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模拟电路基础课程设计报告
温度报警电路的设计与仿真
姓名：FD 学号：-----
背景与简介：
本项目的目标是设计一个温度监测与报警电路。人们的生活
与坏境温度息息相关，物理、化学、生物等科学都离不开温度，太阳能热水器、电力、石油、农业大棚经常需要对环境温度进行检测，并根据实际的要求对温度进行控制。例如，在醋和酒等的酿造生产中必须对发酵过程的温度进行检测与控制；许多太阳能热水器中，需要通过温度检测来控制其水泵运作；在农业大棚中，通过温度检测来判断
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是否合适农作物种植与生长；许多电子设备都有额定温度单位，没有合适的温度会使电子产品造成故障等等。
已知条件：
1．温度传感器
温度为25℃时，所有电阻的阻值为400Ω
温度每上升1℃，Rt的阻值下降0.01Ω 2．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2~10mA
设计要求：
1．温度为0℃时，数字电压表的指示为0.000V 2．温度为100℃时，数字电压表的指示为1.000V 3．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=400.25Ω-0.01T ; .
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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399.25Ω与一个1Ω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=400.25Ω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=399.25Ω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
二：单元电路
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传感器 信号采集 信号放大部分 比较器 电压表显示 报警 .
1．传感器
分析得到：热敏电阻的阻值： Rt=400.25Ω-0.01T ;
用一只399.25Ω与一个1Ω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
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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b mV； 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; 则：
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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=18.8Ω 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3 1/2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。
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（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
2~10mA，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。
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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
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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=400.25Ω
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=399.25Ω
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=400.15Ω
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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=400Ω
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=399.94Ω
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）；
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（6）温度为35℃时,调节滑动变阻器 使Rt=399.9Ω
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=399.88Ω
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=399.84Ω
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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=399.45Ω
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=399.35Ω
结果为 :数字万用表示数 960.834mV, led亮（温度高于40℃，报警）；
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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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