温度报警器仿真文档格式.docx
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已知条件:
1温度传感器温度为25时,所有电阻的阻值为400温度每上升1,Rt的阻值下降0.012数字电压表:
2V满量程,3位半3发光二极管:
正常发光时正向电流为210mA设计要求:
1温度为0时,数字电压表的指示为0.000V2温度为100时,数字电压表的指示为1.000V3温度低于30或高于40时,点亮发光二极管报警4温度监测与报警误差2分析:
1.由已知条件知:
Rt与温度T的关系为:
Rt=400.25-0.01T;
由于Multisim12.0软件里面没有热敏电阻,根据上面的关系式,把Rt替换成一只399.25与一个1的电位器串联,从而模拟由于温度改变引起的Rt的阻值变化。
2.根据设计要求1和2:
温度为0时,数字电压表的指示为0.000V,即Rt=400.25时,电压表示数为0.000V;
温度为100时,数字电压表的指示为1.000V,即Rt=399.25时,电压表示数为1.000V;
3.根据设计要求3:
温度低于30或高于40时,点亮发光二极管报警,即电压小于0.3V或大于0.4V时,输出逻辑高电平,使发光二极管应导通;
则此时显然因选用的比较器为窗口比较器。
4.根据设计要求4:
温度监测与报警误差2,则所选用运放应具有低失调。
系统方案设计与仿真:
一:
系统框图传感器比较器信号放大部分信号采集报警电压表显示二:
单元电路1传感器分析得到:
热敏电阻的阻值:
用一只399.25与一个1的电位器串联来代替,从而模拟由于温度改变引起的Rt的阻值变化。
图1传感器部分2信号放大电路由于采样信号为双端输入,共模量大,差模量小的信号,而系统需要的信号为差模信号,所以应采取CMR高的差分放大电路,并且应具有低失调,零点漂移,放大倍数稳定精确的特点。
经查阅多种运放芯片手册以及做电子设计竞赛中用过的常用运放,先选用了OP07,但仿真发现误差最大时超过1.5mV,虽然也能满足项目+-2的指标要求(即要求到+-20mV),但为了追求更高的精度和指标。
最终选择了INA163,INA163是一种低噪声,低失真的仪表放大器。
经仿真发现误差最大时也不超过0.2mV,下为INA163数据手册的部分资料放大器元件参数分析与计算:
要使0时为0V,100时为1.000V;
而在25时差模输入信号为0,分析知放大部分的输出与输入差模信号不是直接的K倍关系,而应叠加一个直流偏移。
设放大部分放大倍数为a,放大直流偏移bmV;
建立方程组0时差模信号为:
-781uV;
则:
-781a/1000mV+b=0;
(1)100时差模信号为:
2.346mV;
2.346amV+b=1000mV;
(2)联立
(1)
(2)式解得:
a=319.795倍;
b=249.76mV;
根据INA163的芯片手册:
式中Rg为3和12直接的外接反馈电阻;
根据所需放大倍数,从而算得Rg=18.8设计出放大级的电路如下图2放大部分3电压显示电路可选方案有方案一:
Icl7107,ICL7107是一块应用非常广泛的集成电路。
它包含31/2位数字A/D转换器,可直接驱动LED数码管,从而显示电压值,且精度能达到设计要求。
方案二:
用数字万用表直接显示,显然也能达到设计指标。
由于multisim里面没有icl7107系列芯片,icl7107是功能复杂的专用芯片,因此没有可以替换的单个芯片,只得选取方案二。
(图3)4比较器电路采用两个LM311组成窗口比较器,输出端通过10K的上拉电阻接到Vcc。
通过外部电压设定门限值,使当输入电压ui在0.3到0.4V之间时输出逻辑低电平(mV级别),ui低于0.3或高于0.4V时,输出高电平(约为4.5V,二极管有一点压降)。
经仿真,发现门限值和输出效果十分准确。
5报警电路采用发光LED报警,项目要求正常发光时正向电流为210mA,先设定LED的正常工作电流为5mA.由于比较器的输出的驱动能力较弱,采用一只常用NPN型管2N3904对发光二极管进行驱动。
当Uo=0时,三极管截止,LED不亮;
当Uo输出高电平时,三极管工作,LED亮;
从而实现报警。
图4报警部分6.温度报警器全局电路图图5温度报警器全局电路图三:
仿真结果由于对整体进行仿真,已经相当于对每个单元进行仿真了,就没有把每个单元单独隔离出来仿真了(设计每个单元时已经验证过其正确性)。
对电压表显示和发光报警部分的仿真:
(1)温度为0时,调节滑动变阻器使Rt=400.25仿真:
结果为:
数字万用表示数697.593uV,led亮(温度低于30,报警);
(2)温度为100时,调节滑动变阻器使Rt=399.25结果为:
数字万用表示数1.001V,led亮(温度高于40,报警);
(3)温度为10时,调节滑动变阻器使Rt=400.15结果为:
数字万用表示数900.758mV,led亮(温度低于30,报警);
(4)温度为25时,调节滑动变阻器使Rt=400结果为:
数字万用表示数750.607mV,led亮(温度低于30,报警);
(5)温度为31时,调节滑动变阻器使Rt=399.94结果为:
数字万用表示数350.48mV,led不亮(温度在30到40之间,不报警);
(6)温度为35时,调节滑动变阻器使Rt=399.9结果为:
数字万用表示数300.493mV,led不亮(温度在30到40之间,不报警);
(7)温度为37时,调节滑动变阻器使Rt=399.88结果为:
数字万用表示数390.475mV,led不亮(温度在30到40之间,不报警);
(8)温度为41时,调节滑动变阻器使Rt=399.84结果为:
数字万用表示数420.474mV,led亮(温度高于40,报警);
(9)温度为80时,调节滑动变阻器使Rt=399.45结果为:
数字万用表示数840.691mV,led亮(温度高于40,报警);
(10)温度为90时,调节滑动变阻器使Rt=399.35结果为:
数字万用表示数960.834mV,led亮(温度高于40,报警);
分析:
仿真结果均达到设计要求。
四:
结论设计项目成功,达到所有设计指标。
1温度为0时,数字电压表的指示为0.000V.(实际为697.593uV)2温度为100时,数字电压表的指示为1.000V.(实际为1.001V)并且温度在0到100之间变化时,数字电压表的指示十分精确,最大误差小于0.2mV.3温度低于30或高40时,点亮发光二极管报警.(能准确报警)4温度监测与报警误差2(实际误差0.02)总结:
通过本课程设计项目,认识到实际运用中芯片选型的重要性,在电子设计中,芯片选型也是一个关键,本项目中OP07和INA163仪放精度差了不少。
然后就是multisim软件的缺陷,很多专用芯片在元件库中都没有,实际做电路是也不一定做仿真分析。
其次,本项目中传感器太理想,实际生活中不太可能,各种元件的阻值也不可能精确,所以计算机仿真出来的结果和实际制作出来的也会有所差距。
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- 温度 报警器 仿真