[毕业设计] 水温测量仪的仿真与设计

目录
第一章绪论 (2)
1.1水温测量仪简介 (2)
1.2个人主要任务 (2)
第二章设计方案及单元电路设计 (4)
2.1设计方案 (4)
2.1．1水温测量仪模块流图 (4)
2.1.2 单元电路简介 (4)
2.2单元电路设计 (5)
2.2.2集成温度传感器AD590简介 (5)
2.2.2AD590应用电路 (6)
2.2.3K—℃变换减法电路 (7)
2.2.4电压的放大电路 (9)
2.2.5比较电路 (9)
2.2.6运算放大比较器 (10)
2.2.7 延迟比较器 (11)
2.2.8 报警器设备 (12)
第三章水温测量仪的仿真与设计 (13)
3.1仿真EWB的简介 (13)
3.2水温测量仪的仿真与测试 (13)
结束语 (17)
参考文献 (18)
附录一：水温测量仪原理图 (19)
附录二：水温测量仪PCB图 (20)
附录三：元件清单 (21)
第一章绪论
1.1水温测量仪简介
水温测量仪在国防工程、电子、食品、医药和石油化工等领域都有广泛应用，其主要用于报警设备。

我们此次做的水温测量仪主要实现对温度的监测，在市面上其实还有还有很多产品能实现其功能且1精度更高。

如ZX3M-RTCL非接触式红外线体温计、供大屏幕液晶显示32路高精度温度测量仪、精密的露点测量仪……这些仪器虽然在具体功能上有所不同，但都能实现对温度的监测，且精度高，适用范围广，如红外线测温仪可测量-50～1000℃.
而我们这次做的水温测量仪是运用放大器的各种电路组成一个简单的水温测量仪利用AD590具有温度传感器的特点，将温度转化为电流，再利用电阻将其转化为电压，从而用电压表测量电压以实现温度的可读。

一般来说，水温测量仪大都采用温度传感器（如 AD590）与其附加控制电路构成。

其利用温度传感器将温度变化转化为电信号，进而输出具体所需电信号。

但此类产品中测量误差偏大、功能单一。

由于用分立元件制作误差较大，现在多采用单片机对其实现控制，同时可以结合大规模集成芯片以提高体精度，如可以采用大规模集成芯片ICL7107或ICL7135为核来设计，这两款芯片是高性能、低功耗的三位半A∕D 转换电路，可以直接驱动数码管和液晶再加上外围电路即可显示温度。

在这里是做的简易水温测量仪，故还是选用AD590.
1.2个人主要任务
本设计介绍了水温测量仪的工作原理，它是一种简易水温测量电路，主要是采用一些简单的电子元件即可它是采用由直流稳压电源，温度—电压转换电路，K—℃电路，驱动报警电路，放大电路和比较电路五个核心部分组成。

直流稳压电源电路由通用电学实验台提供稳压电压；温度—电压转换电路由集成AD590模拟温度传感器进行温度—电流转换；K—℃转换器由uA 741运放组成的减法器来实现这一功能；放大器同样由uA741运放组成的反相比例放大
器；比较器由uA741实现电压比较；驱动报警电路则由晶体管和发光二极管构成，水温测试仪能测量水温并实现超温报警。

由于我们做的水温测量仪是简易型的测量仪，在实际操作中可能不会像在理想的仿真效果那么好，我们设计的电路都是理想的，在实际操作中难免会出现误差，所以希望大家能够理解。

第二章设计方案及单元电路设计
2.1设计方案
2.1.1水温测量仪模块流图
水温测量仪有以下图2.1.1五部分组成，温度传感电路由AD590构成；转换，放大和比较电路都由uA741放大器和电阻构成；电压显示由数字万用表实现。

图2.1.1水温测量仪流程图
2.1.2 单元电路简介
一.电压转换电路：电压转换电路的作用是为了对温度进行测量、控制并显示，首先必须将温度的度数（非电量）转换成电量，然后采用电子电路实现题目要求。

此处利用AD590集成模拟温度传感器对被测对象进行水温测量并进行温度—电流变换，将温度变化转换成相应的电信号。

二.转换电路：.转换电路的作用是进行K—℃转换，因为AD590是集成模拟温度传感器，输出电流对应绝对温度K，而在技术指标中要求能够由数字电压表实现温度显示，并可直接读出温度值。

本设计采用由uA741运放组成的加法器来实现这一功能。

三.放大电路：放大电路的作用是将电压进行10倍放大，方面进行
电压显示。

例如当温度—电压转换电路输出的电压K mV u o /101 时通过放大电路放大后使得其输出电压u 03=100mV/℃。

四．比较电路：用的是迟滞比较电路，这样更稳定。

使比较器输出高电平和低电平来控制驱动报警电路。

2.2单元电路设计
2.2.2集成温度传感器AD590简介
AD590是AD 公司利用PN 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，如图 2.2.1所示。

这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。

该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的 特性。

即使电源在5～15V 之间变化，其电流只是在1μA 以下作微小变化。

其主要参数如表所示。

图2.2.1AD590参数表
图2.2.2AD590实物图和结构图
2.2.2 AD590应用电路
AD590输出阻抗达10MΩ，转换当量为1μA/K。

温度—电压转换电路如图2.2.3所示
温度—电压转换分析：根据水温多少将提供恒流，方向如图所示。

由于在Uo输出端接一电压跟随器从而增大输入阻抗，电流几乎全部流经电阻Ro。

由AD590转换当量可知：
O
U
U
1
=1μA/K×R=R×10-6/K 在实际应用中可取R=10KΩ，则:
U1=10mV/K (2.2.1) 这样可以实现温度—电压的转换，取得所需电压。

图2.2.3 温度-电压转换电路
2.2.3 K —℃变换减法电路
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 —℃变换。

绝对温度（T ）与摄氏度（t ）之间的关系为：
T=t+273k （2.2.2） 由式 （2.2.1）与式（2.2.2）可知要实现K —℃变换，必有：
V T C v U O 73.2/m 10-⋅= （2.2.3） 该变换可用一个差分式减法器实现，如图3.2.1所示：
图2.2.4差分减法器
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：
4
2
2
R U U R U U ref -=
- (2.2.4) 及
3
11R U
R U U =
- (2.2.5) 解式（2.2.4）与式（2.2.5）得：
ref U R R U R R R R R R U ⋅-⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=24121
32422 （2.2.6） 所以，只要选取合适的1R ,2R ,3R ,4R 值，便可满足所需要求。

如取
1324//R R R R =,则有下式：
ref U R R R R U ⋅-=
2
4
132 (2.2.7) ()ref U U R R U -=
12
4
2 (2.2.8) 2.2.4电压的放大电路
由式3.2.7知选择R4与R2的值可以实现电压放大功能，此时取R4=R3=100K Ω，R1=R2=10K Ω，此时有：
()f 110U U U -= (2.2.9) 由上式可知温度与电压之间的关系：
.1V/0=U ℃ （2.2.10）
将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值。

将AD590放入水温为25℃
的水中，可读的电压表读数为2.5V 。

2.2.5比较电路
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2.2,5(a)所示为一最简单的电压比较器，
R U 为参考电压，加在运放的同相的输入端，输入电压i U 加在反相的输入端。

图2.2.5电压比较器原理图
图2.2.5(b)所示为其传输特性。

当R U U i 时，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Z U ，即Z O U U =。

当R i U U 〉时，运放输出低电平，Z D 正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降D U ，即
D O U U -=。

因此，以R U 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。

2.2.6运算放大比较器
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 3.4.2 由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压a V 经分压器2R 、3R 分压后接在同相端，b V 通过输入电阻1R 接在反相端，f R 为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压out V 与a V 、b V 及4个电阻的关系式为：
b f a f out
V R R V R R R R R V ⋅-⋅⎪⎪⎭⎫
⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=132311 (2.2.11) 若21R R =，f 3R R =，则:
()b a f out V V R R V -⋅=
1
(2.2.12)
1f /R R 为放大器的增益。

当021==R R (相当于1R 、2R 短 路)，f R R =3=∞(相当于R 3、f R 开路)时，out V =∞。

增益成为无穷大，其电路图就形成图 2.2.6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out V 输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大
图2.2.6差分比较电路
在本实例中采用图2.2.7比较器。

其中电阻参数取：1087==R R K Ω，9R =1K Ω，在图 2.2.7所示VCC3为报警时的温度设定电压。

7R ，8R 用于稳定输入电压，决定了系统的精度。

而9R 用于报警设备的输入电阻，用于控制输入电流的大小。

R73
R8
2R9
1
图2.2.7水温测试仪电压比较器电路
2.2.7 延迟比较器
延迟比较器是一个具有延迟回环传输特性比较器。

在反相单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。

由于我们做的简易水温测量仪，故在这里还是采用单门限电压比较器
图2.2.8延迟比较器
2.2.8 报警器设备 LED 发光二极管：
报警设备可用一个发光二极管来充当，发光二极管LED ，它是英文light emitting diode （发光二极管）的缩写。

发光二极管发热量小，耗电少。

发光二极管有很多优势：
1. 电压：LED 使用低压电源，供电电压在6-24V 之间，根据产品不同而异，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：很小，每个单元LED 小片是3-5mm 的正方形，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. 对环境污染：无有害金属汞 报警分析：
当加与2U 端的电压大于设定温度ref U 时，3U 有了正向输出，二极管LED 导通，发光，报警完成。

第三章水温测量仪的仿真与设计
3.1仿真EWB的简介
EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为Electronics Workbench。

EWB是加拿大Interactive Image Technologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。

EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合号方面的仿真功能。

相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，只有16M，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎100％地仿真出真实电路的结果，而且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器等工具，它的器件库中则包含了许多大公司的晶体管元器件、集成电路和数字门电路芯片，器件库中没有的元器件，还可以由外部模块导入，在众多的电路仿真软件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直观，原理图和各种工具都在同一个窗口内，未接触过它的人稍加学习就可以很熟练地使用该软件，对于电子设计工作者来说，它是个极好的EDA工具，许多电路你无需动用烙铁就可得知它的结果，而且若想更换元器件或改变元器件参数，只需点点鼠标即可，它也可以作为电学知识的辅助教学软件使用。

3.2水温测量仪的仿真与测试
首先用EWB建立电路模型，由于仿真没有AD590，只有用一个恒流源代替AD590提供电流，比拟温度的采样。

被减电压2.73V可以用一个2.73V的电池来代替。

画好电路以后，我们开始仿真。

由于我们用了一个恒流源代替了AD590，即用电流源比作电压的值获得。

1．取电流源电流值为300uA，即绝对温度300K，转换为摄氏度为27℃。

电压表读值为2.7V。

由图3.2.1可见与理论值相同，此时温度比50摄氏度小。

比较器输出为负值，二极管不导通。

图中二极管未发光（双箭头所示）。

图3.2.1水温测量仪仿真实验一
2．取电流源电流值为323uA，即绝对温度323K，转换为摄氏度为50℃.电压表为5V。

由图3.2.2可知与理论相同，由于温度等于50摄氏度，电压U=VCC3.比较器输出为零，二极管不导通，图中二极管不发光（双箭头所2
示）。

图3.2.2水温测量仪仿真实验二
3.取电流源电流值为330uA，即绝对温度330K，转换为摄氏度为57℃。

电压表读数值为5.7V。

由图3.2.3可知与理论值相同，此时温度比50摄氏度大。

比较器输出为正值。

二极管导通，图中二极管发光（双箭头所示）。

图3.2.3水温测量仪仿真实验三
结束语
本次课程设计我学到了很多，从一开始什么都不会，到现在对设计和制作电路过程有了一定的了解。

一，学会了运用网络手段查找我们所需要的资料，一开始我们拿到课程设计不知从何下手，于是我们借鉴网络上大家提供的资料进而加以利用和改进变为自己的东西。

二，学会了用Protel99画电路图和利用EWB画仿真实验图，还学会了用Protel99画PCB图。

三，学会了各种放大电路，如差分减法器，电压跟随器等等电路。

但是最重要的是实物做出来了后我学会了如何检测和调试电路。

一开始做出来的PCB板我们就不知道如何接AD590，后来通过网络搜索了解了它的工作原理和引脚的接法。

在测试水温测量仪PCB板前，我们用数字万用表检测电路是否有段路情况，结果果真检测到了一个线路断开了。

其次检测了我们焊接的元件是否出现了虚焊。

检测完了以后我们开始进行测试，一开始我们本来要接12V的负电压，但是由于我们接的地都来自同一个地，所以无法输出-12V的电压，后来郭扬学长告诉我们应该取不同的地才能输出-12V的电压。

我们首先检测的是电压比较器发现误差比较小。

但是测量温度电压时发现误差非常大，于是我们开始找原因，发现稳压二极管根本就不能稳压，我们于是在稳压管后面并联了一个100K的电位器，用数字万用表跳出2V的电压来，再测试发现稳压效果好多了，并且测量误差也非常小，吻合的非常好。

最后，在陆老师的耐心指导下，我学会了如何制作文档贺如何使文档做的更好。

其次要感谢陈金辉,文亮，郭扬，廖靖等学长提供的无私帮助和耐心的指导。

参考文献
[1]．康华光．电子技术基础（模拟部分）（第五版）．高等教育出版社. 2006-01
[2]. 邱关源．电路（第五版）．高等教育出版社．2006-05．
[3].阎石.数字电子技术基础（第四版）.高等教育出版社.1998-11
[4]．何希才．传感器及其应用电路．电子工业出版社．2001-03-01．
[5].蔡明生.电子设计，高等教育出版社，2003.
[6].梁延贵，王裕琛。

集成运算放大器电压比较器（分册）。

北京：科学技术
文献出版社，2006.
[7].郭培源。

电子电路及电子元件[M] 。

北京：高等教育出版社，2000.
附录三：元件清单
21。