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1、第一章 绪论1.1 水温测量仪的发展一般来说，水温测量仪大都采用温度传感器（如 AD590）与其附加控制电路构成。其利用温度传感器将温度变化转化为电信号，进而输出具体所需电信号。但此类产品中测量误差偏大、功能单一。最新科技有设计采用单片机，实现灵活配置多种测温传感器，对温度进行高精度测量的低功耗便携式测温仪，特别适合高炉热负荷水温差测量领域，或者连续多点温度和温差的测量场合。采用分段（每十度分段）对温度一热电势间非线性关系的线性化，提高了系统的测温精度。实际使用证明，该测量仪具有可靠性高、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。然温度传感器水温测量仪仍不失为重要的水温测量工
2、具。1.2 水温测量仪的用途水温测量仪在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等领域都有广泛应用，其主要用于报警设备。如在地质探测上，其可以读出地下水温，进而给地质工作者提供地质状况判断依据。在海水检测领域，可以时时刻刻监测水温，给出洋流预测参考数据。水温测量仪的作用渗透我们生活的各个方面，给我们带来了极大的便利。2第二章 水温测量仪的设计2.总体结构框图设计制作水温测量仪，首先利用温度传感器获取被测量对象的温度，将温度转换为电压表示。然而上述表示的为绝对温度与电压的转换关系，因此还需将绝对温度与电压的关系转换为摄氏度与电压的关系，这样就完成电压与摄氏度之间的直接转换关系。之后将
3、电压放大，即可直接用电压表读出被测对象的温度值。此外将放大后的电压接至一电压比较器，比较器输出端接报警设备，如指示灯。在设置比较电压（即比较温度）后，由比较器输出端的电压决定指示灯的状态，进而起到报警的作用。基本原理如图 2.1.1 所示：被测对象K变换放大电压表比较器报警设备图 2.1.1 基本原理图2.2 温度检测电路设计图 2.2.1 集成温度传感器 AD5902.21 AD590 简介:AD590 是 AD 公司利用 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，如图 2.2.1 所示。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，
4、并具有消除电源波动的 特性。即使电源在 515V 之间变化，其电流只是在 1A 以下作微小变化。其主要参数如表 2.2.1 所示：3表 2.2.1 AD590 参数表2.2.2 AD590 的应用AD590 输出阻抗达 10M，转换当量为 1A/K。温度电压转换电路如图 2.2.2 所示：图 2.2.2 温度电压转换电路温度电压转换分析：如图 2.2.2 所示，当将 AD590 置于水中时，根据水温多少将提供恒流，方向如图所示。由于在 Uo 输出端接一电压跟随器从而增大输入阻抗，电流几乎全部流经电阻 Ro。由 AD590 转换当量可知：U1=Uo=1A/KR=R10-6/K (2 .2. 1)
5、在实际应用中可取 R=10K，则:工作电压430V反向电压20V工作温度55150焊接温度（10 秒）300保存温度65175灵敏度1AK正向电压44V4U1=10mV/K (2.2.2)这样可以实现温度电压的转换，取的所需电压。23 K变换2.31 K变换减法电路实现温度电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现 K变换。绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为：T=t+273k （2.3.1）由式 （2.2.2）与式 2.3.1 可知要实现 K变换，必有：Uo=10mV/2.73V (2.3.2) 该变换可用一个差分式减法器实现，如图 1.3.1 所示：图 2.3.1 差
6、分式减法器差分式减法器分析：在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。有如下关系：= (2.3.3)Uref - U R2U - U2 R4及 = (2.3.4)U1 - U R1U R3解式（2.3.3）与式（2.3.4）得：U2=( )( )U1 Uref R2 + R4 R2R3 R1 + R3R4 R2（2.3.5）(1.3.5)所以，只要选取合适的 R1,R2,R3,R4 值，便可满足所需要求。如取5R4/R2=R3/R1,则有下式：U2 = （U1-Uref） (2.3.6)R4 R22.3.2 电压的放大由式 2.3.6 知选择 R4 与 R2 的值可以实现电压放大功能，此时取R4=R
7、3=100K，R1=R2=10K，此时有：U=10（U1-Uf） (2.3.7)由上式可知温度与电压之间的关系：U=0.1V/ 将放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值,如:将 AD590 放入 20的水中，可读得电压表的值为 2V。2.4 比较器2.4.1 电压比较器原理：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。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。图 2.4.1(a)所示为一最简单的电压比较器，UR 为参考电压，加在运放的同相
8、的输入端，输入电压 ui 加在反相的输入端。(a) （b）6图 2.4.1 电压比较器原理原理图图 2.4.1 (b)所示为其传输特性。当 UiUR 时，运放输出高电平，稳压管 Dz反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压 UZ，即 UoUZ。当uiUR 时，运放输出低电平，DZ 正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即 UoUD。因此，以 UR 为界，当输入电压 ui 变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。2.4.2 运算放大器比较器以上介绍的是最简单的电压比较器原理。比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。图 2.4.2 由运算
9、放大器组成的差分放大器电路，输入电压 Va 经分压器 R2、R3 分压后接在同相端，Vb 通过输入电阻 R1 接在反相端，RF 为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压 Vout 与 Va、Vb 及 4 个电阻的关系式为：Vout=(1+)( )Va- Vb (2.4.1)RF R1R3 R2 + R3RF R1若 R1=R2，R3=RF，则:Vout= (Va-Vb)， (2.4.2)RF R1RF/R1 为放大器的增益。当 R1=R2=0(相当于 R1、R2 短 路)，R3=RF=(相当于 R3、RF 开路)时，Vout=。增益成为无穷大，其电路图就形成图 2.4.3 的样子，差分放
10、大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而 Vout 输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。因此为了实现报警功能，可在输出电压端接一个电压比较器，利用电压的大小关系起到报警作用。7图 2.4.2 图 2.4.32.4.3 比较器实例在本实例中采用图 2.4.4 比较器。其中电阻参数取：R7=R8=10K，R9=1K，在图 2.4.4 所示 VCC3 为报警时的温度设定电压。R7，R8 用于稳定输入电压，决定了系统的精度。而 R9 用于报警设备的输入电阻，用于控制输入电流的大小。图 2.4.4 水温测试仪电压比较器电路82.5 报警设备L
11、ED 发光二极管：报警设备可用一个发光二极管来充当，发光二极管 LED，它是英文 light emitting diode（发光二极管）的缩写。发光二极管发热量小，耗电少。发光二极管有很多优势：1. 电压：LED 使用低压电源，供电电压在 6-24V 之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 3. 适用性：很小，每个单元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 4. 稳定性：10 万小时，光衰为初始的 50% 5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级
12、，LED 灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染：无有害金属汞 报警分析：当加与 U2 端的电压大于设定温度 Uref 时，U3 有了正向输出，二极管 LED导通，发光，报警完成。2.6 水温测量仪运作过程总析将上述器件加以组合得到图 2.6.1 所示：水温测量过程及报警分析：将 AD590 放入水中，将会产生相应大小的电流，电流经过 Ro，在 Ro 两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。然而经过绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系。于是在电压跟随器后接一个差分减法器以达目的，即减去一个 2.73V 的电压。可以利用稳压管和运放电路来提供所需要的 2.73V 电压。
13、如图 2.6.1 所示。取 Ri=500K，D1 的稳压 Uad1 为 2V。运放 F2 与R5,R6 组成同向放大器。由虚断，虚短可得：Uref = （1+ ）Uad1 (2.6.1)R6 R5所以，可以取 R6=3.6K,R5=10K，此时 Uref=2.73V。9之后可将电压跟随器的输出电压与上式所求得的电压接至差分减法器的两端。在减法器（放大器）作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。在 U2 端接一电压表，即可读的温度值。比如水的温度为 12，则电压表的示数为1.2V。完成了电压的读取，还需进行电压比较以达到报警的目的。在 1.5 节中已经讨论了比较器的原理。设计所要求的报警温度为
14、50，即比较电压为 5V。所以应该在比较器比较端 VCC3 接 5V 的恒压源。当输出电压 U25V 时，U30。此时二极管导通, LED 发光。报警过程完成。在实际应用中，我们取VCC1=12V。11图 3.6.1 水温测量仪原理图12第三章 水温测量仪的仿真与制作3.1 仿真软件简介EWB 是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为 Electronics Workbench。EWB 是加拿大Interactive Image Technologies 公司于 1988 年开发的，自发布以来，已经有 35 个国家、10 种语言的人在使用。 EWB 以 SPICE3F5 为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。 SPICE3F5 是 SPICE 的最新版本，SPICE 自 1972 年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。EWB 建立在 SPICE 基础上，它具有以下突出的特点：（1）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。（3）EWB 软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。（4）作为设
