温度监测系统设计仿真与实现

发布于:2021-08-03 23:02:21

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

课程设计任务书
学生姓名: 学生姓名: 指导教师: 指导教师: 题 目: 李景松 专业班级: 专业班级: 工作单位: 工作单位: 电信 0906 信息工程学院

温度监测系统设计仿真与实现

初始条件: 初始条件:
可选元件:热敏电阻,集成运算放大器,电容、电阻、电位器,二极管,led 等;或自 选元器件。直流电源±12V,或自选电源。 可用仪器:示波器,万用表,毫伏表等。

要求完成的主要任务: 要求完成的主要任务
(1)设计任务 ) 根据要求,完成对温度监测系统仿真设计、装配与调试。 (2)设计要求 ) ① 利用学过的集成运算放大器构成的比较器、振荡电路等应用电路进行设计; 当温度在设定范围内时报警电路不工作; 当温度低于下限值或高于上限值时,声光报警; 上、下限报警 led 用不同颜色。 ② 选择电路方案,完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画 出总体电路原理图,阐述基本原理。 (用 Proteus 画电路原理图并实现仿真) ③ 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。

时间安排: 时间安排: 安排
1、 2011 年 1 月 3 日 至 2011 年 1 月 7 日,完成仿真设计、制作与调试;撰写课程设计 报告。 2、 2011 年 1 月 8 日提交课程设计报告,进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名: 指导教师签名: 系主任(或责任教师)签名: 系主任(或责任教师)签名:

年 年

月 月

日 日

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目 录
1.电路设计及原理分析 ................................... 3 1.1 设计任务 ......................................... 3 1.2 技术指标......................................... 3 1.3 电路原理图....................................... 3 1.4 基本原理......................................... 4 2.电路模拟与仿真 ....................................... 5 2.1 仿真软件......................................... 5 2.2 创建电路模拟图 ................................... 7 2.3 元件列表......................................... 8 2.4 仿真记录与结果分析 ............................... 8 3.实际电路的安装调试 .................................. 13 3.1 元件参数确定 ................................... 13 3.2 电路板布线设计 ................................. 13 3.3 焊接 ........................................... 13 3.4 调试与测量...................................... 13 3.5 分析结果及改进 .................................. 14 4.总结 ................................................ 15 5.心得体会 ............................................ 15 6.参考文献 ............................................ 17

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1.电路设计及原理分析
1.1 设计任务
通过 Proteus 软件仿真精密双限温度报警仪设计,在老师点拨我们自学的基础上了解了 运放的作用,用了比较器,震荡电路等知识,根据找到的电路图进行仿真,调试电路,明 白了温度报警的意义。

1.2 技术指标
a.当温度在设定范围内时报警电路不工作; b.当温度低于下限值或高于上限值时,声光报警; c.上下限低于报警 led 用不同颜色; d.上下限可调; e.控温精度度 ± 1℃

f.监测范围 0.5℃

1.3 电路原理图

图 1-1 电路原理图
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1.4 基本原理
本课设选用热敏电阻作为温度感应元件。热敏电阻的基本特性是温度特性。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随着温度的 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,本实验所用的为负温度系数的热敏电阻,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= α e
β
T

式中,RT 为温度为 T 时的电阻值,α 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。 本课设用的比较器器件是 LM324,这是一个带有四个运算 放大器的芯片,其管脚如图所示。我们选择第一组和第二组进行 高低温比较。 集成运算放大器 A1、 构成单门限比较器, A4 构成振荡电路。 A2 电路中的热敏电阻 Rt 与 RV3 串联,分压值为 Va,分别加在运放 A1、A2 同相端与反相端上,与上、下限设置温度 RV1、RV2 的 分压比较,当 Va 介于上限、下限电压值之间时,A1、A2 均输 出高电*,D2、D3 反偏截止均不亮;当 Va 大于 RV1 的分压时,A2 输出低电*,D3 发 光 。当 Va 大于 RV2 的分压时,A1 输出低电*,D2 发光 。任何一个发光二极管导通时 A4 所在电路即产生振荡,驱动喇叭发出报警声。调整 C3、R8 可改变振荡频率。 调节 RV1 和 RV2 可分别调整报警的上限和下限。当电位器上端阻值减小时,报警点 下降。当上端阻值增大时,相应的报警点升高。调节 RV3 可以调整比较电压的大小,从而 能根据热敏电阻的温度特性与环境变化带来的需求变化进行调整。其他各电阻起分压作 用,以便各电位合适。 该电路可以监测在一定温度下的环境,当高于上限或低于下限时会亮灯并报警,可以很好 用于很多温度监测领域。 图 1-2 LM324 示意图

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2.电路模拟与仿真
2.1 仿真软件
2.1.1 proteus 简介
Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 (该软件中国总代 理为广州风标电子技术有限公司) 。它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能,还能仿真 单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚 起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工 作者的青睐。Proteus 是世界上著名的 EDA 工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到 单片机与外围电路协同仿真, 一键切换到 PCB 设计, 真正实现了从概念到产品的完整设计。 是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计* 台,其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等,2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器,并持续增加其他系列处理器 模型。在编译方面,它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。proteus 与其它单片机 仿真软件不同的是, 它不仅能仿真单片机 CPU 的工作情况, 也能仿真单片机外围电路或没 有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时,关心的不再是某些语句 执行时单片机寄存器和存储器内容的改变,而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作 的过程和结果。对于这样的仿真实验,从某种意义上讲,是弥补了实验和工程应用间脱节 的矛盾和现象。

2.1.2 Proteus 中 EDA 工具软件
Proteus 软件具有其它 EDA 工具软件(例:multisim)的功能。这些功能是: (1)原理布图 (2)PCB 自动或人工布线 (3)SPICE 电路仿真

2.1.3 Proteus 革命性的特点:
(1)互动的电路仿真
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用户甚至可以实时采用诸如 RAM,ROM,键盘,马达,LED,LCD,AD/DA,部分 SPI 器件,部分 IIC 器件。 (2)仿真处理器及其外围电路 可以仿真 51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图 的虚拟原型上编程,再配合显示及输出,能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的 虚拟逻辑分析仪、示波器等,Proteus 建立了完备的电子设计开发环境。

2.1.4 Proteus 四大功能模块
(1)智能原理图设计(ISIS) 丰富的器件库:超过 27000 种元器件,可方便地创建新元件; 智能的器件搜索:通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件; 智能化的连线功能:自动连线功能使连接导线简单快捷,大大缩短绘图时间; 支持总线结构:使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰; 可输出高质量图纸:通过个性化设置,可以生成印刷质量的 BMP 图纸,可以方便地 供 WORD、POWERPOINT 等多种文档使用。 (2)完善的电路仿真功能(Prospice) ProSPICE 混合仿真:基于工业标准 SPICE3F5,实现数字/模拟电路的混合仿真; 超过 27000 个仿真器件: 可以通过内部原型或使用厂家的 SPICE 文件自行设计仿真 器件,Labcenter 也在不断地发布新的仿真器件,还可导入第三方发布的仿真器件; 多样的激励源:包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频(使用 wav 文件) 、指 数信号、单频 FM、数字时钟和码流,还支持文件形式的信号输入; 丰富的虚拟仪器:13 种虚拟仪器,面板操作逼真,如示波器、逻辑分析仪、信号发 生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、 虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器等; 生动的仿真显示:用色点显示引脚的数字电*,导线以不同颜色表示其对地电压大 小,结合动态器件(如电机、显示器件、按钮)的使用可以使仿真更加直观、生动; 高级图形仿真功能(ASF) :基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标,包括工 作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等,还可以进行一 致性分析; (3)独特的单片机协同仿真功能(VSM)
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支持主流的 CPU 类型:如 ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、 dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430 等,CPU 类型随着版本升级还在继续增加, 如即将支持 CORTEX、DSP 处理器; 支持通用外设模型:如字符 LCD 模块、图形 LCD 模块、LED 点阵、LED 七段显示 模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232 虚拟终端、电子温度计等等,其 COMPIM (COM 口物理接口模型) 还可以使仿真电路通过 PC 机串口和外部电路实现双向异步串行 通信; 实时仿真:支持 UART/USART/EUSARTs 仿真、中断仿真、SPI/I2C 仿真、MSSP 仿 真、PSP 仿真、RTC 仿真、ADC 仿真、CCP/ECCP 仿真; 编译及调试:支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真,内带 8051、AVR、PIC 的汇编编译器,也可以与第三方集成编译环境(如 IAR、Keil 和 Hitech)结合,进行高级 语言的源码级仿真和调试; (4)实用的 PCB 设计*台 原理图到 PCB 的快速通道: 原理图设计完成后,一键便可进入 ARES 的 PCB 设计环 境,实现从概念到产品的完整设计;先进的自动布局/布线功能:支持器件的自动/人工布局; 支持无网格自动布线或人工布线;支持引脚交换/门交换功能使 PCB 设计更为合理; 完整 的 PCB 设计功能:最多可设计 16 个铜箔层,2 个丝印层,4 个机械层(含板边) ,灵活的 布线策略供用户设置,自动设计规则检查,3D 可视化预览; 多种输出格式的支持:可以 输出多种格式文件。

2.2 创建电路模拟图
在 proteus 中创建如下电路图 2-1 所示: (热敏电阻用电位器代替以便仿真) 。

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图 2-1 实验电路图

2.3 元件列表
元器件列表 元件名称 1N4148(二极管) LED-GREEN(绿发光二极管) LED-RED(红发光二极管) LM324(运算放大器) POT-HG(可调电阻) RES(电阻) CAP(电容) NTSD0WF104(热敏电阻) Speaker(喇叭) Battery(直流电源) 数量 2 1 1 4 3 13 4 1 1 1 备注

2K 两个,5K 两个 0.01uF 两个,0.1uF 一个, 4.7uF 一个

2.4 仿真记录与结果分析
2.4.1 电路图绘制 原理图编辑窗口(The Editing Window) :顾名思义,它是用来绘制原理图的。蓝色方 框内为可编辑区,元件要放到它里面。注意,这个窗口是没有滚动条的,可用预览窗口来

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改变原理图的可视范围。

预览窗口(The Overview Window) : 它可显示两个内容,一个是:当你在元件列表中选择一个元件时,它会显示该元件的 预览图;另一个是,当你的鼠标焦点落在原理图编辑窗口时(即放置元件到原理图编辑窗 口后或在原理图编辑窗口中点击鼠标后) ,它会显示整张原理图的缩略图,并会显示一个 绿色的方框,绿色的方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容,因此,你可用鼠 标在它上面点击来改变绿色的方框的位置,从而改变原理图的可视范围。 1.模型选择工具栏(Mode Selector Toolbar) : 主要模型(Main Modes) : 1* 选择元件(components) (默认选择的) 2* 放置连接点 3* 放置标签(用总线时会用到) 4* 放置文本 5* 用于绘制总线 6* 用于放置子电路 7* 用于即时编辑元件参数(先单击该图标再单击要修改的元件)

配件(Gadgets) :

1* 终端接口(terminals) :有 VCC、地、输出、输入等接口 2* 器件引脚:用于绘制各种引脚 3* 仿真图表(graph) :用于各种分析,如 Noise Analysis 4* 录音机 5* 信号发生器(generators) 6* 电压探针:使用仿真图表时要用到 7* 电流探针:使用仿真图表时要用到 8* 虚拟仪表:有示波器等 2D 图形(2D Graphics) : 1* 画各种直线
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2* 画各种方框 3* 画各种圆 4* 画各种圆弧 5* 画各种多边形 6* 画各种文本 7* 画符号 8* 画原点等 4.元件列表(The Object Selector) : 用于挑选元件(components) 、终端接口(terminals) 、信号发生器(generators) 、仿真 图表(graph)等。举例,当你选择“元件(components)”,单击“P”按钮会打开挑选元件对 话框,选择了一个元件后(单击了“OK”后) ,该元件会在元件列表中显示,以后要用到该 元件时,只需在元件列表中选择即可。 5.方向工具栏(Orientation Toolbar) : 旋转: 翻转: 旋转角度只能是 90 的整数倍。 完成水*翻转和垂直翻转。

使用方法:先右键单击元件,再点击(左击)相应的旋转图标。 6.仿真工具栏 仿真控制按钮 1* 运行 2* 单步运行 3* 暂停 4* 停止

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2.4.2 点击软件界面下方的三角形按钮进行仿真。 一开始时 RV4 处于中间位置(温度正常) ,红绿两灯都不亮,喇叭没有声音发出,用 示波器观察喇叭处,无波形显示(直线) 。 调节 RV4 至上端某位置(温度下降) ,绿灯亮,红灯不亮,喇叭发出声音,用示波器 观察可得如图 2-3 所示波形。

图 2-2 绿灯亮时电路图

图 2-3 绿灯亮时喇叭处波形

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调节 RV4 至下端某位置(温度上升) ,红灯亮,绿灯不亮,喇叭发出声音,用示波器观 察可得如图 2-5 所示波形。

图 2-4 红灯亮时电路图

图 2-5 红灯亮时喇叭处波形

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3.实际电路的安装调试
3.1 元件参数确定
由于对 PROTEUS 系统仿真软件不熟悉, 电路基本设计出来后, 在计算机上实现仿真 花费了大量时间。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。

3.2 电路板布线设计
焊接前对万用电路板进行了电路设计,以整洁美观为原则。对布线,元件的放置都 标明明确位置。

3.3 焊接
严格按照原理图所示连接电路图, LM324 的 4 脚接电源正极, 脚接地 11 (电源负极) 。 焊接时应注意以下几个方面: (一)发光二极管的极性不能搞混,脚长的一端为正极,另一端为负极。或使用万用 表测量。 (二)LM324 不能直耳机接口的极性已标出,注意不能反接。 (三)接焊接在电路板上,那样的话既不容易调试,还容易烧坏片子,应焊接 8 脚的 集成电路管座,在焊接完成后将 LM324 插于管座上。

3.4 调试与测量
开始接通电源电路,对各个电位器的阻值进行调整使电路正常运行。同时将耳机 接入耳机接口听声音。 由于没有一个可大幅度精确调温的环境,所以我把热敏电阻改为了可调电阻,通过 手动调节可变电阻的阻值,来模拟温度的变化。接通电源,首先对高温报警进行测试,然 后调节可变电阻 RV3 使其阻值变小,对应于真实温度的升高,这事红灯亮,耳机发出连续 的“嘟”音,报警成功。然后对低温报警进行相同的测试,成功。若要进行相差较大的温 度上下限报警,只需调节 RV1 和 RV2 两电位器即可。测试成功。
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测 LED 的两端电压: 当绿灯亮时通过 led-red 的电压为-4.091V,,led-green 电压为 2.298V,输出电压为 3.17V。听到喇叭发出滴滴的响声。 当红灯亮时通过 led-red 的电压为 2.298V, led-green 电压为-4.091V, 输出电压为 3.16V。听到喇叭发出滴滴的响声。

图 3-1 绿灯亮

图 3-2 红灯亮

当亮灯均不亮时,led-red 的电压为-0.761V,,led-green 电压为-0.762V,两灯均反向 截至,无输出值,后面的振荡电路不工作,喇叭不响。

图 3-3 亮灯均不亮
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3.5 分析结果及改进
经过 Proteus 的仿真,当温度升高时(模拟是用可调电阻 RV3 阻值下调代替), 红灯 亮,喇叭发声,说明高温预警成功。当温度降低时(模拟是用可调电阻 RV3 阻值的上调代 替) ,绿灯亮,喇叭发声,说明低温预警成功。当温度始终(模拟是用可调电阻 RV3 阻值 在中间位置处)亮灯均不亮,喇叭不发生,说明正常温度时成功。 由于观察示波器,喇叭的波形是接*方波,应该是振荡器的设计出现了偏差, 使得波形失真,造成了这样的结果。

4.总结
由于买电路元件时无法买到与理论仿真是完全一样的,我们用其他相*似的元件代 替了,所以对真实电路焊接实验时有一定影响,但理论上影响并不会很大。我可以改变反 馈电阻等元件进行仿真。试了不同阻值电路的情况,有时红,绿灯会同时亮;有时只能红 灯亮,这不满足条件;有时只能亮绿灯,这也有问题,主要是电阻的不同导致的。所以正 确调整 4 个变阻器的阻值到适当的位置是调试是否成功的关键因素。当仿真成功时我会用 示波器观察波形,了解情况。另外该电路板布线不太规范工整,我们有部分导线从电路板 的上方穿出,还有排线的布置比较混乱。这还有待改进。

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5.心得体会
短短一周的电路课程设*崾耍谡獯蔚目纬躺杓浦胁唤黾煅榱宋宜*的理论 知识,锻炼了自己的动手实践能力,也培养了我在短时间内完成任务的能力。在设计过程 中,和同学们相互探讨,相互学*,相互监督。学会了合作,学会了运筹帷幄,学会了宽 容,学会了理解,也学会了做人与处世。 通过这次电路设计,我加深了对电压比较器的理解和知识,最开始接手这个题目的 时候,有点茫然和不知所措,而这个设计需要的理论知识我们都已经全部学*完,这让我 认识到自己的理论和实际应用的统一和对于器件在实际中的使用还有很大的不足,在做的 过程中也提升了我的动手能力,实践能力得到了一定的锻炼,加深了对模拟电路设计方面 的兴趣。从开始的朦胧到后面得到的结果。 我制作前在网上找了一些电路图以后,开始只是盲目的效仿,但是得出的结果都不 理想,有的根本就得不出结果,后来慢慢的学会结合自己的理论知识,对电路进行了自己 的设计并不断尝试和修改,最终确定电路图。仿真所用软件为 Proteus 7.7 汉化版。仿真 时由于热敏电阻无法在软件中设置温度,用电位器来代替进行仿真。本课设用的比较器器 件是 LM324,这是一个带有四个比较器的芯片,本课设用到了其中三个。开始仿真后调节 代替热敏电阻的电位器,可观察到红绿灯的变化情况正常,喇叭输出正常。仿真成功。再 根据电路图焊接实物。电路连通后进行调整,使电路能在设定的指标下正常运行。整个课 设完成。通过课程设计,我们对所学的知识有了更深刻地了解,实现了从理论到实践再到 理论的几个飞跃,也更加了解到科学知识的重要性,科学是无边界的,自己的知识水*是有 限的,要以更饱满的热情突入到学*中。 这次课程设计,严格的说是对 Proteus 的一次应用,是一次对理论知识应用到实 际中的过程,但实验过程并不顺利,对软件功能掌握不足,实验之前对电路工作原理的理 解也不透彻,所以实验中有些地方很茫然。但是,也知道了其带来的方便,可以继续学*。 通过本次课程设计,让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努 力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获。由于第一次设计,不 足之处还很多,请老师多多指教,我万分感谢! 由于第一次设计,不足之处还很多,请老师多多指教,我万分感谢!

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6.参考文献
康华光,电子技术基础 模拟部分(第五版) ,华中科技大学出版社,2006 谢自美,电子线路设计(第二版) ,华中科技大学出版社,2000 李哲英,电子技术及其应用基础,高等教育出版社,2003 周政新,电子设计自动化实践与训练(第三版) ,中国名航出版社,2002 何宝祥,模拟电路及其应用,清华大学出版社,2008

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附件 1

本科生课程设计成绩评定表
姓 名 性 别 专业、 专业、班级 课程设计题目: 课程设计题目: 计题目 课程设计答辩或质疑记录: 课程设计答辩或质疑记录:

成绩评定依据: 成绩评定依据:

最终评定成绩(以优、 最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定) 及格、不及格评定)

指导教师签字: 指导教师签字: 年 月 日

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