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测控电路设计实践
课程设计结题报告
课程名称________测控电路________
题目温度上下限报警电路及触碰报警电路
指导教师刘国忠、吴思进
系别仪器科学与光电工程学院
专业______测控技术与仪器______
学生姓名张雪
班级/学号1001/2010010624
成绩___________________
目录
一、设计任务与要求:
3
二、设计目的3
三、系统设计方案4
1.任务分析4
2.方案论证4
3.各单元电路的设计5
四、元器件的选择及参数计算7
1.热敏电阻特性7
2.集成运算放大器LM3249
3.运算放大器UA741CN10
五、调试与计算12
六、电路连接13
七、方案的优缺点及改进方法14
八、心得与收获14
九、元器件清单15
十、参考文献16
一、设计任务与要求:
1.利用NTC热敏电阻制作一个简单的可以控制温度上下限的报警装置:
(1).在正常温度范围,此装置不报警,对应LED不发光,蜂鸣器也不响。
(2).当温度升高时,LED1发绿光报警,当温度降低时LED2发红光报警。
(3).根据自己设计需要设置温度的上下限,即正常温度的范围。
(4).通过放大电路,将温度显示在数字表头上。
2.利用触碰开关模拟触摸传感制作一个触碰报警电路
(1).当按下触碰开关时,电路闭合,蜂鸣器报警。
(2).当不按下触碰开关时,电路断开,蜂鸣器不报警。
3.技术要求:
(1).测量温度范围为200C~1650C,精度10C;
(2).被测量温度可数字显示;
(3).控制温度连续可调;
(4).温度超过设定值时,产生声光报警;
(5).触碰开关按下时,产生声报警。
按照上述功能,完成电路图的设计与仿真,并完成面包板上实际电路的搭建与相关检测调试。
二、设计目的:
1.掌握热电式传感器工作原理并了解热敏电阻与温度变化的关系;
2.熟练应用直流电桥,比较器等基本电路;
3.自拟电路,充分体会热电式传感器的实际应用;
4.学习使用系统进行电路仿真,用软件绘制原理图。
三、系统设计方案:
1.任务分析:
温度上下限报警装置:
提示:
(1):
将热敏电阻接到桥式电路中,常温下输出电压为0,LED不发光;
(2):
当把热敏电阻加到一定的热水或冷水中,(即温度升高或降低)桥式电路不平衡,导致后续的晶体管出现导通,对应的LED亮;
(3):
在接三极管前现需要对桥式电路的输出电压信号放大
温度上下限的确定:
根据热敏电阻对于不同温度有不同的电阻值的特性来得到。
本次使用的是NTC10k的负温度系数热敏电阻,即随着温度的升高,电阻值不断减小。
通过查取热敏电阻不同温度时的电阻值,来控制温度上下限的值。
电路的实现:
主要通过NTC传感器的作用,将温度引起的阻值变化转化为电势的变化,再经过集成运算放大器来控制输出,从而得到对温度上下限的控制。
最后经过后续电路,完成亮灯和报警系统。
温度显示电路:
将热敏电阻输出与放大器相连因为热敏电阻输出的电势较小,所以需要放大电路将其输出电压放大。
还需要减法电路,目的是为了能够调零,进行温度的准确标定。
触碰报警电路:
通过按下和松开触碰开关来控制电路的接通与断开,进而实现报警功能。
2.方案论证:
温度上下限报警装置方框图
热敏电阻
发光二极管
三极管
LM324
比较器
滑动变阻器
温度显示电路框图
同比跟随器
减法放大器
跟随器
热敏电阻输出
触碰报警电路框图
蜂鸣器
三极管
触碰开关
3.各单元电路的设计:
我们用multisim原件仿真,画出所设计的电路图。
电路基本设计出来后,在计算机上用multisim系统仿真软件实现仿真。
对元器件的取值应严格按照设计的电路及实际情况来确定,以减少在硬件操作时的麻烦。
以下为仿真后的截图效果:
此电路图是由两部分报警电路所组成,其中一部分是温度上下限报警电路,另外一部分是触碰报警电路。
温度上下限报警电路:
供给5V的电压。
热敏电阻与一个100欧的电阻串联,用100欧的定值电阻的作用是分取一定电压,以便能够测量热敏电阻的输出电压。
热敏电阻的输出电压分成两路,一路给LM324运算放大器1的负输入端,另外一端给LM324运算放大器的正输入端(LM324内有四组运算放大器)。
运算放大器1正输入端连与一个定值电阻和一个滑动变阻器串联,运算放大器2的负输入端与一个定值电阻和一个滑动变阻器串联。
接入滑动变阻器的目的是改变输入的电压值,从而改变温度上下限的设置。
与运算放大器1的正输入端串联的滑动变阻器阻值越低,温度的上限值越高。
与运算放大器2的负输入端串联的滑动变阻器阻值越低,温度的下限值越低。
运算放大器1的正输入端的电压大于负输入端的电压则有电压输出,导通三极管,从而有电流通过,点亮发光二级管。
同理,运算放大器2亦是如此。
这样就能通过调节滑动变阻器的阻值设定温度的上下限,实现超温报警。
触碰报警电路:
供给5V的电压。
触碰开关与一个三极管串联,蜂鸣器一端连接三极管的集电极,一端连接5V的电压。
按下触碰开关,电路闭合,电流通过蜂鸣器流经三极管,构成回路,蜂鸣器报警。
到此,就能通过此电路实现触碰报警。
将具有两种功能的报警电路连接到一起(工地供电源)就能实现多功能报警电路了。
温度显示放大电路:
热敏电阻的输出电压接741运放的正输入端,构成跟随器,目的是为了减小分压造成的影响。
跟随器的输出端接运算放大器的负输入端,正输入端接一输入电源,构成减法运算放大器,放大倍数为Rf与Ri的阻值之比。
设计此部分电路是为了调整当热敏电阻的阻值为27.6千欧时,其输出电压应为零。
四、元器件的选择及参数计算
1.热敏电阻特性:
热敏电阻的基本特性是电阻—温度特性。
我们使用的热敏电阻为负温度系数热敏电阻,特别适用于-100~300℃之间测温,在较小的温度范围内,其电阻-温度特性曲线是一条指数曲线,即随着温度的升高阻值不断减小。
由于热敏电阻是由半导体材料制成的,其中的载流子数目是随温度的升高按指数规律迅速增加的。
载流子数目越多,导电能力越强,其电阻率也就越小,因此热敏电阻的电阻值岁温度的升高将按指数规律迅速减小。
这和金属中自由电子的导电机制恰好相反,金属中的电阻值是随着温度的上升而缓慢增大的。
热敏电阻有正温度系数,临界温度系数与负温度系数之分,本实验所用的103为负温度系数(NTC),在较小的温度范围内,其电阻-温度特性曲线是一条指数曲线,可表示为RT=e式中,RT为温度为T时的电阻值,与β为与半导体性能有关的常数,T为热敏电阻的热力学温度。
经实际测量,25摄氏度时热敏电阻阻值达到10k欧姆。
热敏电阻受温度影响的阻值与输出电压间关系在电路中可简单用串并联分压电路关系表示,即电路中滑动变阻器R1与R5分压比
NTC10K热敏电阻温度、阻值曲线图
NTC10K热敏电阻温度、阻值对照表
温度(摄氏度)
阻值(千欧)
-20
70.3
-15
54.89
-10
43.35
-5
34.48
0
27.62
5
22.27
10
18.07
15
14.75
20
12.11
25
10
30
8.302
35
6.928
40
5.81
2.集成运算放大器LM324
我们采用了LM324四运放集成电路。
它采用14脚双列直插塑料封装,其内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用以外,四组运放相互独立。
每一组运放都可以用图一所示的符号来表示,它共有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号出入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“V0”为输出端。
两个信号输入端中,V-(-)为反相入端,表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端V0的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图2。
(图一)(图二)
当去掉运放的反馈电阻,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大,此时运放变成、形成一个电压比较器,其输出如不是高电平(V+),就是低电平(V-)。
当正输入端电压高于负输入端电压时,运放输出高电平。
我们选择第一组与第二组进高低温比较:
当环境温度高于80℃时,12管脚电位高13管脚电位,14管脚输出高电平,C9013导通,红灯亮且蜂鸣响,否则红灯不亮蜂鸣不响;当环温度低于40℃时,3管脚电位高于2管脚电位,1管脚输出为高电平,C9013导通,绿灯亮,否则输出绿灯不亮。
类比于热敏电阻将设定温度转换为设定阻值,通过电压比较得到温度是否超限。
由电路中串并联关系,通过改变滑动变阻器阻值完成对温度上下限的设定,参数公式为:
,结合实际标定,设定电阻值参照热敏电阻阻值—温度关系表得出,并通过比较器电压比较,完成温度上下限设定。
例如:
预设低温限为25℃,查热敏电阻阻值—温度表得此时电阻值为10K,将如图R6设定为10K,调至100%可得。
当热敏电阻阻值大于此值,即测量温度低于25℃时,低温报警,绿灯亮。
高温报警设定相同。
3.运算放大器UA741CN
(1)简介
741放大器为运算放大器中最常被使用的一种,拥有反相向与非反相两输入端,由输入端输入欲被放大的电流或电压信号,经放大后由输出端输出。
放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源,其值由±12Vdc至±18Vdc不等,而一般使用±15Vdc的电压。
741运算放大器的外型与接脚配置分别如图所示。
(2)应用原理
集成运放的分析依据:
1、虚断:
(解释:
集成运放输入电流为零,但是集成运放又是与电路相连接的,相当于断开了一样,所以通常称为“虚断”
2、虚短:
(解释:
集成运放两个输入端对地的电压总是相等的,二者不相接,但电位又总想等,相当于短路,所以通常称为:
“虚短”
1.减法运算电路
由叠加原理(叠加原理是指在线性电路中,任一支路的电流是每一个电源单独作用时在该支路所产生的电流代数和):
ui1单独作用时(ui2看成是接地,即ui2=0)为反相输入比例运算电路,其输出电压为:
ui2单独作用时(ui1看成是接地,即ui1=0)为同相输入比例运算,其输出电压为:
ui1和ui2共同作用时(将两者叠加),输出电压为:
若,,则:
若,则:
结论:
输出电压与两个输入电压之差成正比,实现了减法运算。
该电路也称为差动输入运算电路或差动放大电路
输入信号通过电阻R3,加到反相输入端;输入信号通过电阻R1,加到同相输入端,反馈电压则由输出端通过反馈电阻Rf(R2)反馈到反相输入端。
在同相输入端与“地”之间接有电阻R6为了使集成运放两输入端的输入电阻对称,通过运算可得:
可见,输出电压正比于两个输入电压之差。
2.电压跟随器
电压跟随器,顾名思义,就是输出电压与输入电压是相同的,即电压放大倍数恒小于且接近1。
电压跟随器的显著特点就是,输入阻抗高,而输出阻抗低。
在电路中,电压跟随器一般做缓冲级(buffer)及隔离级。
因为,电压放大器的输出阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。
在这个时候,就需要电压跟随器来从中进行缓冲。
起到承上启下的作用。
概括地讲电压跟随器的作用有缓冲、隔离、提高带载能力。
共集电路的输入高阻抗,输出低阻抗的特性,使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用,能够使得后一级的放大电路更好的工作。
五、调试与计算
上面所给出的单元电路的仿真电路图都是经过反复修改与调试的,起
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- 关 键 词:
- 测控 电路设计 实践
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