温度测量控制系统的设计与制作实验报告(汇编)

北京电子科技学院

课程设计报告

( 2010 – 2011年度第一学期)

名称：模拟电子技术课程设计

题目：温度测量控制系统的设计与制作

学号：

学生姓名：

指导教师：

成绩：

日期：2010年11月17日

目录

一、电子技术课程设计的目的与要求 (3)

二、课程设计名称及设计要求 (3)

三、总体设计思想 (3)

四、系统框图及简要说明 (4)

五、单元电路设计（原理、芯片、参数计算等） (4)

六、总体电路 (5)

七、仿真结果 (8)

八、实测结果分析 (9)

九、心得体会 (9)

附录I：元器件清单 (11)

附录II：multisim仿真图 (11)

附录III：参考文献 (11)

一、电子技术课程设计的目的与要求

（一）电子技术课程设计的目的

课程设计作为模拟电子技术课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握电子系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。

按照本专业培养方案要求，在学完专业基础课模拟电子技术课程后，应进行课程设计，其目的是使学生更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计小型电子系统的方法，独立完成系统设计及调试，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。

（二）电子技术课程设计的要求

1．教学基本要求

要求学生独立完成选题设计，掌握数字系统设计方法；完成系统的组装及调试工作；在课程设计中要注重培养工程质量意识，按要求写出课程设计报告。

教师应事先准备好课程设计任务书、指导学生查阅有关资料，安排适当的时间进行答疑，帮助学生解决课程设计过程中的问题。

2．能力培养要求

（1）通过查阅手册和有关文献资料培养学生独立分析和解决实际问题的能力。

（2）通过实际电路方案的分析比较、设计计算、元件选取、安装调试等环节，掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

（3）掌握常用仪器设备的使用方法，学会简单的实验调试，提高动手能力。

（4）综合应用课程中学到的理论知识去独立完成一个设计任务。

（5）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。

二、课程设计名称及设计要求

（一）课程设计名称

设计题目：温度测量控制系统的设计与制作

（二）课程设计要求

1、设计任务

要求设计制作一个可以测量温度的测量控制系统，测量温度范围：室温0～50℃，测量精度±1℃。

2、技术指标及要求：

（1）当温度在室温0℃～50℃之间变化时，系统输出端1相应在0～5V之间变化。

（2）当输出端1电压大于3V时，输出端2为低电平；当输出端1小于2V时，输出端2为高电平。

输出端1电压小于3V并大于2V时，输出端2保持不变。

三、总体设计思想

使用温度传感器完成系统设计中将实现温度信号转化为电压信号这一要求，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。因此，我们可以利用它的这些特性，实现从温度到电流的转化；但是，又考虑到温度传感器应用在电路中后，相当于电流源的作用，产生的是电流信号，所以，应用一个接地电阻使电流信号在传输过程中转化为电压信号。接下来应该是对产生电压信号的传输与调整，这里要用到电压跟随器、加减运算电路，这些电路的实现都离不开集成运放对信号进行运算以及电位器对电压调节，所以选用了集成运放LM324和电位器；最后为实现技术指标（当输出端1电压大于3V时，输出端2为低电平；当输出端1小于2V时，输出端2为高电平。输出端1电压小于3V并大于2V时，输出端2保持不变。）中的要求，选用了555定时器LM555CM。

通过以上分析，电路的总体设计思想就明确了，即我们使用温度传感器AD590将温度转化成电压信号，然后通过一系列的集成运放电路，使表示温度的电压放大，从而线性地落在0～5V这个区间里。最后通过一个555设计的电路实现当输出电压在2与3V这两点上实现输出高低电平的变化。

四、系统框图及简要说明

（一）系统框图的简要说明

1、温度传感器AD590作用是将温度信号转化为电流信号。

2、一个10K 的电阻，将电流信号转化为电压信号,即2.73～3.23v

3、电压跟随器1是为了隔离10K 电阻对后续电路的影响。

4、加减运算电路是为了将电压信号调整到0～5V 。

5、电压跟随器2、电压跟随器3，均是为了防止前面的电路对后续电路的影响。

6、555定时器LM555CM ，利用它的CON 端实现功能（2）的要求。 （二）系统框图

图1 温度测量控制系统框图

五、单元电路设计（原理、芯片、参数计算等）

（一）温度信号转化为电流信号部分

1、本部分应用了集成温度传感器AD590。AD590是美国ANALO G DEV ICES 公司的单片集成两端感温电流源,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。 电路外形如图2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。

图2 AD590管脚图

AD590的主要特性：

（1）流过器件的电流（μA ）等于器件所处环境的热力学温度（K ），即：

A/K 1/μ=T I r

式中：Ir 为器件AD590的电流，单位为：μA 。T 为所处环境的热力学温度，单位为：K 。 （2）AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

（3）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Ir 变化为1μA ，相当

于温度变化为1K 。AD590可承受44V 正向电压和20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 （4）输出电阻为710M Ω。

（5）精度高。共分I 、J 、K 、L 、M 五档，M 档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差仅为AD590串接一个10千欧电阻

电压跟随器

用5V 电源通过电位计分压得到2.73V 电压

电压跟随器

加减运算电路将2.73~3.23V 电压转换成0~5V 输出

555电路构成2~3V 滞回电压比较器

分压电路

实现高低电平的输出

灯

输出端1

0~5V 输出

产生2.73~

3.23V 电压

±0.3℃。 2、参数计算

本设计要求在室温0～50℃范围内变化，所以由：

t T +=273（K ）

有：

12730273T =+=，227350323T =+=,且 A/K 1/μ=T I r 所以，

有：

A I r μ2731= ，1323r I A μ=

3、AD590的封装及应用电路 （1）AD590的封装

图3 AD590封装

（2）AD590的应用电路

图4 AD590应用电路

在multisim 中，用一个直流电流源代替AD590传感器。为了在仿真中方便表示温度的变化对输出电压的影响，故使用输出电流变化的直流电流源。

硬件安装时：AD590的安装时要注意引脚安装正确。AD590的管脚图由图3所示，安装时管脚1接高电源，此处用12V 。2号引脚是直流输出，3号脚悬空即可。用电烙铁接触一下AD590随即放开，然后再点一下这样来加热，使温度升高，温度传感器将感受到的温度变化转化为电流信号。 （二）电流信号转化为电压信号部分

1、原理：根据AD590的电流输出特性，当温度在0℃～50℃变化时，输出电流从273uA ～323uA 之间线性变化。则通过电压跟随器2输出的电压将为2.73V ～3.23V 。如图5-2。

2、参数计算：由欧姆定律：I=U/R ，U=IR 1

2

3

得：

V

K A R I U r r 73.21027311=Ω?==μ

2232310 3.23r r U I R A K V μ==?Ω=

（三）加减运算电路部分

1、原理：因为要实现输出电压1在0～5V 变化，所以必须通过加减运算电路将输入电压2.73～3.23V 转化为0～5V 。连接电路如图5所示

:

图5 加减运算电路电路图

2、所用芯片：四运放LM324CM 。

3、参数计算：

因为输出1的电压范围是0～5V ，根据加减运算电路公式：

012

()f U U U R R R +-

=-

2378////R R R R =

假定反馈电阻10f R K =Ω,输入端电阻121R R K ==Ω,

0 2.73

10()11

U U +=-

而U +的范围是2.73V~3.23V , 即min max 2.73, 3.23U V U V ++==,因此，得出0U 的范围为0~5V 。 （四）电压跟随器部分

本系统中所搭接的三个电压跟随器的作用均是防止前面所接电路对后续电路的影响，即起到一个隔离的作用。具体电路图如下（图6）：

图6 电压跟随器电路

2、所用芯片：LM324N。

（五）555定时器部分

1、原理：这部分应用的是555定时器的CON端。当CON端电压值给定后，THR端电压大于等于CON端的电压时，输出低电平；TRI端电压小于等于CON/2时，输出高电平。（如图5-5）

图7 555定时器部分电路图

2、参数计算：先设定CON=3V，当Ui≥3V时，OUT端输出低电平；当Ui≤1.5V时，OUT端输出高电平。但题目中是当Ui≤2V, 输出高电平,所以,在运放的输出端和TRI端之间接了一个电位器,调到3/4处,即使得Ui≤2V时,U TRI≤2×3/4=1.5V。

将前面的放大电路的输出电压直接作为555定时器的VTH输入，而将VTH经过分压电路分出3/4的电压后作为555定时器的VTR输入，这样，由于555定时器的基本特性，就可以实现设计的要求，即当输出1的电压小于2V时输出2为高电平，当输出1的电压大于3V时输出2为高电平，当输出1在2V与3V之间变化时，输出2的电平保持不变。

六、总体电路

图8 温度测量控制系统总体电路图

七、仿真结果

1、加减运算电路正常工作时仿真结果。

通道A为ad590输出电压，通道B为输出电压。（即要求（1）的仿真结果）

图9 电平变换仿真结果

2、电平变换仿真结果。

通道A为输出电压，通道B为电平变换结果（即要求（2）的仿真结果）

图10 电平变换仿真结果

八、实测结果分析

1、依照下表进行测试：

表1 结果测试表

第一组：

项目温度输出1 输出2 理论数值20℃2V 高电平

实测数值20.1℃ 1.97V 高电平误差0.5% 1．5% 无第二组：

项目温度输出1

输出2

理论数值18.5℃ 1.85V

高电平

实测数值18.4℃ 1.84V 高电平

误差0.5%

0.5% 无

第三组：

项目温度

输出1

输出2

理论数值30℃3V 低电平

实测数值30.1℃ 3.01V 低电平

误差0.5% 0.5% 无在误差允许的范围内，实验结果符合要求。此系统的精确度达到题目要求。

九、设计总结

1、成果评价

温度测量控制系统的设计与制作要完成和实现的电路其稳定性和准确度的要求都很高，虽然用

multisim仿真软件实现了其全部功能，但模拟电路与实际电路的差距还是很大的。实际电路中用到的基本的元器件相较模拟器件性能有一定的差距，同时受到外界环境的影响，电路中的连接导线对电路的精确度和稳定性也有一定的影响。根据前面的单元电路的设计的分析，可以知道，系统的整体的精确度与所使用的传感器是密切相关的，而一般的AD590的数度都比较高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。所以系统的非线性误差比较小，达到题目的误差±1℃的要求。而其它的诸如电阻与理论值的误差则可通过各级的滑动变阻的调整来进行平衡，最终对输出不会产生太大的影响。最终成果完成全部设计要求，但电路的稳定性有待提高。

2、心得体会

有了上一次数字电路课程设计的经验，这次的课程设计做地较为顺利，也是对数字、模拟电路知识的一个全面的复习与应用，从中也学到了不少进行整个功能模块电路的设计的经验。课程设计要求我们先要有之前学习过的数电模电课程的理论知识，加上熟练运用仿真软件，最后就是实际电路的连接与测试。通过这次的课程设计，有了一个应用模电知识进行电路设计的实际操作的经验，能够对模拟电子技术有了更直观的认识。

通过课程设计，我还了解到了跟模拟电子技术相关的课外知识。最突出的就是传感器的学习与使用。传感器作为一个重要的模拟元器件，在各个场合都发挥着重要的作用。而在学习模拟电子技术的知识的时候，我们也只是知道有这么一个东西，而对具体的组件的原理并没有深入的了解，更没有使用它们进行电路设计的机会，这次的课程设计，我只是用到了一个小小的温度传感器，就发现了传感器作为一个现实信号与电信号的转换方面的强大功能。

在设计实现的过程中，我遇到了很多不懂的地方，困难也较多。看来只完成虚拟仿真是远远不够的，实现一个实际电路光靠简单的按图连接是无法顺利完成的，而是要从多方面去考虑，比如电路的可行性，芯片的性能特点，实际环境的影响等等都需要我们去考虑。只有充分考虑到设计中可能存在的问题并提前想好解决方案，才能节省我们实际调节电路，改动电路的时间，使电路达到最优化。

虽然我们早已学习了数电模电的课程，也做过了一些实验，但是到了真正动手去完成一些实际电路的时候，就慌了手脚。由于是第一次接触传感器的使用，所以当在仿真中没有找到AD590的时候就有点不知所措了，后来通过上网查它的相关资料和询问同学，得知可以用合适的电流源来充当AD590，效果是大致相同的。为了使用电压跟随器和加减运算电路，又专门把以前的数电模电书找了出来，查找了相关的资料，也算是复习了一下以前的课程。为完成分压的部分，在电阻的选择上产生了犹豫，

调试电路的时候出现了诸多问题，比如说：在电路搭接好后开始调试时，无论怎样操作，LM324的3号引脚处的电压值都是12V，即温度传感器与10V电压串接并没有达到2.73V左右的要求，在使用万用表挨个测各个点的电压值后，温度传感器的接法出现了错误，所以将温度传感器按照正确接法换了个孔插入面包板后，这个问题就解决了。再比如说，在仿真中用两个电阻实现的一定比例的分压到了实际电路中就不准确了，后来换成了滑动变阻器，经过调节达到要求的比例。还有一例，在实际操作中发现最后555芯片输出的电路略大，思前想后决定串联电阻，使问题得以解决。

总之，我认为，模拟电子技术课程设计虽然结束了，在这过程中有收获，也留下了很多遗憾，因为由于时间的紧缺和许多课业的繁忙，并没有做到最好，只是仅仅完成了课题的要求。但是，我却仍然很满足，因为我从中得到了磨练，知识与技能也得到了相应的提高与升华。我还从中发现了我也具备一定的联想力与创新的能力。我能想到，可以将此题变为测氧气浓度的问题，利用气体传感器来实现，当氧气浓度低于标准值时亮红灯，当氧气浓度高于标准值时红灯灭。原理都是相同的。这就是传感器功能的强大，这就是模电设计的强大，也是思维变通与创新的飞跃。

有时候过程比结果更能让人收获很多、感受很多、成长很多。实践中，因为怕出问题，因为怕不实现功能，导致我的内心非常的紧张，拿着电烙铁的手都在抖，这体现我的抗挫折的心理素质较差，殊不知出现错误的时候更应该用一种积极的心态去对待，一方面，我们不仅能够从失败中找出问题、分析问题，利用自己的知识网做到对症下药，不但使自己更加深刻地了解课题，并且能够提醒自己以后不会犯类似的错误；另一方面，失败是成功之母，历经挫折后的成功远比一帆风顺的成功更能让人兴奋，更能让人珍视其

得之不易。相信以后我会以一种更加积极的心态、更加积极的态度来面对我的学习、工作与生活，我会敢于发现自己的不足与欠缺，努力去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，进而使自己得到不断的完善。只有在了解了自己的长短之后，才会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它！

附录I：元器件清单

附录II：电路仿真图

附录III：参考文献

1、阎石主编《数字电子技术基础》（第四版）高等教育出版社

2、北京电子科技学院电子技术实验室《模拟电子技术实验指导书》

芯片名称型号数量

集成运放LM324N 1

555定时器LM555CM 1

电位器0-10K 3

定值电阻1K 2

定值电阻10K 3 发光二极管（红光）2．5V 1 导线若干3、华成英、童诗白主编《模拟电子技术基础》（第四版）高等教育出版社