双限温度报警器课程设计报告(共22页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上目 录前 言电子技术综合课程设计是综合模拟电子技术、数字电子技术基础知识以及相关电路基础知识，在数、模电课程实验操作基础上开设的一个理论与实践相结合的综合设计性学习环节。此环节的开展不仅是对我们对数模电知识的掌握情况的一个检测，更是对我们对电子技术基础知识的综合应用与分析能力的一个检测与提高。这对于提高我们的电子工程素质和科学实验能力非常重要，是电类专业人才培养的必由之路。本次课程设计方案的设计加深了我们对所学理论知识的理解，并能将其熟练应用，做到理论与实际相结合。而用实际器件搭建电路，培养我们分析问题、解决问题的实践能力，并为将来的学习，毕业设计以及工作打下坚实的基础。通过课程设计实现以下三个目标：第一，初步掌握电子线路的试验、设计方法。即根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标。第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。第三，培养勤于思考的习惯，同时通过设计并制作电子产类品，增强这方面的自信心及兴趣。本课程设计以电工电子技术的基本理论为基础，着重掌握电路的设计装调及性能参数的调试方法。本课程设计应达到如下基本要求：（1） 综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个实际应用电路的设计。（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。（3）熟悉常用电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。（4）掌握电子电路的安装和调试技能。（5）熟悉使用各类数字式电子仪器的规范使用方法。（6）学会撰写课程设计论文。（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。（8）由于本次试验是分组完成，所以培养团结协作能力尤为重要。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 直流电源温度模拟信号放大比较电路音频报警电路三、所需仪器设备1、模拟电子实验箱 一台2、数字万用表 一块3、双踪示波器 一台4、直流稳压电源 一台5、剪刀、平口起子、镊子各一把6、面包板 二块1.方案论证1.1设计任务（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时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即：当温度高与30时，报警器发出两种频率交换的“嘀嘟”声响；当温度低于10，报警器发出单频率声响；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；（3）设计并制作本电路所用直流电源。1.2整体电路设计方案框图多输出直流电源（+12V、-12V、+5V）模拟温度变化电路及信号放大电路电压比较电路（窗口比较电路） 单频报警控制电路 双频报警控制电路图1.1 整体电路设计框图1.3方案论证 方案一：根据任务书要求，所设计电路分为四个大模块，即：+12V、-12V、+5V多输出直流电源、模拟温度变化电路及信号放大电路、窗口电压比较电路和单双频报警电路。其中电源以常规的降压、整流、滤波、稳压四个模块组成；放大器的设计，采用三极管放大；因为电路设计电压有上下限之分，所以比较电路采用学过的窗口比较器，实现以双限电压工作的要求，从而模拟实现对高温低温变化的报警控制；报警电路有单双频之分，采用三极管构建单双频电路。整个电路中，由于放大器和报警器电路中采用了三极管设计，使电路数据检测较为麻烦，不易对电路进行测试，所以设计中不考虑此方案。 方案二：根据任务书要求，设计电路分依然为四个大模块，即：多输出直流电源、放大电路、比较电路和单双频报警电路。其中电源以常规的降压、整流、滤波、稳压四个模块组成；放大器的设计，采用集成运放进行放大；因为电路设计电压有上下限之分，所以比较电路采用学过的窗口比较器，实现以双限电压工作的要求，从而模拟实现对高温低温变化的报警控制；报警电路有单双频之分，采用555定时器构建单双频电路。整个电路中，由于放大器和报警器电路分别采用了集成运放和555定时器进行设计，使电路数据检测简易，容易对电路进行测试，所以设计中选用此方案。2.电路设计原理2.1多输出直流稳压电源设计电源电路，是把220v 50Hz的交流电压经整流、滤波、变压，转换为+5v、+12v以及-12v电压，电源各部分的设计原理具体如下：电源变压器的选择220V16V立式双绕组变压器。集成稳压器的输出电压为U,集成稳压器的输入电压为U，由两者关系，电源变压器的副线圈输出电压为U，由，且集成稳压器使用W7812、W7912、W7805，U=12V，可知，, 一般情况，稳压器的压差越大，功耗也就越大，所以一般取变压器副边电压：，而实验室里提供220V9V和220V16V两种变压器，故选用220V16V变压器。整流二极管的耐压值满足：。额定工作电流满足：。U=16V，故U×16=22.5V,器件室提供耐压值为25V的稳压二极管和整流桥，为了电路接线简单，便与测量，选用整流桥进行全波整流。滤波电容C的容量可由下式计算： 其中，U稳压器输入端纹波电压的峰峰值 t电容C放电时间，t= =0.01s I电容C放电电流，可取滤波电容的耐压值应满足 U,即：U×12=16.9V,器件室提供耐压值为25V1000f的电容可满足该电路要求。集成稳压管的输出电压U应与稳压电源要求的电压输出的大小及范围相通。其输入电压范围为： 式中，最大输出电压；最小输出电压；稳压器的最小输入输出压差稳压器的最大输入输出压差最大允许电流：。集成稳压器使用W7812、W7912、W7805三种，以提供+12V、-12V、+5V直流电源。整体思路，输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。以全波整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路W7805、W7812和W7912设计制作多输出直流稳压电源。方案图如下所示：图2.1.1多输出直流电源系统方框图 具体电路图如下：图2.1.2 多输出直流电源电路图电源各部分电压参数测量记录：变压器输出电压 整流桥输出电压 W7812输出电压 W7912输出电压 W7805输出电压 17.5v 22v 12.06v -11.98v 5.01v表2.1.1 电源各部分电压参数测量记录表2.2 电压放大电路按照任务书要求，温度在10和30时是报警的临界温度点，且要求0时对应电压为0V，温度每升高1电压上升2mV，所以10对应电压为20 mV，30对应电压为60 mV，由于mV级别的电压无法驱动后续电路正常工作，所以对其进行放大到V级别，因为此电路为电子电路，采用同相放大电路，放大100倍即可。具体计算：；所以放大倍数 ；因为R=1 K,所以R=99 K 。具体电路图如下：图2.2.1 100倍电压放大电路图电压放大电路各部分电压参数测量记录：放大电路输入电压 放大电路输出电压 放大电路电压放大倍数 0.022v 2.46v 111.8v表2.2.1 电压放大电路各部分电压参数测量记录表2.3 电压比较电路按照任务书要求，温度分别在10以下报警，在30以上报警，即：放大电路输出的电压为0V2V之间报警，2V6V之间不报警，6V以上报警。所以以此设定比较电路有两个阀值电压，故选用窗口比较器，并以此设定两个阀值电压分别为2V和6V。利用电阻分压产生2V和6V电压，即：选择2K、4K、6K电阻依次串联接12V电源及地。具体电路图如下：图2.3.1 窗口比较电路放大电路图2.4 报警电路按照任务书要求，温度在10以下时，单频报警；温度在30以上时，双频报警。即要求报警电路由两部分组成：单频报警电路、双频报警电路。此电路，我们选用555集成定时器和电阻、电容来制作多谐振荡器从而做出音频电路。相关电容极电阻的具体计算如下：由占空比Q来确定所需电阻大小： ,本电路中设定Q=0.5，进而求得R=10 K，R=100 K，近似满足要求。由报警周期确定所需电容大小： ,本电路中设定T=0.1s ，进而求得C=6.8F ,实际电路中采用了10F电容器，近似满足要求。由蜂鸣器报警周期推出其频率大小：f= 。具体电路图如下：图2.4.1 报警电路图图2.4.2 单频报警电路图单频报警电路工作原理：555定时器和电阻R5、R6及电容C4构成低频振荡器，音频振荡器，当控制端RST为低电平时，低频振荡器不振荡，它的输出端OUT为低电平，蜂鸣器不发出声音。当控制端RST为高电平时，低频振荡器产生矩形波周期为ms数量级，这个矩形波的占空比q可通过调节R5、R6来实现，音频振荡器产生方波，使蜂鸣器发出声音。图2.4.3 双频报警电路图双频报警电路工作原理：两种频率交替的音响电路用555集成定时器组成，图中的555（1）组成低频振荡电路,555(2)组成音频振荡器，由于前者的输出（管脚OUT）经过电阻接到后者的控制输入端（管脚CON），因此当前者的输出为高低电平时，后者可输出两种不同频率的方波，而且555定时器的输出最大电流可达200mA，所以可直接驱动蜂鸣器，当然，只有当控制端RST为高电平或悬空时，蜂鸣器才发出“滴嘟”， “滴嘟”的声音，当RST为低电平时，555（2）定时器处于复位状态，蜂鸣器不会发出声音。报警电路各部分电压参数测量：单频报警下线电压 上线电压 双频报警下线电压 上线电压 0.021v 2.097v 0.057v 5.957v表2.4.1 报警电路各部分电压参数测量记录表2.5整体电路图2.5.1 温度报警器整体电路图3. 软件仿真与装调3.1多输出电源仿真图3.1.1 多输出电源仿真电路图3.2 电压放大电路仿真图3.2.1电压放大电路仿真电路图3.3 电压比较电路仿真图3.3.1 电压比较电路工作下限仿真电路图图3.3.2 电压比较电路-不工作仿真电路图图3.3.3电压比较电路工作上限仿真电路图3.4 组装与调试装调步骤与方法：本次课设四人一组，各有分工，我们将整个电路分了四个模块，有多输出直流电源电路，信号电压放大电路，窗口比较器电路，蜂鸣报警电路（单双频报警）。依据设计电路图，正确安装元器件，我们先做了多输出直流电源，经过调试后，接通电源，用万用表测量从LM7812输出的电压值约为12V,从LM7805输出的电压值约为5V,从LM7912输出的电压值约为-12V后,完成了电源部分电路；然后是放大电路，选用的是LM324四个集成运放的集成芯片，两个1k的电路保护电阻和两个100K的电阻，一个20k的滑动变阻器，依据设计电路图组成了放大电路，经万用表的测量，放大倍数约为111.8倍，与理论偏大；在同一片LM324芯片上，利用其余两个集成运放，结合电阻分压，实现上下限电压要求，组成窗口比较电路；单蜂鸣报警电路，其控制电路是由一块NE555组成，并结合相应的电容电阻，双蜂鸣报警电路，控制电路的主要元器件是两块NE555，并结合相应的电容电阻。将以上模块连接在一起就构成了所要求功能的温度报警电路。具体步骤：多输出直流电源组装 放大电路组装 比较电路组装 报警电路组装 调试故障分析：在组装多输出直流稳压电源时，由于没有注意到W7912管脚排布的特殊性，按照W7812管脚排布进行了组装，导致-12V电源无法调试出来，同时W7912和整流桥均发热，在不知问题何在的情况下迅速切断电源，确保了W7912和整流桥没有被烧坏，随后小组讨论并从头排查原件安装情况，是故障得到解决。在组装放大电路时发现接好电路后，集成运放几乎没有输出电压，没有实现电压放大作用，借鉴W7912出现故障的经验，直接从LM324芯片的管脚是否运用正确进行排查，发现芯片的正负电源接反了，这是由于经常使用常规芯片的惯性思维导致的，LM324正负电源的分布与平时实验时使用的芯片正负电源相反。在组装报警电路时发现无论如何调节输入信号，蜂鸣器不发出声音，经过排查，发现前端电路稳压二极管正负极接反，导致对后续电路提供的触发电压都是低电平，使后续电路无法工作；在排除上述故障后，发现蜂鸣器发出的报警信号没有规律，用示波器查看555输出波形发现波形干扰失真很大，与方波差距较大，通过计算，发现是由于电容器的选取不当造成的，在不断地改变电容器后，发现故障问题逐步得到改善。4.总结与体会电子技术课程设计是综合模拟电子技术、数字电子技术基础知识以及相关电路基础知识，在数、模电课程实验操作基础上开设的一个理论与实践相结合的综合设计性学习环节。本次课程设计的流程为：课程设计动员大会、指导老师分配小组课设任务、各小组进行审题分析并设计电路方案，指导老师审查电路方案，通过后领取元器件、组装试验测试调试、指导老师审查实验结果。此次课程设计感触最深的是首先是对学到的知识学以致用，进行了实践并学到了多种促进学习的技巧和方法；其次是体会到了团队合作的力量与精神；其三是深深地感悟到作为一名电类工程师及作为一名设计人员应具备的条件和素质；最后就是对以后的学习工作有了更大的启发和长进。此次电子技术课程设计题目是“温度报警电路的设计与制作”，分析其要求，它结合了数字电子技术基础、模拟电子技术基础的多个部分内容，包括模拟电子技术中学到的电源制作、集成运放、电压比较等内容与数字电子技术中学到的555定时器及其相关电路知识。此次课程设计通过对多输出直流电源的具体制作，进一步了解了电容的滤波作用、整流桥（二极管）的单向导通及全波整流的结构与作用、对W78、W79系列稳压器有了进一步认识；具体的应用了555定时器芯片，并将其与电容电阻组合设计成多谐振荡电路，实现控制蜂鸣器报警；并以4集成运放LM324芯片为基础，设计出理论为100倍的电压放大器，实现了将小信号放大为可驱动后续电路的大电压；同时又以LM324为基础，通过电阻等比例分压，借助二极管稳压作用设计出了上下限为2V、6V的窗口比较器，实现了整个电路的分段报警作用等等。此次电子技术课程设计中，我们小组共四个同学，拿到课题后，我们结合个人能力，将整体电路分为四部分，每人负责一部分电路，节省了由一个人设计的时间，我负责的是报警电路部分，在各人的设计中都遇到了不同的问题，我们便进行小组讨论，从头查起，在调试阶段，遇到了大的小的多种故障问题，大家凝聚力量，发挥个人长处，从每一个细节查起，使得问题很快解决，基本上没有延误整个课程设计的时间安排。在此次电子技术课程设计中，我深深的感触到作为一个电类工程师所应具备的素质与条件。在设计中，要考虑线路的排布、器件的安放、面包板空间的划分，更重要的是进行具体的操作，要熟悉各个器件的作用、使用方法、注意事项，更要对电路的实际排布有清晰的逻辑思维和创新，是电路不仅正确，还要相对最简等等。所以我觉得必须掌握扎实的基础知识，较强的问题的分析能力，以及对设计的持久的耐心及积极向上地心理素质。通过此次电子技术课程设计，我充分的感受到有目的性的查阅图书、利用互联网等等资源获取所需要知识的优越性，这也是一种学习方法，以前在这方面欠缺很大。大学其实就是培养个人学习能力的一个过程，而这种目的性的索取知识资源正是这种能力的一部分，加强对其的应用会对我今后的学习生活及工作产生更加积极的促进作用。附 录附录ALM324是四运放集成电路，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，“V”为输出端。两个信号输入端中，V-（-）为反相输入端，表示运放输出端V的信号与该输入端的相位相反；V+（+）为同相输入端，表示运放输出端V的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见下图附录B555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。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 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压V /3 和 2V /3555 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 2V /3，A2 的同相输入端的电压为V/3。若触发输入端 TR 的电压小于V /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2V/3，同时 TR 端的电压大于V /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。管脚图如下：1地 GND2触发3输出4复位5控制电压6门限7放电8电源电压V555定时器管脚图附录CLM7805、LM7812、LM7912管脚图W7805管脚 W7812管脚 W7912管脚将正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右三却分别是123脚。W7912，输入端接12-14VDC即可，输出的是-12VDCW7812输入端接12-14VDC，输出的是12VDCW7805输入端接6VDC，输出的是5VDC附录D所需元件清单所需元件清单元件名称 原件个数 备注22016V变压器 125V整流桥 1 或者25V二极管4支W7812 1W7805 1W7912 1LM324 1LM555定时器 3200Hz蜂鸣器 220 K滑动变阻器 13.3K滑动变阻器 1 或者5K滑动变阻器100 K滑动变阻器 1 或者50 K滑动变阻器100 K电阻 3 或者其他阻值配合50 K电阻 1 或者相差阻值不大的电阻10 K电阻 24 K电阻 1 或者1 K、K组合3.3 K电阻 1 或者5 K电阻2 K电阻 1 或者1 K电阻2个6 K电阻 1 或者3 K组合1 K电阻 44.7F电解电容 33.3F无极性电容 5 或者3.3F电解电容10F无极性电容 2 或者10F极性电容1F无极性电容 1 或者10F极性电容2200F电解电容器 2 或者1000F电容2个0.01F无极性电容器 1 或者0.01F电解电容1个0.1 F无极性电容器 1 或者0.1F电容1个面包板 1电源插线 1万用表 1导线 若干附录E数据测量及误差分析 变压器输出电压测量：变压器输入电压 变压器输出电压 理论输出电压 误差220v 17.5v 16v 9.38% 整流桥电压输出测量：整流桥输入电压 整流桥输出电压 理论输出电压 误差17.5v 22v 16v 37.5% +12V电源输出电压测量：W7812输入电压 W7812输出电压 理论输出电压 误差22v 12.06v 12v 0.5% -12V电源输出电压测量： W7912输入电压 W7912输出电压 理论输出电压 误差 - 22v -11.98v-12v 0.2% +5V电源输出电压测量： W7805输入电压 W7805输出电压 理论输出电压 误差 12.06v 5.01v 5v 0.2% 放大电路放大倍数验证测量:输入电压 输出电压 放大倍数 理论放大倍数 误差0.022v 2.46v 111.8 100 11.8%窗口比较电路阀值电压测量：测量电压 理论电压 误差上限阀值电压 5.95v 6v 0.83%下限阀值电压 2.026v 2v 1.3% 单频报警器电路测量：临界报警电压 临界报警电压理论值 误差0.021v (2.097v) 0.020v (2.00v) 5%蜂鸣器驱动电压 2.39v 双频报警器电路测量：临界报警电压 临界报警电压理论值 误差0.057v (5.957v) 0.060v (6.00v) 0.05%蜂鸣器驱动电压 1.344v 2.127v (电压不稳定，有波动)参考文献：数字电子技术基础高等教育出版社，第五版，2007.8.4模拟电子技术基础高等教育出版社，第四版，2007.4.3电子设计从零开始清华大学出版社，第二版，2010.10专心-专注-专业