V时，它的输出为0.7V（原理与上面的差分放大电路一样，这里就不重复了），可以作为三级管的开关控制电压。

3.6 报警原理图
图11报警显示图
出入电压为三极管的控制电压，当电压大于0.7V时，三极管CE极为导通状态，及发光二级关的电压为VCC，这是就可知道，温度超过了50°，此电路处于报警状态。

第四章全图设计与仿真测试
4.1 完整电路图设计图
根据第三章的分析，我们将设计完整的电路图，如下图：
4.2 0°时的仿真
4.3 50°温度时的仿真
4.4 大于50°时的仿真
第五章 PCB板的制作按照原理图，我们画好PCB图：
第六章材料清单及电路相关参数6.1 材料清单
实验板140*95 1个
集成温度传感器AD590 1个
集成运算放大器（带插座）LM358 2个
稳压管2DW231(稳压6v)
电阻1/4W 1K 5个
电阻1/4W 10K 4个
电阻1/4W 100K 2个
直流电源12V/1A 1个
直流电源5V/1A 1个
电位器68K 1个
三极管9014 1个
二极管05Z6.2Y 1个
LED或者蜂鸣器 1个
6.2 元件参数
AD590参数：
·输入电压：+4V~+30V。

·测量范围：-55℃～+150℃。

LM358参数：
·电源电压范围：单电源3～30V。

2DW231参数：
·稳压范围：5.8V~6.6V
第七章总结报告
制作过程
通过一理论课程，使我明白了温度测量仪原理，并通过进一步了解，使我对温度测量仪的焊接调试过程充满信心。

但到了实践过程，我们遇到了一些困难。

我们在买、购买元器件时会碰到一些问题，店家没有我们那个规格的元件，我们只能用其他代替。

如50K的电阻器，我们就换成了68K的。

但经过一些调整，这些变化不会改变电路性能。

焊接方面，首先，我们要掌握电烙铁的使用。

从网上查阅资料查到了一些电烙铁的使用技巧：
1．将烙铁头放置在焊盘和元件引脚处，使焊接点升温。

2．当焊点达到适当温度时，及时将松香焊锡丝放在焊接点上熔化。

3．焊锡熔化后，应将烙铁头根据焊点形状稍加移动，使焊锡均匀布满焊点，并渗入被焊面的缝隙。

焊锡丝熔化适量后，应迅速拿开焊锡丝。

4. 拿开电烙铁，当焊点上焊锡已近饱满，焊剂(松香)尚未完全挥发，温度
适当，焊锡最亮，流动性最强时，将烙铁头沿元件引脚方向迅速移动，快离开时，快速往回带一下，同时离开焊点，才能保证焊点光亮、圆滑、无毛刺。

用偏口钳将元件过长的引脚剪掉，使元件引脚稍露出焊点即可。

5．焊几个点后用金属丝擦擦烙铁头，使烙铁头干净、光洁。

遵照上述5个步骤，我们对电路板进行了焊接。

心得体会
经过了一个课程设计，我感想颇多。

首先，我明白了做事情一定要抓紧时间，不能一拖再拖。

原本我们以为一个星期的时间做出一个电路板绰绰有余，所以开始几天的进度很慢。

可结果是，中间遇到了很多意想不到的问题，导致最后时间不够用，一直到礼拜天才将设计及报告全部完成。

经过这次课程设计，我们懂得只有抓紧时间才能够适应快节奏的社会，拖拖拉拉最后会一事无成。

其次，我明白了实践的重要性。

理论知识固然重要，但只有将理论投入到实践中去检验，才能体现出理论的价值。

电路元件只有焊接到电路板上，才能发挥其真正的作用，单纯的研究理论知识，而不去动手实践，我们就不能全面发展，就不能成为真正对社会有意义的人。

最后，我还明白了团队合作的重要性。

二十一世纪是一个需要的是团队合作，而不是单打独斗。

一个大的项目，单纯靠一个人的力量是无法完成的。

只有在一个团队的共同努力下，才能最终走向成功。

这次课程设计，带给我很多的教训，但更多的是经验，我相信我会越来越成熟。

主要参考文献
[1] /question/25051016.html．
[2] /info/commonIC/0075091.html．
[3]/article/88/131/wendu/2009/2009062271185.ht
ml
[4]/forum/thread/view/99_21580678_.html
[5]/shangscg/blog/static/120984865200961182257492/
[6]康华光．电子技术基础模拟部分（第五版）．高等教育出版社．
[7]康华光．电子技术基础数字部分（第五版）．高等教育出版社．
附录A 电路原理图
附录B 实物图。