基于EWB的测温电路设计

摘要：本文将EWB软件应用于实际项目中，设计了一款测温电路，所设计的测温电路没有采用专用的温度传感器和高精度的A／D转换器，而是利用三极管温度特性和RC积分特性，通过EWB的温度扫描分析和瞬态分析得到三极管温度和RC充电时间的对应关系，将温度的测量变成了时间的测量，从而得到温度数据，因此，本电路具有低成本、高精度、简单可靠的特点，适用于测量速度不高的场合。同时采用单片机完成温度数据的采集、处理、显示等任务，并给出了测量程序代码。
关键词：测温；电子工作台；单片机

0 简介
EWB(电子工作台)是模拟数字电路仿真软件，具有界面直观、操作方便、分析方法多等优点。非常适合于电子工程师和学生使用。EWB软件有绿色版，不必安装，解压后即可使用，点击wewb32．exe运行软件。在主界面中，以图形方式显示了所用的各种操作功能，包括：元件库、仪器仪表、分析方法等，关于 EWB的具体内容，请参考书籍《实用通信与电子线路的计算机仿真》。分析方法的应用往往给试验带来极大的方便，甚至比真实的实验更方便，本文将运用的 EWB的瞬态分析和温度扫描分析来设计一款价廉实用的测温电路。

1 电路原理与设计
本文所述的测温电路针对水温的测量(可用于类似的场合)，测量范围是0～100℃。通常温度测量的方法是用温度传感器将温度信号经过A／D转换器送到单片机中，从而取得温度数据。如果要求测量显示的精度高(达到10位以上)，则成本大大增加。图1是本文的测温电路原理图，电路中没有采用专用的温度传感器，也不用A／Di转换的方式，而是采用三极管Q1作为测温元件，利用其pn结的温度电压特性，测得温度的变化。将温度电压信号和R2、C1积分信号送到比较器输入端，在R2、C1开始充电后，直到其电压超过温度电压时，比较器翻转，用单片机测量翻转前的充电时间，即可测量温度的电压值。下面通过对RC积分和温度测量的仿真，详细叙述测量原理。
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图2是三极管pn结测温电路，根据三极管手册参数，pn结两端的电压随温度变化。本例测量水温，温度范围是0～100℃。在实际应用中需要知道对应的电压变化范围和起始、终止点的电压值。用EMB进行温度扫描分析，具有直观、快捷的优点。在EMB中画出图2电路，选择主菜单的分析(analysis)选项，选择其中的温度扫描(temperature sweep)功能，在打开的对话框中设置温度的起始和终止范围，其中starttemper-ature(起始温度)设置为0，end temperature(终点温度)设置为100，sweep type选择linear，output node选择要仿真的节点，其它选择默认，然后点击simulate(仿真)，得到仿真结果如图3所示，单击cursors(游标)，可以精确测量曲线各点坐标的x、y(温度、电压)值，实测结果是，对应x值的0～100℃范围，y值是0．642～0．442V，电压变化范围是200mV，变化规律是线性的。


图4是R、C积分电路，在通电的初始时刻，电容两端的电压为0V，以后随着对电容的充电，电容两端的电压将增加，其电压的变化规律是：

由式(1)可知，Uc不是线性的，但是如果R、C的数值很大，则Uc接近于线性，这个过程可以用数学方法求出Uc的曲率来判断线性，最终确定R、C的大小，但是过程比较麻烦而且不直观。如果用EWB仿真，则方便、快捷、直观，针对图4电路，选择主菜单的analysis下的transient(瞬态)仿真，在打开的对话框中修改start time(开始时间)为0，endtime(结束时间)为0．02s，将测量的节点添加到nodes for analysis对话框中，然后点击simulate，得到图5的结果。打开游标测得x、y的数据是：当电压变化范围是0．442～0．642V时，对应的时间范围是4ms。
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由温度仿真图形和R、C仿真图形可知，两者都是线性的，将温度仿真与R、C仿真结合，确定温度与R、C充电时间的关系，当温度变化从0～100℃时，对应的R、C充电时间变化范围是8～12ms，设温度变量为tem，时间变量为t，则有

t的单位是ms。
为了更精确地显示测量值，采用定点运算方法，增加2位小数，则式(2)修改为

t的单位是μs
tem为带2位小数的温度值。
如果用单片机测量出时间的变化过程，就可以求出对应的温度值。


图6是完整的测温电路。单片机采用89c2051，4位数码管显示温度数值，显示精度是2位小数。89c2051自带一个比较器，比较器的输入端口是 P1．0和P1．1，输出端是P3．6，三极管的温度测量值接到P1．1端口，R、C充电电路与P1．0连接，P1.0既是比较器的输入端，同时还是单片机的输出端口，它具有单片机端口的性质，即：P1．0输出高电平时，相当于内部集电极开路状态。在此，利用该功能实现电容充放电的控制，不测量温度时，P1．0输出低电平，电容两端电压为0V。测量温度时，首先启动T0计数器，然后将P1．0置高电平，R2给C1充电，此时不断地判断P3．6的状态，直到P1．O的电压大于P1．1的电压，比较器输出端P3．6翻转，取出计数数值(如果单片机采用12MHz晶体，每记一个数恰好是1 μs)，从而得到了时间值，根据式(3)可以得到温度值。程序代码如下：


2 结论
综上所述，EWB在测温电路中所起的作用，主要体现在单元电路的仿真，包括温度扫描分析和RC瞬态分析。这些工作如果用真实测试来完成，都是很麻烦的，需要很多苛刻的条件，在业余的条件或一般条件下，几乎是不可能完成的，而运用EWB软件顺利地达到了目的。