温度报警器器的设计要点.pdf

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1、陕西理工学院 电 子 技 术 综 合 课 程 设计 课程：电子技术综合课程设计 题目：温 度 报 警 器 所属院 (系) 专业班级 姓名学号 指导老师 完成地点 2014 年 09 月 22 日 陕西理工学院 任务书 温度报警器的设计与制作 一、任务和要求： 设计并制作一个温度报警器，要求如下： 1、用压电陶瓷蜂鸣器作为电声元件； 2、当温度在10 至 30 范围内（允许误差1）时报警器不发声响，当温度超过 这个范围内时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即： (1) 当温度高于30时，报警器发出两种频率交替的“嘀嘟”声响，即加到蜂鸣器上 的电压波形如资料中附录3D； (2) 当温

2、度低于10时，报警器发出单频率声响，如资料中附录3D。 3、 温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以 0为 0mv ， 温度每上升1，递增 2mv； 4、设计并制作本电路所用直流电源。 二、设计框图 三、所需仪器设备 1、数字万用表一块 2、双踪示波器一台 3、直流稳压电源一台 4、剪刀、镊子各一把 5、面包板一块 温度模拟信号 直流电源 放大比较电路音频报警器 陕西理工学院 目录 前言 错误！未定义书签。 1. 方案论证与比较 2 1.1 方案一 2 1.2 方案二 2 1.3 方案确定 2 2.单元电路设计 3 2.1 直流电源电路的设计 3 2.2 放大器电路的设计 3 2.3 窗口比

3、较器电路的设计 4 2.4 温度报警电路的设计 4 3.仿真调试及实验装调 8 3.1 电路仿真 8 4.电路的装调和分析 8 4.1 电源的装调 8 4.2 放大电路和比较电路的装调 8 4.3 报警电路的装调 9 4.4 整体电路的装调 9 5.实验结果分析 9 6.小结 10 7.参考文献 11 附录 11 陕西理工学院 附录 1 元器件管脚及功能 .11 附录 2 元器件清单错误！未定义书 签。 .14 附录 3 整体电路图错误！未定义书 签。 .15 陕西理工学院 陕西理工学院 1 前 言 本次电子技术综合课程设计是专门针对所有开展电类教学大三学生的一次综合训练，它 着重考察的是同学

4、们对所学课程的分析与综合应用能力，让同学们切实感受到理论联系实际 的重要性，让所有同学都有一个清醒的认识，也是为了培养同学们良好、严谨的科学态度， 为以后的发展打下坚实的基础。 此次电子技术综合课程设计的题目是温度报警器的设计。温度报警器是一种与国民生 活、安全、及工农业生产都有着重大关联的装置，因此对它的研究有着极其重要的意义。 本次设计的温度报警器并不以真实的温度作为检测量来检测，而是通过直流信号源来模 拟温度传感器的输出电压，进而实现检测并判断报警电路是否发出报警警告。此次试验将首 先在计算机上通过protues仿真软件进行仿真实验，并遵循指导老师的建议将温度报警装置 进行分模块设计，具

5、体将分为四个模块：电源模块、放大模块、比较模块、报警模块。因此 实验的重点也将主要在于各模块的设计与组装调试来验证电路的完好运行，且能执行报警。 陕西理工学院 2 1. 方案论证与比较 1.1 方案一 根据任务书要求及电路所需要实现的功能将温度报警器划分为三个模块：电源模块、比 较模块、 报警模块。 此方案设计简单明了，但是实验要求的精度是可以区分1即 2mv电压， 运用此方案难以满足如此高精度的报警。故此方案不能用来设计此温度报警器。可将其模块 划分如下图一。 图一方案一 1.2 方案二 温度报警器需要对温度这个变量极其敏感，本次试验中虽然采用直流信号源代替，但是 实验所要求的2mv 电压的

6、精度是比较高的，简单的电路无法分辨出来，因此须将其放大进 行比较，即可将此温度报警器按照分模块设计的方法分为电源模块、放大模块、比较模块、 报警模块，可将其模块划分如下图二。 图二方案二 1.3 方案确定 通过对比方案一和方案二，发现方案一设计简单明了，但是实验要求的精度是可以区分 1即 2mv 电压，最终发现运用此方案难以满足如此高精度的报警。温度报警器需要对温度 这个变量极其敏感，本次试验中虽然采用直流信号源代替，但是实验所要求的2mv 电压的 电源模块 放大 模块 比较模 块 报警 模块 电源模块比较模块 报警模块 陕西理工学院 3 精度是比较高的，简单的电路无法分辨出来，因此须将其放大

7、进行比较，即需按照方案二将 温度报警器的设置划分为四个模块，在方案一的基础上添加一个放大模块。鉴于此， 本次实 验采用方案二。 2. 单元电路设计 2.1 直流电源的设计 直流电源电路设计直流稳压5V,12V,-12V 电源的设计 UZ1 ZZER C30 470n C31 470n VI 2 VO 3 G N D 1 U30 7912 C32 330n VI 1 VO 3 G N D 2 U31 7805 C33 1000u C34 1000u C35 1000u VI 1 VO 3 G N D 2 U32 7812 C36 1000u C37 330nC38 330n BR1 BRIDGE

8、 图 2.2 直流电源电路原理图 2.2 放大器电路的设计 此电路是同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈。 R1 100k 2 1 %RV1 1k 3 2 1 4 1 1 U1:A LM324 R3 150k R2 1k 图 2.3 放大器电路原理图 陕西理工学院 4 此电路是同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈。 该电路的放大倍数为： U R R U RV1 2 3 0 )1 ( 2.3 窗口比较器电路的设计 图 2.4 窗口比较器电路 2.4 温度报警电路的设计 本次课设四人一组，实验分为四个模块，为了更高效率、更准确的完成本次实验，我们 每人负责一个电路模块。本次实验中报警模

9、块即由我负责设计。 根据此次试验的任务要求，温度报警器需要发出两种不同的报警声音，即低于10发 出单频低温报警声音，高于30发出双频高温报警声音。因此我们设计两种报警电路，单 频报警和双频报警电路。 通过老师的指导和查阅资料我们将音频报警电路的制作主要用555 定时器来完成。555 定时器作为一种数字模拟混合单片中规模集成电路，该电路是一种使用灵活、方便， 只需 外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器、多谐振荡器。 陕西理工学院 5 图 2.5 555 定时器的电路如上图所示。它由三个阻值为5k 的电阻组成的分压器、两个电压比 较器 C1和 C2、基本 RS触发器、放电管V1、与非门和反相器

10、组成。分压器为两个电压比较 器 C1、C2提供参考电压。如5 端悬空，则比较器C1的参考电压为2/3Ucc ，加在同相端； C2的参考电压为1/3Ucc, 加在反相端。 Rd是复位端， 当 Rd=0时，基本 RS触发器被置0， 晶体管 V1导通，输出端UO为低电平。正常工作时，Rd=1。 设 U11和 U12 分别为 6 端和 2 端的输入电压。当U112/3Ucc,U122/3Ucc 时， 基本 RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。 2.4.1低温报警电路 此电路中 4 端口接窗口比较器的D1稳压输出， 4 端口为一个复位端， 当 D1为高电平（温 度低于 10即放大电路输出电压小于3

11、V）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出单频声音报 警。 充放电时间为=RC 充电时间为 陕西理工学院 6 T1=(R1+R2) C1 (Vcc Vt-) (Vcc Vt+) 放电时间为 T2=R2C1 (Vcc Vt-) (Vcc Vt+) 此振荡电路的振荡周期为 T=T1+T2=(R1+2R2)C1 (Vcc Vt-) (Vcc Vt+) =(R1+2R2) C1 2 占空比： q=T1/T=(R1+R2) （ R1+2R2 ） R 4 DC 7 Q 3 G N D 1 V C C 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 555 R2 100k R1 10k C1 10uf BUZ1 BUZZ

12、ER 图 2.6 低温报警电路原理图 2.4.2高温报警电路 图 2.7 高温报警电路原理图 陕西理工学院 7 高温报警采用双频报警，该部分用到了两片555 定时器。 U1的作用是控制高低音的持 续时间，高电平持续时间即为电容C的充电时间，低电平持续时间即为电容C的放电时间； U2的作用是将高音与低音转换成合成频率输出。 对于 U1振荡电路的充电时间为： T1=(R1+R2)C1 (Vcc Vt-) (Vcc Vt+) 放电时间为： T2=R2C1 (Vcc Vt-) (Vcc Vt+) 占空比为： q=T1/T=(R1+R2)/(R1+2R2) 当 U1输出为高电平时对于U2振荡电路的振荡频

13、率为： 设阈值电压为VT1+ 、 VT1- 充电时间为TH： 1 1 ln)( 254 VTVcc VtVcc CRRTH 放电时间为TL： 1 1 24 0 0 ln T T L V V CRT 则振荡周期TO为： 1 1 24 1 1 5 0 0 lnln2)4( T T TCC TCC LHO V V CR VV VV CRRTTT 低音频率为： o L T f 1 当 U1输出低电平时对于U2的振荡频率为： 设 C2的阈值为VT2+ 、VT2- 2 2 25 2 2 254 0 0 lnln)( T T TCC TCC LH V V CR VV VV CRRTTT 高音振荡频率为： T

14、 fH 1 根据参数、 计算公式可得， 双频的高低音持续时间以及高低音频率只与和555 外部连接 的电容 C和电阻 R有关， 因此我们可以通过改变555 外部电路的电容和电阻的大小来控制多 谐振荡电路的振荡周期，从而控制蜂鸣器发出声音的高低和频率。 陕西理工学院 8 U2的 4 端接 D2端稳压输出电压，当D2为高电平（温度高于30即放大电路输出电压 大于 9V）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出“嘀- 嘟”的双频声音报警。 3. 电路的仿真 3.1 电路仿真 通过用 Protues软件进行仿真，将各个模块连接好后进行仿真。 仿真结果： 当温度低于10时发出单频报警输出波形如下： 图 3.1 单

15、频报警输出波形图 当温度高于30是发出双频报警输出波形如下： 图 3.2 双频报警输出波形图 4. 电路的装配和调试 本次实验中我们是以组为单位进行设计，因此我们组中四个人每人负责一个模块的设计 和调试。电路总的装配由我们四人合作完成。 4.1 电源的装调 在接电源的过程中遇到了如下问题： 用万用表测量从LM7912输出的电压值没有达到-12V。 故障排除：经过仔细的检查发现电路接通后LM7912发热，最后判断该三端稳压器是坏 的，不能使用。更换LM7912后正常。 4.2 放大电路和比较电路的装调 陕西理工学院 9 1. 发现放大电路的放大倍数较小，不满足需求。 解决：改变了滑动变阻器的数值

16、，使放大倍数接近于150 倍（在我们所能调试的最接近于实 验要求）。 4.3 报警电路的装调 因这一块由我负责，起初我进行了试联发现如下问题： 报警器的试联过程中烧坏过一片555，究其原因是因在高温报警模块第一片555 之后的 3 管脚处没有接10K的电阻直接连在第二片的555 芯片的 5 管脚处，导致第二片555 烧坏。 改正过后，重新连接发现可以正常报警。 4.4 整体电路的装调 通过上面电路的的连接检查整体电路无误后接通电源，然后通过电位器模拟温度变化； 1，当温度低于10时发出“嘀嘀”的单频报警： 2当温度高于30时发出“嘀嘟”的双频报警 总体电路图见附录3 5.实验结果分析 理想电压

17、测量电压（不带负载）测量电压（带负载） +12V 12.13V 12.12V +5V 5.02V 5.02V -12V -16.11V -12.00V 放大器输入放大器 输出 （窗口 比较 器输入） 窗口比较器 输出（单频 RST电压 窗口比较器 输出（双频 RST电压） 单频蜂鸣器双蜂鸣器 陕西理工学院 10 0.018V 2.77V 5.01V -0.756V 响不响 0.030V 4.61V -0.754V -0.756V 不响不响 0.052V 7.91 -0.764V 5.01V 不响响 6. 小结 经过为期三周的课程设计，温度报警器的设计与制作终于完成了。我们从心底里都有一 种成就

18、感， 虽然我们的些许成绩在那些DIY 大牛眼里一文不值，在老师眼里可能也就是一场 游戏，但对我们这些动手经验甚少的大三学生来说也算是一个可以会心一笑的成功。 本次课程设计中我们也遇到了一些困难，大致有以下几方面：一、初期我们对仿真软件 还不太了解， 会有一些操作上的困难。但是通过请教电子专业的同学我们基本上可以自己动 手了，问题也就得到了解决；二、对电路的设计。通过老师的讲解，心里也只是有一个模糊 的印象， 但接下来通过上网查找发现了好多现成的方案，使得我们对电路的设计有了一个清 楚的认识； 三、电路的仿真运行。因为之前的电路是分为独立模块进行设计的，当我们把它 组合在一起时发现了许多运行错误

19、，发现大多是电源参数的错误，我们就单独给错误的地方 加入信号源来代替我们所设计的电源模块供电，发现问题也解决了。故我们推测在实际连接 中是不会有这些错误的，后来成品的成功也验证了我们的推测；四、实际组装电路中的问题。 此时的问题基本上是由于我们的疏忽造成的，在通过与仿真模块一一对比过后将其排除，为 此我们在有必要的地方都进行了电压测量与仿真结果进行对比。可以说至此我们才了解到仿 真的重要之处。 项目理论值测量值 不带负载的变压器输出16 V 18.3 V 带负载的变压器输出16 V 18.3V 整流桥输出14.4 15.9V 陕西理工学院 11 但是在这次课设中我亦学到了很多东西。以小组为单位

20、进行设计让我们学会了团队合作 的重要性。本次课设中亦是我们理论联系实际的一次体验，很多以前学了不知所云的东西， 现在才发现了它的威力，原来是有这样的作用。再者，此次课设也是磨练大家的一个机会， 让我们体会到了把一个想法变成实物的困难，可以说是对我们不小的一次锻炼。总之， 此次 课设对我可以说是受益良多。 参 考 文 献 1 华成英，童诗白. 模拟电子技术基础. 四版 . 北京：高等教育出版社，2006. 2 阎石 . 数字电子技术基础. 五版 . 北京：高等教育出版社，2006. 3 实用电路手册. 杨宝清编著机械工业出版社 1985.6. 附录 附录 1. 元器件管脚图及功能 1）W7812

21、 、W7805 、7912 管脚图 . 图 A1 图 A2 陕西理工学院 12 图 A3 将正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右三却分别是123 脚。 它们的 1、2 脚是电压输入端，1 接电源正， 2 接地。 它们的 2、3 脚为电压输出端，3 接电源输出， 2 接地。 78xx 系列稳压器的最大输出电流为1.5A ，最大输入电压为40V。 2）LM324 的管脚图： LM324是四运放集成电路，LM324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源 15V 15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。它采用 14 脚 双列，它的内部包含四组形式完全相同的运算放

22、大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器可用上图左所示的符号来表示，它有5 个引出脚，其中“+”、“ - ”为两 个信号输入端，“V+”、“ V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi- （- ）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输 入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。V- 也可接地，即LM324可以单电源 工作。 （3）555 定时器 陕西理工学院 13 1地 GND 5控制电压 2触发 6门限 ( 阈值） 3输出 7放电 4复位 8电源电压Vcc 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规

23、模集成器件。一般用双极性 工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对 应的双定时器 556/7556 。555 定时器的电源电压范围宽， 可在 4.5V16V 工作， 7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA ，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多 谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定 时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 内部包 括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS

24、触发器，一个放电管 T 及功 率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比 较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3 ，A2 的同相输入端的电压为VCC /3。 若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1 ，可使 RS 触 发器置 1 ，使输出端 OUT=1 。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于 VCC /3 ，则 A1 的输出为 1 ，A2 的输出为 0

25、，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。 陕西理工学院 14 附录 2. 元器件清单 名称数量备注 变压器1 220v16v 桥式电路1 LM7812 1 LM7912 1 LM7805 1 LM324 3 NE555 3 蜂鸣器2 电容4 1000F 电容2 474nF 电容3 334nf 电容2 10F 电容1 0.01 F 电阻4 10K 电阻4 100K 电阻3 1 K 电阻1 150 K 电位器1 1K 电位器2 10 K 稳压二极管2 1N4733A 电源插头1 导线2m 绝缘胶布1 面包板1 陕西理工学院 15 附录 3.整体电路图 3 2 1 4 1 1U1:A LM3

26、24 5 6 7 4 1 1U1:B LM324 R10 1k R9 1k 32 1 411 U5:A LM324 R32 100k R31 1k 85% RV1 1k R30 150k C30 470n C31 470n VI 2 VO 3 G N D 1 U30 7912 C32 330n VI 1 VO 3 G N D 2 U31 7805 C33 1000u C34 1000u C35 1000u VI 1 VO 3 G N D 2 U32 7812 C36 1000u C37 330nC38 330n 25% RV8 10k 75% RV2 10k D1 1N4733A D2 1N4733A BR1 BRIDGE R 4 DC 7 Q 3 G N D 1 V C C 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 555 R 4 DC 7 Q 3 G N D 1 V C C 8 TR 2 TH 6 CV 5 U2 555 R1 10k R2 100k C1 10uf R3 10k R4 100k R5 10k C2 0.01uf BUZ1 BUZZER R 4 DC 7 Q 3 G N D 1 V C C 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 555 R1 100k R2 10k C1 10uf BUZ1 BUZZER