【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 4 3 溫度報(bào)警器電路的設(shè)計(jì) 總電路 框圖及原理分析 總電路框圖如圖 3所示 ，其原理是 將 AD590 暴露在空氣中，將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流，電流經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻，在該電阻兩端產(chǎn)生電壓，進(jìn)而由一個(gè)運(yùn)放組成的電壓跟隨器輸出。然而經(jīng)過(guò)絕對(duì)溫度與電壓的轉(zhuǎn)換后還需要變換為攝氏度與電壓的關(guān)系。于是在電壓跟隨器后接求差電路，即減去一個(gè) 的電壓再放大 10 倍。利用穩(wěn)壓管和電位器電路來(lái)提供所需要的 電壓。在放大器作用之后， 將 獲得電壓與溫度的直接關(guān)系。在 U2輸出端測(cè)量電壓，即可讀的溫度值。比如室溫為 28℃ ，則電壓表的示數(shù)為 3V。完成了電壓的讀取，還需進(jìn)行電壓比較達(dá)到報(bào)警的目的。設(shè)計(jì)所要求的報(bào)警溫度為 50℃ ，故比較電壓為 5V。調(diào)節(jié)電位器調(diào)至所需報(bào)警溫度 5V。當(dāng)輸出電壓 為低電平 ，二極管截止， LED 不亮，蜂鳴器不工作。當(dāng)輸出電壓 為 高電平 ，二極管導(dǎo)通 , LED 發(fā)光，蜂鳴器工作，報(bào)警過(guò)程完成。 圖 3 總 電路框圖 5 單元電路的原理及元器件參數(shù)計(jì)算與選擇 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 采用的是 AD590 和電阻組成的溫度測(cè)量電路。 AD590 是一個(gè)將輸出電流比例轉(zhuǎn)換成絕對(duì)溫度的二終端集成電路溫度變換裝置， 是一種已經(jīng) IC 化的溫度感測(cè)器，它會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換為電流。 相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表 1，其主要特性如下： (1)溫度每增加 1℃，其電流會(huì)增加 1μ A， 不需要外圍溫度補(bǔ)償和線性處理電路，便于安裝調(diào)試。 (2)可測(cè)溫范圍 55℃至 +150℃。 (3)供電電壓范圍 4V 至 30V， 電源電壓可在 4V～ 6V 范圍變化，電流變化 1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。 (4)可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。 表 1 AD590 參數(shù)表 項(xiàng)目 工作電壓 (V) 工作溫度 (℃ ) 正向電壓 (V) 反向電壓 (V) 焊接溫度 (V) 靈敏度 (μA／ K) AD590 4～ 30 － 55～＋ ＋ 44 － 20 300 1 AD590 輸出阻抗達(dá) 10KΩ，轉(zhuǎn)換當(dāng)量為 1μ A/K。溫度 — 電壓轉(zhuǎn)換電路。如圖 3所示： 圖 3 溫度 — 電壓轉(zhuǎn)換電路 溫度 — 電壓轉(zhuǎn)換分析：如圖 2所示，當(dāng)將 AD590 暴露于空氣中時(shí)，根據(jù)室溫將提供相應(yīng)的恒流。由于在 U0輸出端接入電壓跟隨器，緩沖輸入阻抗，電流幾乎全部流經(jīng)電阻 R0. 由 AD590 轉(zhuǎn)換當(dāng)量可知： 6 ??1 = ??0 = ?? ??? (1) 上式中， U1是 AD590 所產(chǎn)生的恒流， U0是輸出端電壓， T是絕對(duì)溫度， R0 是 10K的電阻。 其中，絕對(duì)溫度 (T)與攝氏度 (t)之間的關(guān)系為： T = t+ 273k (2) 在實(shí)際應(yīng)用中可取 R=10KΩ ， AD590 的攝氏度 (t)與電壓 (U1)的轉(zhuǎn)換的關(guān)系為： ??1 = （ ?? +）（ ??） (3) 單元電路元器件選用參數(shù)說(shuō)明： 0R ==10??（便于計(jì)算）。 在該電路中，利用了 UA741 作為電壓跟隨器。 電壓跟隨器的特性如下： 隔離緩沖。 電壓跟隨（保持輸出信號(hào)極性不變）。 電壓放大倍數(shù)為一倍，只是改善輸出量的輸出質(zhì)量，不改變輸出值。 隔離緩沖作用確保了 AD590 輸出的電壓值穩(wěn)定。 KT轉(zhuǎn)換減法電路設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)溫度 — 電壓轉(zhuǎn)換后，不能直接測(cè)量，仍需將絕對(duì)溫度轉(zhuǎn)換為攝氏度，即實(shí)現(xiàn) K— T變換。這里運(yùn)用到電位器與穩(wěn)壓管提供 的電壓。其電路圖如圖 4 所示： 圖 4 KT 轉(zhuǎn)換減法電路 7 利用減法電路要實(shí)現(xiàn) K— T變換，必有： Uo = (??+)? (V) (4) 上式中， U4是經(jīng)過(guò)減法電路的輸出電壓。 單元電路元器件選用參數(shù)說(shuō)明： 為了實(shí)現(xiàn) KT的轉(zhuǎn)換，原理是通過(guò)減法電路實(shí)現(xiàn)，如圖 5所示： 圖 5 減法電路原理圖 差分式減法器分析：在理想運(yùn)放的情況下，利用虛短與虛斷。有如下關(guān)系： ??????????2= ?????2??4 (5) ??1?????1= ????3 (6) 解式（ 5） 與式（ 6）得： ??2 = (??2+??4??2)( ??3??1+??3)??1 ? ??4??2???????? (7) 所以，只要選取合適的 R1,R2,R3,R4值，便可實(shí)現(xiàn)電壓放大功能。如取 R4/R2=R3/R1,則有下式： ??2 = (??2??1) ???1 ? (??4??2)? ???????? ??2 = (??4??2)(??1 ? ????????) （ 8） 所以 在 原理圖圖 4中，令 R4=R7=10K， R1=R12=100K， R3_RPOT SM 為可調(diào)電位器，設(shè)置參數(shù)為 ，作為基準(zhǔn)電壓。 根據(jù)式 （ 8）可知， 當(dāng)原理圖中的 R7=10K， R12=100K， Uo = 10(??1? ????????) (10) 8 將此放大后的電壓接直流電壓表，即可直接讀的溫度值。 比較器電路設(shè)計(jì) 比較器是由運(yùn)算放大器發(fā)展而來(lái)的，比較器電路可以看作是運(yùn)算放大器的一種應(yīng)用電路 。 它是用來(lái)比較輸入信號(hào) VI 和參考電壓 Vref 電路， 輸入信號(hào) VI 加于運(yùn)放的同相端，參考電壓 Vref 加于運(yùn)放的反相端，此時(shí) 運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)狀態(tài) ， 具有很高的開(kāi)環(huán)電壓增益 。在本次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，利用過(guò)零比較器的原理設(shè)計(jì)的一個(gè)比較器電路。其電路圖如圖 6 所示： 圖 6 溫度報(bào)警器比較器電路 單元電路元器件選用參數(shù)說(shuō)明： 電阻參數(shù)： R5=10KΩ， R11=1K,用于穩(wěn)定輸入電壓，決定系統(tǒng)精度； 為了滿足報(bào)警溫度為 50℃的設(shè)計(jì)要求 ，將可調(diào)電阻 R3_RPOT SM 設(shè)置為 5V, 接通電源后，經(jīng)過(guò) R5 的電壓 與經(jīng)過(guò) 排針 P2的電壓進(jìn)行比較，若 R5 的電壓 大于基準(zhǔn)電壓 5V， 正 向 飽和，啟動(dòng)報(bào)警電路。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 報(bào)警電路可通過(guò)一個(gè)發(fā)光二極管的亮滅來(lái)報(bào)警或者通過(guò)蜂鳴器的聲光報(bào)警。其電路圖的設(shè)計(jì)如圖 7 所示： 9 圖 7 報(bào)警電路 單元電路元器件選用參數(shù)說(shuō)明： 電阻參數(shù)： R10=1K,用于報(bào)警設(shè)備的輸入電阻 , 用于控制輸入電流的大小 當(dāng)輸出電壓 為低電平 時(shí)，二極管截止， LED 不亮，蜂鳴器不工作；當(dāng)輸出電壓 為高電平 時(shí)，二極管導(dǎo)通 , LED 發(fā)光，蜂鳴器工作，報(bào)警過(guò)程完成。 10 4 溫度報(bào)警器的仿真 Multisim 仿真軟件簡(jiǎn)介 Multisim 是一個(gè)完成原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。它的元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)。Multisim 有較先進(jìn)的電路分析功能，可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路，可以對(duì)被仿真的電路中的元器件設(shè)置各種故障。在進(jìn)行仿真的同時(shí)，軟件還可以存儲(chǔ)測(cè)試點(diǎn)所有數(shù)據(jù)。它具有以下突出的特點(diǎn)： (