1、温度检测显示器设计仿真与实现课程设计任务书学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作单位：题 目: 温度检测显示器设计仿真与实现初始条件：可选元件：集成运算放大器、电阻、电位器、电容若干，三极管等，或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，函数发生器要求完成的主要任务:（1）设计任务根据初始条件，完成温度检测显示器电路的设计、仿真、装配与调试，并自制直流稳压电源。（2）设计要求 检测区间为四段：A. 温度020C，B. 温度2030C,C.温度3040C， D. 温度40C，采用LED四段显示；测量误差：2 C；标准检测点为：0C，19C，29C，39C。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
2、利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。 选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。时间安排：1、 前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。 2、 后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要温度检测在我们生活中是到处都要用到的，各种自动温控装置都包含着温度检测这一 知识，而且，温度检测控制也是很重要的，例如热水器水温自动检测控制系统，等等一些生活中的小事都离不开温度的检测。因此，检测温度将是
3、一项很重要的工作。在我们日常生活中，用到电子产品的地方简直多不胜数，每一件电子产品都涉及了很多的模拟电路知识，因此模拟电路知识也是很重要的。本次的课程设计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。关键词：温度；检测；模拟电路AbstractTemperature detection in our life is everywhere to use of, all kinds of automatic temperature control device includes the knowledge
4、 of temperature detection, and temperature detection and control is very important of, little things such as the water heater temperature automatic detection control system, and so on some of life is inseparable from the temperature detection. Therefore, the detection of temperature will be a very i
5、mportant work. In our daily life, the use of electronic products is almost countless, each electronic products are involved in a lot of analog circuit knowledge, so analog circuit knowledge is also very important. The curriculum design to the analog circuit knowledge through the use of operational a
6、mplifier and a thermistor to detect temperature in simple, and the light emitting diode to display the temperature of different sections, made a simple temperature detection display device.Key words：Temperature; detection; analog circuit目 录1.引言 12.设计思路分析 23.电路结构设计 33.1系统结构图 33.2电阻的设计 33.2.1 NTC热敏电阻特
7、性 33.2.2 惠斯通电桥电路 43.2.3 各电阻阻值的确定 53.2.4 限流电阻的选定 53.3电容的设计 63.4电源的设计 64.电路的仿真与调试 84.1电路原理及仿真图 84.2电路焊接完成实物图 104.3电路实物调试 115.设计成果评价 146.有关设计感想 15附录一 17附录二 181.引言 随着当今社会科技不断发展，人类的生产生活已经离不开电，电子产品随处可见，大到航空航天，小到一个小小的发光二极管，都凝聚着无数前人的智慧。本实验要求设计一个可以检查温度区间的简单电路，我们便想到了用电压比较器比较电压信号输出来使发光二极管发光，从而来区分不同温度等级。大体的设计思路
8、就是这样。这个电路比较简单。运用惠斯通电桥原理，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。放大器我们选择了LM324运算放大器，因为该型号市场上比较常见，而且输出稳定，选用它是比较合适的。在最后进行实物焊接之前用Multisim软件进行仿真。2.设计思路分析这次课程设计要求设计一个可以检查温度区间的简单电路，我们便想到了用电压比较器比较电压信号输出来使发光二极管发光，从而来区分不同温度等级。大体的设计思路就是这样。运用惠斯通电桥原理，首先是几组电阻跟温敏电阻通过分压实现电位比较，根据公式，将0C，19C，29
9、C，39C下温敏电阻的阻值计算出来，计算出比例系数，进而反推出四组电阻的具体的值，将这四组阻值的电压和温敏电路那条之路的电压分别输给运算放大器的两输入端，通过比较，若温度达标则运放输出高电平（LED灯亮），反之则输出低电平（LED灯灭）。由分析可知若想完成要求，至少需要四个运算放大器，所以经过讨论，我们决定采用LM324，因为该芯片比较常见，恰好有四组放大器且工作状态稳定。3.电路结构设计3.1系统结构图根据题目要求，本电路主要由温度-电压转换部分、监测点可调基准电位部分、电压比较部分及LED四段显示部分组成，如图1所示。图1 系统结构框图3.2电阻的设计3.2.1NTC热敏电阻特性图2 NT
10、C热敏电阻特性图（1）Rt是热敏电阻在T1温度下的阻值；（2）R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值；（3）B值是热敏电阻的重要参数；（4）这里T1和T2指的是K度即开尔文温度，K度=273.15(绝对温度)+摄氏度； 比如 NTC热敏电阻 10K （型号：MF52AT） 5精度 B值：3950 1 10就是25度的温度。3.2.2 惠斯通电桥电路图4图3四个电阻R0、R1、R2、RT连成四边形，称为电桥的四个臂。四边形的一个对角线连有检流计，称为“桥”；四边形的另一对角线接上电源，称为电桥的“电源对角线”。 电源接通时，电桥线路中各支路均有电流通过。当C、D两点之间的电位不相等时，桥路中的电流，
11、检流计的指针发生偏转；当C、D两点之间的电位相等时，桥路中的电流，检流计指针指零（检流计的零点在刻度盘的中间），这时我们称电桥处于平衡状态,如图3。因此电桥处于平衡状态时有：此式说明，电桥平衡时，电桥相对臂电阻的乘积相等。这就是电桥的平衡条件。所以同理可得这四组电桥平衡的条件为（如图4）（RT1,RT2,RT3,RT4分别为温敏电阻在温度T1,T2,T3,T4下的阻值）。3.2.3 各电阻阻值的确定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：1.39、3.58、5.60、8.51。如表3.
12、1所示。表3.1 分压电阻比值T/Rt/k分压电阻比值033.6206031.3979521913.1270173.580402298.39131445.601029395.52008218.514366由上表可计算出个电阻阻值如表3.2所示表3.2各电阻阻值对应表T/Rt/k分压电阻比分压电阻1/K分压电阻2/K调零电阻033.620601.39795221430.61913.127013.5804024.71312.7298.3913145.6010296.81214.1395.5200828.514366101174.4分压电阻1的电阻比较常见，但是由于分压电阻2是后面计算出来的，没有办
13、法找到刚好与之相对应的阻值的电阻，所以我们就将R后拆分成1K串联上一个电位器。这样做有一个好处，就是不仅解决了电阻找不到的问题，还方便了后面电路的调试等。3.2.4 限流电阻的选定由于电源电压VCC为5V，发光二极管的功率为：其中R为限流电阻，VL为发光二极管正向偏压，此时流过发光二极管的电流为：IL一般为210mA, VL在1.532.03V内，同时考虑到LED灯的明暗程度，代入后取R近似值1K。3.3电容的设计查阅资料发现，当温度在临界温度变化缓慢时，运算放大器的两个输入端电压近似相等，此时从热敏电阻探头串入的噪声会引起运放产生自激振荡。为抑制电路中的噪声，我们在运放的反向输入端（即热敏电
14、阻电压输出端）并联一10uF的电容。并联电容后测试，发现自激振荡明显减弱，故采用电容滤波的方案。3.4电源的设计综合考虑LM324和整个电路的的特性，我们决定设计一个5V的电压源。同时结合上次模电实验所做的直流可调稳压源，所以我们采用以下设计：变压部分：采用15:1变压器。整流部分：采用一个整流桥进行全波整流。滤波部分：采用10uf电容稳定电压，减小脉动。稳压部分：前级采用LM1085-ADJ电压可调，后级采用一个LM1085-5V进行5V稳定输出。图5 电压源仿真图如下图为电源设计的仿真图，PCB图和实物图。图7 电压源实物图一图6 电压源PCB图图8 电压源实物图二4.电路的仿真与调试4.
15、1电路原理及仿真图由于热敏电阻在Multisum的元件库里没有找到，于是我们就用一个普通的电阻替换上去，通过改变这个电阻的阻值进而模拟出热敏电阻在温度不同时阻值的变化，测试电路的性能。图10 完整电路PCB图图9 完整电路仿真图图14 39以上图 11 0到19图 12 19到29以上图811是各个温度区间的仿真图，采用的是模拟温敏电阻在测试点0，19，29，39左右时电阻的变化，同时观察四个图 13 29到39LED灯的亮灭情况，并以此判断理论上计算得出的阻值能否是电路正常工作。由以上四张图可知，电路的仿真性能表现良好，各个区间温度段显示的小灯数正确。可以着手准备实物的焊接工作。4.2电路焊
16、接完成实物图1，正面布局图2，背面焊接图4.3电路实物调试由于室外温度没法达到零度以下，所以我们只测试了0以上的温度感应，其中，我们使用DS18B20温度传感器实时监测温度并将温度显示在1602上。如图14所示，当温度在19以下时，只亮了一个灯（圆圈处）。当我们同时用手握住温敏电阻和DS18B20，当温度上升到19以上，板子上第二个灯也亮了，如图12（圆圈处）。当我们用手紧紧握住热敏电阻时，由于人体正常的体温为37，而手上的温度可以达到29以上，所以如图16所示，有三个LED灯亮了。至于39以上，我们用一个瓶子装上刚从楼下打上来的开水，让DS18B20和温敏电阻同时接触水瓶的外表面，如图17，
17、39以下三个灯亮，39以上灯全部灯都亮了。5.设计成果评价这次课程设计我们小组的课题是“温度检测显示器设计仿真与实现”我们采用的是基于LM324对四个区间段分别进行电压信号比较输出。优点：1.电路结构比较简单。2.能够较为准确的检测温度区间。3.信息直观的显示出来。4.电路的元件常见。5.成本低廉，易于实现。缺点：1. 精度不够。2. 无法显示准确的温度。改进方案：方案一：对电路进行改造升级，尽可能的减小热敏电阻自身的误差对这个电路带来的影响。有条件的情况下，尽可能的提升元件的精度。方案二：对整个电路进行重新设计，将温敏电阻换成DS18B20温度传感器，并将信号输入单片机，单片机处理后即可实现
18、对温度的精确监控。6.有关设计感想通过这次课程设计，让我对书本上的知识有了更加深刻的了解，从开始的丈二摸不着头脑到后来思路的逐渐形成，期间我们小组经过了许多次激烈的讨论，不断上网搜寻各种相关的资料和请教别的同学，最终定下这个方案。经过这些天，小组成员们的一起努力，最终完成这个课程设计，总的来说，学到了许多书本上没有的知识，更重要的学到了处理问题的方式方法。面对摆在眼前的问题，学会去收集资料，并对它们进行归纳整理，一步一步的去克服。可以说这对我们将来出去工作有着重要的影响。同时，这次设计加强了我们独立思考的能力。一个好的设计需要通过我们不断的思维，不断的改善。经过设计之后，我们不像以前那样，遇到
19、问题都不愿意独立思考，只会一味的向别人求助。现在，我们会通过自己的思考，解决我们自己遇到的问题和困难。还有，我们学会不能手高眼低，要踏踏实实，从基础学起、做起。于是通过学习电路知识做出了满足要求并且可以显示温度的实物，当这个设计并用到我们所学的模拟电子技术基础的知识。并对我们学习的知识有复习并且实践的作用，所以我们重新设计电路，运用模拟电子技术完成了此次设计。虽然花了大量的时间在此次课程设计上，但我相信，付出和收获总是成正比的，只要敢于去尝试，前方就是希望。在这不长的时间里我感觉自己学到了许多课本之外的知识，让我学会了什么是团队合作，体会了团队精神，让我懂得了怎么表达自己并且去和别人沟通，同时
20、也将书本上的理论和实际相结合，提高了动手能力，增强了对知识的理解。参考文献1 吴友宇.模拟电子技术基础 M.北京：北京清华大学出版社,2000.2 杨素行.模拟电子技术基础简明教程 M.北京：北京高等教育出版社,2004.3 马场清太郎.电源电路设计技巧 M.北京：科学出版社,2013.4 康华光.电子技术基础 M.北京：北京高等教育出版社,2002. 5 许晓平,程传胜. PCB设计标准教程 M.北京：北京邮电大学出版社,2001.附录一NTC热敏电阻温度-阻值对照表已知条件B常数3950单位：K创建人：电信1403班 日期：2016-1-11R值10傅科学 苏静 许应国计算公式：Rt =R
21、*EXP(B*(1/T1-1/T2)说明： 1、Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值； 2、R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值； 3、B值是热敏电阻的重要参数； 4、EXP是e的n次方； 5、这里T1和T2指的是K度即开尔文温度，K度=273.15(绝对温度)+摄氏度.温度T1阻值Rt 温度T1阻值Rt 温度T1阻值Rt -40401.8597246230.26603419444.521729802-39373.8102278328.73283552454.34813685-38347.9326135427.28753953464.182234141-37324.0432394525.92456
22、242474.023639149-36301.9752292624.63870768483.871990336-35281.5768335723.42513712493.726945896-34262.7099619822.27934413503.588182582-33245.2488664921.19712914513.455394611-32229.07895931020.17457702523.328292635-31214.09575241119.20803624533.206602774-30200.20390241218.29409964543.090065722-29187.3
23、1635371317.42958681552.978435896-28175.35356521416.61152772562.871480647-27164.2428151515.83714766572.768979515-26153.91757351615.10385337582.670723535-25144.31693731714.40922014592.57651458-24135.38511861813.75098001602.486164751-23127.07098411913.12701078612.3994958-22119.32763832012.53532581622.3
24、16338585-21112.11204582111.97406473632.236532568-20105.38469022211.44148467642.159925334-1999.109265192310.93595224652.086372143-1893.2523942410.4559361662.015735507-1787.783375512510671.947884793-1682.67395355269.566796425681.882695852-1577.89810758279.155060618691.820050664-1473.4318624288.7636050
25、74701.759837009-1369.25311522298.391314428711.701948155-1265.34147828308.037140687721.646282566-1161.67813566317.700098824731.592743624-1058.24571279327.379262663741.541239367-955.02815759337.073761066751.491682246-852.01063205346.782774379761.443988895-749.17941332356.505531126771.398079905-646.521
26、8034366.241304936781.353879628-544.02604669375.989411673791.311315975-441.68125456385.74920677801.270320235-339.47733645395.520082741811.230826902-237.40493677405.301466859821.192773511-135.45537719415.092818999831.156100484033.62060372424.893629613841.120750982131.89313827434.703417852851.086670769
27、附录二元件清单:名称型号数量热敏电阻NTC热敏电阻1电位器05004运算放大器LM3241LED灯白发红4自锁开关6脚1IC底座14P1电解电容10uf1直流电源5V1电阻47k1电阻1k8电阻2k1电阻10k1电阻4.7k1电阻6.8k1直流电源5V1本科生课程设计成绩评定表姓 名苏静性 别男专业、班级电子信息工程电信1403课程设计题目： 温度检测显示器设计仿真与实现课程设计答辩或质疑记录：1 问：该电路的主要工作原理是什么? 答:利用温敏电阻阻值随温度升高而降低的特点，利用公式计算出测试点温敏电阻的阻值，同时计算该阻值下的压降，并与其他四条支路上对应电阻上的压降分别对比，若RT上的压降较
28、小，则运放输出高电平，LED灯点亮。2. 问：四条支路上的电阻是如何选取的？ 答:根据惠斯通电桥电路的特点，每一条支路前面的一个电阻(R前)就先选取几个常见的代入，而每条支路后面的电阻(R后)就得先计算出温敏电阻在某个测试点下的分压，从而确定一个(R后)，使得(R后)的压降同该测试点下的压降相等。使用上述方法就可以分别得出各个支路上电阻的值。3.问: 电路中的10uf的电容有什么作用？ 答: 因为温度在临界温度变化缓慢时，放大器的两个输入端电压近似相等，此时从热敏电阻探头串入的噪声会引起运放产生自激振荡。为抑制电路中的噪声，所以我们就采用10uf的电容进行滤波。成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 年 月 日
