温度测量及显示课程设计

报 告

题    目   温度监测报警及破门报警电路设计 

          指导教师            刘国忠、吴思进            

          系    别        仪器科学与光电工程       

          专    业          测控技术与仪器            

          学生姓名             杨梦雨              

班级/学号         测控1201/2012010394       

          成    绩                               

一、设计任务与要求

1.1设计内容：

室内环境参数测量及安防报警电路设计

1.2基本要求 

1、用电路实现，不用软件；

2、用数字表头实现测量值的显示；

3、能够设置环境参数测量值报警上下限，并实现声、光报警；

4、从1和2中各选一项完成； 

1.3我们组的任务：

1、温度报警电路设计；

2、防盗报警电路设计。

二、温度报警电路设计

（一）设计目的

    通过设计了解如何运用电子技术来实现温度测量和控制任务，完成温度测量和控制电路的连接和调试，学会对电子电路的检测和排除电路故障，进一步熟悉常用电子仪器的使用，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。

1、掌握传感器选择的一般设计方法；

2、掌握模拟IC器件的应用；

3、掌握测量电路的设计方法；

4、培养综合应用所学知识来指导实践的能力。

报警

同相比较

               差分放大电路

（二）设计方案 

I/V转换电路

Ad590温度传感器

稳压电路

0℃下对应电压

报警

反相比较

电路工作过程：AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。Ad590输出电流经10K电阻接地，可输出电压，采用稳压5V的稳压二极管，变位器，输出电压2.73V（ad590在0℃下对应电压），两个输出电压经由LM393构成的差分运算电路，计算参数，可得到输出电压.送到预先调试好的相关温度控制比较电路进行比较，当温度低于控制温度下限值时，红色发光二极管亮。当温度高于控制温度上限值时，绿色发光二极管亮。当温度在设定温度上下限之间时，红色和绿色发光二极管全熄灭。因此从以上不同的状态显示就可以知道温度情况及温度控制情况。

（三）设计技术指标

具体技术指标如下:

    1、设计、组装、调试测控电路；

    2、温度控制范围：40～60℃；

3、使用环境温度：常温 ；

4、输出信号：二值输出控制LED灯亮，蜂鸣器响；

5、温度范围控制，报警指示功能；

6、非线性误差：±1％；

（四）芯片选择

我们采用温度传感器AD590AD590是利用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。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.

 1、流过器件的电流(μA) 等于器件所处环境的热力学温度(开尔文) 度数。

     2、 可测量范围-55℃至150℃.

     3、 供电电压范围+4V至+30V.

    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10MΩ，转换当量为。器件采用B－1型金属壳封装。

温度—电压变换电路如图2.2.2所示。由图可得：

由        （R一般取10KΩ）

所以。

图2.1.1 AD590原件符号

 图2.1.2 温度——电压转换电路

（五）系统设计

5.1温度电压转换电路设计

测温电路的设计

　　在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1μA。当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV／K，为了使此电阻精确（0．1％），可用一个10kΩ电阻。图2.1.3所示是一个电流／电压和绝对／摄氏温标的转换电路。而图2.1.4运放LM324的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给图2.1.4运放的同相输入端输入一个恒定的电压（如1．235V），然后将此电压放大到2．73V。这样，两运放输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。

      将AD590放入0℃的冰水混合溶液中，图2.1.3运放同相输入端的电压应为2．73V，同样使图2.1.4运放的输出电压也为2．73V，因此两运放两输出端之间的电压：

　　2．73－2．73＝0V即对应于0v

元件库里找不到ad590，所以用一个恒流源与电阻串联来实现模拟ad590

 温度电压转换电路

 稳压电路

5.2差动运算电路设计

=2.73V

=（273+T）*R

R=10K

 图2.2.1差动运算电路

根据AD590特性可知，流过器件的电流和温度的关系比为： 

实验中输出电流以绝对零度（-273℃）为基准，所以

 =（273+T）*R

在图2.1.4中，变位器与稳压二极管构成分压电路，调节电压使

                     =2.73V

LM324、、、、构成运放差动输入减法运算电路。所以输出电压为

T-------被测摄氏温度表示值

所以可以根据电压表的读数，直接得出被测温度值

由于AD590的增益有误差，电阻也有误差，所以应对电路进行调整，使其在室温下27℃输出电压值为3V。

注意：每次改变被测温度值，我们都要重新调节稳压电路，是器输出电压为2.73V，这样就可以使电路达到校准调零的状态，以便准确测量。

5.3比较电路

 图3.1.1反相比较器

            当温度高于控制温度上限值时，发光二极管亮，蜂鸣器响。

如图为反向比较器，运放同相输入端电压由当的值小于同相输入端下限门限电压时，运放输出为正，灯亮，蜂鸣器响。当的值介于上限电压与下限电压之间时，LM393上下均输出为无效的负电压，灯均不亮。电路开始温度保持在40-60摄氏度之间。

 图3.1.2同相比较器

              当温度低于控制温度下限值时，发光二极管亮，蜂鸣器响。

如图为同向比较电路，所设定门限检测电平由进行调解，输入电压通过电阻接到运放的同相输入端，当大于上限门限电平时，运放输出端电压为正，发光二极管亮，蜂鸣器响。

（六）实验调试

由于条件，无法实现温度的高低调节，所以我们在室温下，通过调节比较器的上下限电压，来实现超限报警。

室温下测得电压为2.7V，即室温为27℃.

调节上限

调节下限

（7）实验结果

在室温下温度传感器输出电压3V，超出温度上限，蜂鸣器报警，红灯亮；超出温度下限，蜂鸣器报警，绿灯亮。

超出温度下限                                    超出温度温度上限

稳压电路

温传电压输出

下限报警

上限报警

差分运算电路

（八）实验调试中所遇到的问题

 问题一、差动运算电路输出电压不正确

    一开始电路电路连接好之后，发现经过差动运算电路输出后的电压为0V左右，或者输出电压与室温下对应的电压相差0.3-0.4V左右。即与室温总是相差3-4℃左右。后经多次检查电路。发现在一开始对AD590的理解错误，所以导致电路连接错误，输出电压应该是在2脚引出，一开始我是在3脚引出。这是导致电压输出错误的一个原因。将与二脚连接的10K变位器与5K电阻，直接换成了10K电阻。做过这几次更改后，温度传感器输出电压正确。将稳压电路调节输出电压2.73V。经过差动运算电路后，输出电压为2.68V，与当时的室温相对应。

问题二：未经运算电路，输出电压正确，经过运算电路后，电压输出差异较大。

     当未经过放大电路时，显示温度的值与实际温度的值可以达到一致，但当经过了运算放大器后，温度测量已经不准确了，但在实际操作中，我们可以使温度在一定范围内进行改变，并且与实际值接近。

问题三、室温对应电压输出正确后。连接比较器电路。电路联通后，超出上限后，报警电路中发光二极管灯亮，但是，蜂鸣器不会发出声响。测蜂鸣器两端电压为2.6V左右，电压不够，电流不大，不足以使蜂鸣器响。

解决方法一：一开始供电电压是5V，出现这个状况后，我们将供电电压提到12V蜂鸣器可以响了，但是无论是不是超出上限，灯就会亮。通过改比较器的上拉电阻，来实现降低电压。经过多次尝试后，上限的上拉电阻选为600，可实现输出电压在电压范围内，灯不亮，蜂鸣器不响，超出设定限值，灯亮，蜂鸣器响。

解决方法二：也是将供电电压升为12V，由于灯会一直亮。因为一直加大上拉电阻会出现一个问题，就是，灯我们可以保证在设定范围内不亮，但是蜂鸣器有可能出现不响的问题。在报警电路中，我们采取的是蜂鸣器与发光二极管并联，所以加载它们两端的电压是相等的。将与发光二极管串联的电阻加大，原来是100的串联电阻，经过尝试后，改为300.可实现现象。

解决方法三：不改变供电电压。灯是可以实现正常功能，所以加一个三极管，高电平导通，C端接5V电压,E端接蜂鸣器。三极管导通后，蜂鸣器也可以发出声响。实现结果。

我们采用的是第三种解决方法，采用的三极管为8550三极管PNP型。

三 防盗报警电路设计

（一）设计目的

     当外出时，有人强行进如家中时，就会发出报警声，已提醒有非法闯入者，可以在心理上对犯罪者造成恐慌，也可以提醒周边人有人正在非法侵入民居，具有实用性。

（二）设计思想

     设计一个检测电路，将检测器件安装在门上，只要有非法进入者闯进，蜂鸣器即会发出警声。蜂鸣器的报警声持续时间可调，声音大小可调即频率可调。NE555做成单稳态电路时，电路可以检测出人体信号并转化成电信号，利用这一特点可以用NE555芯片设计检测电路。

（三）主要元器件选择

1、采用一自锁开关代替实际中的传感器，一摁下，代表被触碰，可以实现在试验中模拟操作。

2、 NE555做成单稳态电路时，电路可以检测出人体信号并转化成电信号，利用这一特点可以用NE555芯片设计检测电路。

（四）系统方案

 4.1触碰开关报警电路框图设计

触碰开关

断开

闭合

强制复位解除

强制复位

电路震荡

电路不震荡

声光报警

不报警

                      图4.1.1系统框图设计

4.2定时电路

4.2.1  555芯片原理图

                  图4.2.1  555内部功能框图

E555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F

                              图4.2.2 555构成定时电路

我们采用上图作为我们的定时电路

                       图4.2.3 555定时电路Multisim仿真

工作原理：结合图4.2.1与图4.2.3.接通电源后，三极管D导通，5脚电压为2/3 VCC，2脚电压为VCC。6脚电压为0，所以R输出为“1”，S输出为“1”，此时3脚输出“0”。电容C3接地导致电容的电压下降，电容电压的下降导致2脚电压下降到小于1/3 VCC，此时S输出为“0”，R输出为“1”，3脚输出为“1”，三极管D截止，此时电源给C1充电，导致6脚电压慢慢上升，经过t=()C1*ln3时间后上升到大于2/3 VCC时，R输出为“0”，3脚输出为“0”，变为低电平，三极管D导通，此时6脚电压又下降到0，R输出为“1”，因为按键已经松开，2脚电压为VCC，此时S输出为“1”，所以3脚继续保持低电平。Vco是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

参数计算;                                  

图4.2.4定时电路图

 图4.2.5开关闭合3脚输出 图4.2.6开关断开3脚输出

 图4.2.5是开关闭合后555的3脚输出高电平，图4.2.6是开关断开后3脚输出高电平不会立刻变为低电平，而是延时一段时间后变为低电平。

4.3多谐振荡电路（频率模块）

用555构成多谐振荡器

                   图4.3.1 555构成多谐振荡

上图是我们采用的多谐振荡器原理图。采用555构成的多谐振荡器，改变滑变，能够改变输出矩形波的占空比，能够改变蜂鸣器输出的频率。

 图4.3.2 555多谐振荡Multisim仿真

输出信号的时间参数是： =

                    占空比：

其中，为VC由上升到所需的时间，为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。

一般多谐振荡器的工作过程可分为以下四个阶段:

(1) 暂稳态 I(O~): 电容充电 , 充电回路为 VCC → R3 → R2 → C →地 , 充电时间常数为 为T1=(R3+R2)C, 电容 C 上的电压 uc 随时间 T 按指数规律上升 , 此阶段内输出电压  稳定在高电平. 

(2) 自动翻转 I(): 当电容上的电压上升到了时 , 由于 555 定时器内 S=0,R=1, 使触发器状态Q由 1 变为 0, 由0变成 1, 输出电压由高电平跳变为低电平 , 电容 C 中止充电.

(3) 暂稳态 Ⅱ (): 由于此刻==1, 因此放电管 V 饱和导通 , 电容放电 , 放电回路为  → R2 →放电管 V →地 , 放电时间常数=R2C( 忽略 V 管的饱和电阻 ), 电容电压  按指数规律下降 , 同时使输出维持在低电平上。

(4) 自动翻转Ⅱ(): 当电容上的电压下降到了  时 , 由于 555 定时器内 S=1,R=0, 使触发器状态Q由0 变为 1, 由1变成0, 输出电压由低电平跳变到高电平 , 电容  中止放电.由于=0, 放电管截止 , 电容又开始充电 , 进入暂稳态 I.

以后 , 电路重复上述过程 , 电路没有稳态 , 只有两个暂稳态 , 它们交替变化 , 输出连续的矩形波脉冲信号。

 图4.3.3多谐振荡

 图4.3.4矩形方波

 图4.3.5断开瞬间 图4.3.6断开又闭合瞬间

当断开开关后，3脚输出输出矩形波瞬间变为低电平，2脚与6脚连接构成多谐振荡器，稍微延时一段时间后变为低电平，这是电容的放电时间。当闭合开关后，矩形波输出速度明显加快，多谐振荡波形则程一个线性上升的关系.开关闭合后

（五）实验调试

     电路连接好，调节变位器一，可改变定时时间长短，及蜂鸣器响的时间长短。调节变位器二可改变蜂鸣器发生的频率，因为改变了占空比，震荡周期发生变化，频率也就发生变化，使蜂鸣器的声音多样化。

（六）实验结果

        改变改变报警时间长短，改变改变蜂鸣器报警频率，按下按键，发光二极管亮，蜂鸣器响，断开开关，蜂鸣器响一会停止发声。

频率模块，调节变位器，改变蜂鸣器发声频率

定时模块，调节变位器，改变定时时间

                            图4.3.7面膜板搭线

                              图4.3.8实现报警

（七）遇到问题及解决方法

 问题一：开关按下后，蜂鸣器会一直发出报警声

     所以在演示时，采取按下再按一次，蜂鸣器会响一会，在停止发声。改变调节报警时间长短，改变，改变蜂鸣器报警频率。

问题二：蜂鸣器不响或与预期现象不一致。

    解决方法：蜂鸣器的工作电压是有的，电压选择不好会导致蜂鸣器不响，通过查阅资料了解所用蜂鸣器的参数来确定最终的使用电压。

问题三：电容与电阻值选择不合理导致蜂鸣器的响声不合理

通过改变电阻值和电容值来改变蜂鸣器的频率以及持续时间。

个人总结

    此温度测量电路课程设计让我解和认识得到了多方面的锻炼。一方面我对模拟电子技术专业知识有了进一步的掌握并熟悉了更多电子仪器的使用方法，掌握电子电路的测试方法，了解常用电子器件的类型和特性，同时掌握如何合理选用电子器件的原则。也通过multisim软件模拟电子电路设计、安装、调试等各环节，培养了我运用课程中所学的理论与实践紧密结合，地解决实际问题的能力。另一方面对于动手能力的培养和敏捷思维方式的形成起到很大的作用。

      这次课程设计，一开始我们是先采用网上找的案例，准备按照网上的案例去改进，无意间在课本上翻到采用AD590温度传感器进行测温显示的例子。看到这个例子在想，既然课本上有现成的，那就不用在去找别的了。所以哦我们小组就决定采用AD590温度传感器做我们的温度测量系统。在进行仿真设计的时候，元件库里找不到AD590这个元器件。去查找关于AD590的信息的时候，有提到它相当于一个恒流源。所以在画仿真电路图的时候，我们采取了I/V转换电路，这个电路是课本上老师着重讲过的部分，我们也没有再去查找别的资料，直接使用了课本第四章的电路图，根据我们所需要的，改进原理图，实现I/V转换。我们觉得这个电路图是真的将我们在课堂上学习过的知识应用了进去。在差分运算电路部分，参数计算也是老师上课常常提到的。我们一开始设定输出电压与温度的是程线性关系，比值为10倍。根据这个比值，我们反过去推导放大倍数，根据得出的比例关系，设定电压值。有了温度传感器的输出电压，将它与我们所设定的上下限值进行比较，比较电路同样采取老师上讲过的比较电路。其实每一部分的电路都很简单，都是老师上课经常讲到的，我们所做的就是把每一小部分电路组合到一起。通过这个课设，我们将老师上课讲过的很多典型电路又重新学习了，有了更深的理解。在防盗报警电路中，最重要的就是NE555芯片的使用，在这个电路里，我们用一个作为定时电路，用第二个构成多谐振荡电路。这都是555的典型电路应用。在电路仿真过程中，老师问我们定时电路中输出叫的电平变化是怎样的，我没有回答上来。后经查资料，明白。当开关闭合后，输出口电平由低变高，记者胡一直保持高电平。当断开的时候，输出口电平不会立刻变为低电平，而是会延时一段时间后变为低电平。这就可以使蜂鸣器报警响一段时间后，自动停止。还有关于构成多谐振荡器的电路中，输出口输出的矩形波的高低电平的形成原因。这都是NE555本身特有的特性。通过这次课设，对NE555有了更深的印象。

附录一    AD590

AD590的功能及特性

　　AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图1所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图2所示。 

AD590的主特性参数如下： 

工作电压：4～30V；

工作温度：－55～＋150℃；

保存温度：－65～＋175℃；

正向电压：＋44V；

 反向电压：－20V；

焊接温度（10秒）：300℃；

 灵敏度：1μA／K。

 AD590的工作原理

　　在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。其基本电路如图3所示。

图3是利用¦¤UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为¦¤UBE。因此，电流I1为：

    I1＝¦¤UBE／R＝（KT／q）（lnn）／R

　　对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I值。 

附录二   NE555

NE555引脚位功能配置说明下：

                          图1-2 NE555各脚功能-管脚图

Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。

Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。

Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。

Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。

Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。

参数功能特性：

•供应电压4.5-18V

•供应电流3-6 mA

•输出电流225mA (max)

•上升/下降时间100 ns

           图一                                      图二

               图三

附录三LM324

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V.

LM324的特点：

1.短跑保护输出

2.真差动输入级

3.可单电源工作：3V-32V

4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）

5.每封装含四个运算放大器。

6.具有内部补偿的功能。

7.共模范围扩展到负电源 

附录四    LM393

LM393主要特点如下：

●工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：2～36V，双电源:±1～±18V；

●消耗电流小，Icc=0.8mA；

●输入失调电压小，VIO=±2mV；

●共模输入电压范围宽，Vic=0～Vcc-1.5V；

●输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；

●输出可以用开路集电极连接“或”门；

LM393引脚图及内部框图

采用双列直插8 脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8 脚塑料封装（SOP8）

                      LM393内部结构图

LM393引脚功能排列表：

附录六 温度测量显示报警总图

附录七 参考文献

1)高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].北京：电子工业出版社，2002。 

2)张延琪. 常用电子电路280例解析[M]. 北京:中国电力出版，2004第一版。

3)路成红.专用集成电路设计与电子设计自动化[M].清华大学出版社，2004。

4)秦曾煌，电工学（上下）第七版，2007。

5)史红梅，测控电路及应用 ， 华中科技大学出版社 ，2011。