机械工程测试技术课程设计——温度测量仪

机械工程测试技术课程设计说明书

课题题目：温度测量仪

专业名称：机械设计制造及其自动化学生班级：

学生姓名：

学生学号：

指导教师：

2014年6月17日

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；

目录

第1章绪论 (1)

1.1电子技术的发展趋势 (1)

1.2 本人的主要工作 (2)

第2章温度测量仪的电路设计 (3)

2.1 温度测量仪总体框图 (3)

2.2 AD590集成温度传感器 (3)

2.3 K—℃变换器 (4)

2.4 放大器 (5)

2.5 比较器 (5)

2.6 报警设备 (6)

2.7 电路原理图 (7)

第3章仿真与制作 (8)

3.1 电路的仿真 (8)

3.2 仿真结果及其分析 (12)

3.3 温度测量仪的调试 (12)

第4章总结报告 (13)

附录A元件清单 (14)

附录B实物图 (15)

参考文献 (16)

第1章绪论

1.1电子技术的发展趋势

电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。高科技的广泛应用使社会生产力和经济获得了空前的发展。现代子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大的作用。现在的世界，电子技术无处不在：收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。

电子管时代（1905~1948）。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。

晶体管时代（1948～1959）。1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管，揭开了晶体管的发展序幕。

集成电路阶段（1960~至今）。自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2

年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。而本实验所研究的温度测量仪，由于其可靠性高、便携性好、功能齐全、功耗低、适用场合广泛、测温精度高等特点，广泛应用于温度差测量领域。

第2章温度测量仪的电路设计

2.1 温度测量仪总体框图

使用温度测量仪，首先经过AD590集成温度传感器的作用，使外界温度转

换为电流用表示。因为上述为绝对温度K 和电流之间的转换关系，而在设计中我们需要采用℃，所以我们必须使其转换成摄氏温度℃和电流之间的关系，这就要用到K —℃变换器。通过K —℃变换器的作用，我们便得到想要的℃和电流之间的直接转换关系。得到的电流再经过放大器的放大，即可直接用电压表读出被测对象的温度值。然后放大后的电压接一比较器，比较器的输出端接报警设备。报警设备可由一个发光二极管组成。在设置了预警温度后，由比较器输出端的电压决定二极管是否发光，从而起到警报作用。基本原理图如图2.1.1所示。

图

2.1.1温度测量仪原理框图

2.2 AD590集成温度传感器

AD590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2.2.2所示。由图可得：

由 611/10/O U U uA K R R K -==?=? （R 一般取10K Ω）

所以110/U mV K =。

图2.2.1 AD590原件符号 图2.2.2 温度——电压转换电路

2.3 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，参考电路如下图2.3

图2.3 K —℃变换电路

设流经R2,R1,R3的电流分别为 1,2,3i i i 对图2.3的反相输入节点可列出下面的方程： 123i i i +=

由此得

12

123

R U U U R R R --= ( 2.3.1 )

若 123R R R == （实际应用中可取R1=R2=R3=5 KΩ）

而 123'////R R R R =

计算得 '1.67R K =Ω 则式 ( 2.3.1 )可变为

21R U U U =- （ 2.3.2 )

元件参数的确定和－U R 选取的指导思想是：0℃（即273K ）时，U2 = 0 V 综合式（2.2.1），可得

2.73R U V =。 ( 2.

3.3 )

2.4 放大器

图2.4 反相比例放大器

设流经R4，R6的电流分别为i4，i6。 由虚断的概念可知，i4=i6， 所以得出:

63

42

R U R U = （2.4.1） 为了提供一个合适的静态偏置，以及减小输入级偏置电流引起的运算误差，故在

其同向端接入一个平衡电阻

546//R R R = ( 2.4.2 )

要使U3满足100mV/℃， 又因为 U2=10mV/℃，

由式（2.4.1）可得

63

42

10R U R U == 所以我们可取45R K =Ω 650R K =Ω 5 4.5R K =Ω

2.5 比较器

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。

图2.5.1 电压比较器

由电压比较器组成，如图2.5所示。U ref 为报警时温度设定电压5V ，R7,R8用于稳定输入电压。R 9用于改善比较器的迟滞特性，R10用于报警设备的输入电阻，用来控制输入电流的大小。这些电阻决定了系统的精度。

由比较器的虚短和虚断概念得

334

89

ref U U U U R R --= （2.5.1）

经过调试，可取750R =Ω 850R =Ω 910R K =Ω

2.6报警设备

发光二极管为其核心设备,其发热量小，耗电量也少，节能。由低压电源供给，供电电压大大约为6-24 V 之间。

当3U 的值小于ref U 的值时，4U 输出为低电平，三极管截止，发光二极管无响应。

当4U 的电压值大于ref U 时，4U 输出为高电平，三极管导通，此时发光二极管发光，产生警报！

图2.6.1 发光二极管图2.6.2 报警设备电路 2.7 2.7电路原理图

由上述各设计电路可得出如图2.7所示电路原理图。

图2.7

第3章仿真与制作

3.1 电路的仿真

仿真电路如图3.1.1,3.1.2和3.1.3所示

其中，图3.1.1是温度未达警戒线50℃的仿真电路；图3.1.2是温度刚好为50℃的仿真电路；图3.1.3是温度超过警戒线50℃的仿真电路。

图3.1.1 27℃时

图3.1.2 50℃时

图3.1.3 60℃时

3.2 仿真结果及其分析

由图3.2.1 可以看出：当恒流源取300uA（300K）时，转化为温度是

300-273=27℃，而3

U的电压值大约为2.7V，即仿真所得的实际结果与理论相同。

由图3.2.2 可以看出：当恒流源取323uA（323K）时，转化为温度是

323-273=50℃，而3

U的电压值大约为5V，即仿真所得的实际结果与理论相同。

由图3.2.2 可以看出：当恒流源取333uA（333K）时，转化为温度是

333-273=60℃，而3

U的电压值大约为6.0V，即仿真所得的实际结果与理论相同。所以，仿真成功，可以通过此装置测得温度。

3.3温度测量仪的调试

1.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R0=10KΩ，则U1=3V调整U R的值使U2=-270mV,若放大器的放大倍数为－10倍，则放大器的输出U3应为2.7V。测比较器的比较电压U2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。比较器的输出可接发光二极管。把温度传感器加热（可以电吹风吹）在温度小于设定值前发光二极管应处于熄灭状态，反之，为点亮。

2.实物的调试：

温度测量仪测试：当恒流源取300uA（300K）时，转化为温度是

300-273=27℃，而所测3

U的电压值为2.53V，与已知的理论值2.7V不符合，应调节电路板上电位器使3

U的值大约为2.7V即可。当恒流源取323uA（323K）时，转化为温度是323-273=50℃，而3

U的电压值4.13V，与已知的理论值不符合，应调节其电位器使3

U的值大约为5V即可。当恒流源取333uA（333K）时，转化为温度是333-273=60℃，而3

U的电压值大约为5.99V，与已知理论值基本6V相同，所以，调试成功，可以通过此装置测得温度。

第4章总结报告

经过了一个星期的课程设计，我感想颇多。这篇关于温度测量仪的课程设计说明书，终于圆满完成了。期间，方便的网络给我提供大量的书本上所没有资料。通过自己亲手设计，增加了对这门学科的兴趣，而且，由于之前的有关内容学的不是很扎实，导致刚动手的时候，遇到很大的阻力。但在查阅了大量的资料后，这些内容所包含的知识点要比让我有了深刻的理解。可见通过实际的动手操作，能够更好的掌握所学的知识。

这让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。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。

附录A元件清单

参考文献

[1]李力．机械工程测试技术．华中科技大学出版社．

[2]康华光．电子技术基础模拟部分（第五版）．高等教育出版社．

[3]曹才开．电路与电子技术实验．中南大学出版社．

[4]康华光．电子技术基础数字部分（第五版）．高等教育出版社．

[5]郭照南．电子技术基础实验与仿真．中南大学出版社．