温度报警器设计报告(2).pdf

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1、目录 课程设计任务书.2 前言.2.一、方案的论证和选择.2.1.1 整体电路构思.2 1.2 方案一.2 1.3 方案二.2 1.4 方案的选择.二、单元电路设计.2.1 电源电路的设计.2.2 放大器电路的设计.2.3 比较器电路的设计.2.4 报警器电路的设计 三、电路的装调和分析 3.2 放大器的装调 .3.2 整体电路的调试 .四、实验结果分析 .五、总结和体会.参考文献 附录 A 总体电路图.附录 B 元器件清单.附录 C 芯片的管脚图.温度报警器的设计-2-任务书 温度报警器的设计与制作 一、任务和要求：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

2、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：（1）当温度高与 30时，报警器发出两种频率交换的“嘀嘟”声响。（2）当温度低于 10时，报警器发出单频率声响。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、模拟电子试验箱 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 一块 温度模拟信号 直流电源 放大比较电路 音频报警器 温度报警器的设计-3-前 言 电子技术综合课

3、程设计是集电路分析、模拟电子技术、数字电子技术以及电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验等课程之后的一门理论与实践相结合的综合设计性课程。它的开展是为了提高和增强我们学生对电子技术知识的综合分析与应用能力。这对于提高我们学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要，是电子技术人才培养成长的必由之路。这次课程设计任务要求是完成一个温度报警器的制作，并实现当温度高于 30时发出双音报警，温度低于 10时发出单音报警的功能要求。本设计中充分展示了模拟电子技术的优点，利用放大电路、窗口比较器进行温度的判定，再结合数字电子技术的优点，充分利用单元电路的功能来实现报警，将模电、数电紧密结合，综合应用，不

4、但对知识有了更进一步的掌握，也极大地提高了动手能力，并让我对于实际电子产业有了初步的认识，对于以后的就业打下了一定的基础。通过课程设计实现以下三个目标：第一，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。即学生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让学生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

5、，增强学生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。温度报警器的设计-4-（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。在温度报警

6、器电路的课程设计中，不仅得到了指导老师的关心和鼓励，而且得到了许多同学的无私帮助，在此表示衷心的感谢。一、设计方案及思路 1.1 整体电路构思 本次温度报警电路的设计我们用压电陶瓷蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过电压的变化来模拟温度的高低，以 0为 0mv，温度每上升 1，递增 2mv；由于变化的电压值较小，所以我们采用放大电路对其进行放大 100 倍，然后通过后级比较电路对电压进行比较，当温度在 10至 30范围内（允许误差1）即电压在 20mv 至60mv 时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，即当接收到的输入电压（前级放大器的输出）小于 2V（10时放大器输出为 2V）或者大于 6V

7、 时（30时放大器输出为 6V），输出高电平以驱动后级的发生报警电路报警器发出声响，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时，报警器发出单频率声响；1.2 设计方案 电路框图如下：根据整体构思，所设计电路分为四个模块：直流电源、信号放大电路，比较电温度模拟信号 直流电源 放大比较电路 音频报警器 温度报警器的设计-5-路和报警电路。其中直流电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压器组成；放大器的设计采用集成运放放大；对于比较器我们选择窗口比较器，通过电压的变化可以模拟实现高温低温。报警电路有单双频之分，选用 555 定时器作成多谐

8、振荡器，以分别实现单双频报警。1.3 方案一：采用+5v,+12v,-12v 电源供电。1.4 方案二：采用+5v,+12v 电源供电。选择：方案二。原因：电路图简介，干扰少，可以实现温度报警功能。二、单元电路设计 2.1 设计任务和要求 直流稳压 5V,12V 电源的设计，输入交流电 220v（峰值 312v）50hz。稳定直流电源设计的一般思路是让输入电压交流电 220v（峰值 312v）50hz 先通过电压变压器（降压到合适的数值，如 16v），再通过整流网络（将正弦波电压转换为直流脉动电压（直交流成分均有），然后经过滤波网络（减小电压的脉动），最后经过稳压网络（使输出直流电压基本不受电

9、网电压波动和负载电阻的影响）。采用整流桥实现整流的目的，以 2200uF 的大电解电容作为滤波电路，采用固定式三端集成稳压器7805、7812 来稳定输出电压。如下图所示，220V（幅值 311V）50Hz 交流电经变压器 220:16 输出两组独立的16V 交流电，经整流桥、大电容滤波后分别经过集成稳压块 7812 与 7805 作用得到+12、+5V 的直流输出电压。稳压电源组成如图 1 所示：图 1 直流电源系统方框图 电源变压器：将电网提供的 220V 交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。温度报警器的设计-6-TR1TRAN-2P2SBR1BRIDGEC13300uFC20.33

10、uVI1VO3GND2U27805C30.33uVI1VO3GND2U17812U1(VO)V=12.0296C40.01uU1(VI)V=49.7303TR1(S1)V=25.0176 图 Proteus 模拟直流电源电路图 2.2 整流桥选择 整流桥有两根输入交流线和两根输出直流线。经过整流桥上正极 M C7812经过稳压、滤波可提供一个+12V 电压；+12V 电压再经过 MC7805 后，经过稳压、滤波就可以提供一个+5V 的电压。整流桥负极接地。整流桥的这样就可以给后面的系统提供工作电压了。2.2 3.参数的计算（1）稳压管型号，输入电压和输入电流 220v 电网电压经过通用变压器

11、T1 降压至 25V，25V 交流电压经 VD1-4 组成的全桥整流，C1 的滤波作用后变成直流电压，整流成直流的电压，需要+12v 的电压，故选用 7812 型号；稳压管的压差 6v 左右，则输出 12v 左右，选用 7805 型号的，经过稳压管的消耗，稳压管的电压输出为+5v。（2）故输入电压 UI=12+3+0.6=15.6v，电源变压器的副边电压有效值：U2=15.61.213v，所以变压器的输出电压取值是 13v，输出电压是最大值是2*1318v （3）滤波电容：C=2000uF6000uF 所以电解电容的参数：3300uF 其他的电容都用 0.01uF 温度报警器的设计-7-2.2

12、 放大器电路的设计（自己设计部分）2.2.1 设计任务和要求 设计一个 1030以外的温度报警器，需要用电压来代表温度，设 1用 2mv代替，那么在 1030则表示成 20mv60mv，即电源供的电压在 20mv60mv范围以外的电路报警，而电源提供的电压为 5v，与所取电压相差很大，这时需要将所取电压放大 100 倍，即 2V6V 以外的电压电路报警，需设计一个放大器电路，对电压进行放大，为后续电路做好铺垫。2.2.2 设计原理 因为是直流恒压源供电，为了满足增大输入电阻，减小输出电阻，以减少电源的内阻消耗，提高电路的带负载能力。所选运算放大器功耗低；输出电压与输入电压同相。用一个可调电位器

13、来模拟温度的变化。2.1.3 设计方案 选运算放大器：LM324 介绍：LM324 系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到 3.0 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它的特点是将 4 个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里，这样可以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的器件性能差异；采用统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高。特点：1.短路保护输出。2.真差动输入级。3.

14、可单电源工作：3V-32V。4.低偏置电流：最大 100nA。5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源。8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能。温度报警器的设计-8-具体设计原理：电压串联负反馈，同相比例放大。UIUNUP(1)4(1)3(11)2(0UIRRFUOUPRRFUNRRFUORFUNUORUN得到 上式表明uo 与 ui 同相且uo 大于 ui。电阻选择：因为电源电压为+5V，应选择千欧级电阻，以满足输入电压毫伏级的要求。放大器电路图：321411U1:ALM324R21k+5VR150kRV11kR3100k+12VR41k温度报

15、警器的设计-9-电路分析：此电路是同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈。根据“虚短”和“虚断”,因为净输入电压为 0，Up=UN=UI，UO=（1+Rf/R）=（1+100/1）Up=101Ui,即：URRURV1230)1(R1处加一个+5v 的直流电压（即 7805的输出端），通过滑动电位器RV1来改变放大器的输入电压URV1。根据实验设计要求（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。以 0为 0mv，温度每上升 1，递增 2mv）即低于 20mv 报警（単频），20mv-60mv 不报警，高于 60mv 报警（双频）。URV

16、1最大为 5510001000=0.098v=98mv URV1经过 LM324 放大 101 倍后，就变为 01.9v 报警（単频），2v6v 不报警，6.1v10v报警（双频）。再经窗口比较器比较输出给后续电路。2.3 窗口比较器电路的设计 窗口比较器电路图：温度报警器的设计-10-567411U1:BLM3241098411U1:CLM324+123K1kR42kR51kR6100R7100D1DFLR1400D2DFLR1400D31N4742AD41N4742AR8100R9100 由 LM324 中的两个运放组成 1 个窗口比较器，以 12v 为电源电压，通过调节电位器 RV2、R

17、V3 来确定窗口比较器的两个基准电压，使分别为 2V、6V，调节好后使其稳定不再变化。放大器的输出电压U0与两个基准电压进行比较，若U0小于 2v，则 B 运放输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过 D15v 稳压管使输出电压稳定在 5v；若U0在2v 与 6v 之间，则运放 B 与 C 输出都为低电平，即电压为 0；若U0大于 6v，则运放C 输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过 D15v 稳压管使输出电压稳定在 5v。注意事项：稳压管 D1、D2 的作用是稳定窗口比较器的输出电压，但前提是窗口比较器的输出电压必须大于稳压管 D1、D2 的稳压值。运放输出端所加保护电阻不应过大否则稳压管将

18、起不到稳压作用。温度报警器的设计-11-2.4、温度报警电路的设计 根据任务与要求，要有两种不同的报警声音，因此我们设计两种报警电路，单频报警电路和双频报警电路。音频报警电路的制作可以用 NE555 和电阻、电容组成，我们选用 555 集成定时器来制作多谐振荡器从而做出音频电路。2.4.1、低温报警电路 R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U4555R4100kR510kC41uC90.01uBUZ2BUZZER+5v 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 2v）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发

19、出单频声音报警。此振荡电路的振荡周期为TCRRTT445212ln2 占空比 ：RRRRq45542、高温报警电路 温度报警器的设计-12-R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U6555R710kR8100kR910kR10100kC60.01uR4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U5NE555C510uC80.01uBUZ1BUZZERR1110k+5v 高温报警采用双频报警，该部分用到了两片 555 定时器。U5 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；U6 的作用是将高音与低音转换成频率然后输出。

20、对于 U5 振荡电路的充电时间为：ln5871VVVVTccTccCRRT 即高电平持续时间也就是低音的持续时间。放电时间为：ln00582VVTTCRT 即低电平持续时间也就是高音的持续时间。TCRRTT587212ln2 占空比：RRRRq87872 当 U5 输出为地电平时对于U6 振荡电路的振荡周期为 T0CRRTT610921ln11VVVVTCCTcc+ln1100610VVTTCR 高音振荡频率:Tf01 当 U5 输出为高电平是 U6 振荡电路的振荡周期为：T0CRRTT610921ln22VVVVTETE+ln2200610VVTTCR 温度报警器的设计-13-低音振荡频率:

21、Tf01 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 和电阻有关，因此我们可一通过改变 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。U6 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 6v）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出“嘀嘟”的双频声音报警。三、电路的装调和分析 3.1 电源的装调 用万用表测量从 LM7812 输出的电压值没有达到 12V。排除：经过仔细的检查发现电路接通后 LM7812 发热，最后我们判断该三端稳压器是坏的，不能使用。然后

22、我们更换了一个新的 LM7812，接通电源再次测量结果输出 12V,满足要求，电源制作完成。3.2 放大和比较电路的装调 1.改变电位器时比较输出高低电平不稳定。排除：由于电位器自身电阻的不稳定性和面包板插孔与导线接触不良导致。2.输出端稳压管输出电压高电平太高。排除：由于没有区分开整流二极管和稳压二极管的区别，把稳压的错接成整流的，最后纠正后输出高电平正常。3.3 报警电路的装调 1：电路连接好后调节温度模拟电位器超出30温度时高温双频不报警。排除：由于电容没有接地造成，接地后正常报警。2：高温报警发声与所要求的声音不同。排除：由于 555 定时器的振荡频率由其外部所接电阻和电容决定，通过计

23、算后得到了更合理的参数，更换了电阻后发出的声音即为“嘀-嘟”的报警声。34 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：温度报警器的设计-14-2当温度高于 30时发出“嘀嘟”的双频报警。四、实验结果分析 放大器输入 放大器输出 窗口输出单频 窗口输出双频 单频蜂鸣器 双频蜂鸣器 0.012v 1.32v 5.69v 0.086v 响 不响 0.083v 8.37v 0.032v 5083v 不响 响 五、总结和体会 2、参考文献 1）数字电子技术基础第五版主编：阎石 高等教育出版社 2）模拟电子技术基

24、础第四版主编:童诗白 华成英 高等教育出版社 3）电子设计从零开始 主编：杨欣 王玉凤 刘湘黔 清华大学出版社 2005 年 五、附录 附录 A.元器件管脚图及功能 1）W7805、W7812 管脚图 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：温度报警器的设计-15-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15

25、V15V 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 1地 GND 5控制电压 2触发 6门限(阈

26、值）3输出 7放电 4复位 8电源电压 Vcc 555 定时器的电路如图所示。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、放电晶体管 T、与非门和反相器组成。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，加在同相端；C2 的参考电压为，加在反相端。是复位输入端。当=0 时，基本 RS 触发器被置 0，晶体管 T 导通，输出端 u0 为低电平。正常工作时，=1。u11 和 u12 分别为 6 端和 2 端的输入电压。当 u11，u12 时，C1 输出温度报警器的设计-16-为低电平，C2 输出为高电

27、平，即=0，=1，基本 RS 触发器被置 0，晶体管 T 导通，输出端 u0 为低电平。当 u11，u12 时，C1 输出为高电平，C2 输出为低电平，=1，=0，基本 RS 触发器被置 1，晶体管 T 截止，输出端 u0 为高电平。当 u11 时，基本 RS 触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。综上所述，可得 555 定时器功能如表所示。输入 输出 复位 u11 u12 输出 u0l 晶体管 T 0 0 导通 1 1 导通 1 1 截止 1 保持 保持 附录 B.元器件清单 序号 名称 数量 备注 1 变压器 1 220v16v 2 桥式电路 1 3 LM7812 1 4 LM7805 1

28、 5 LM324 1 6 555 3 7 蜂鸣器 2 8 电解电容 1 1000F 9 电容 5 0.22F 10 电容 2 10F 11 电容 3 0.01F 12 电阻 4 100K 温度报警器的设计-17-13 电阻 6 10K 14 电阻 1 1K 15 电位器 3 10K 16 电源插头 1 17 导线 若干 附录 C.总体电路图 温度报警器的设计-18-TR1 TRAN-2P2S BR1 BRIDGE C1 3300uF C2 0.33u VI 1 VO 3 G N D 2 U2 7805 C3 0.33u R1 100k 5 3%RV1 10k 3 2 1 4 1 1 U3:A

29、LM324 R2 1k R3 100k 5 6 7 4 1 1 U3:B LM324 10 9 8 4 1 1 U3:C LM324 1 7%RV2 10k 5 0%TR 2 TH 6 CV 5 U5 NE555 C5 10u 0.01U 0.01u BUZ1 BUZZER R11 10k D1 1N4733A D2 1N4733A A B C D C7 0.01u RV3 10k VI 1 VO 3 G N D 2 U1 7812 R 4 DC 7 Q 3 G N D 1 V C C 8 TR 2 TH 6 CV 5 U4 555 R4 100k R5 10k C4 1u C9 0.01u BUZ2 BUZZER R 10k R9 10k 4 3 C 8