温度报警器器的设计.docx
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温度报警器器的设计
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
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
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
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。
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
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。
图2.3放大器电路原理图
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：
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。
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U11>2/3Ucc,U12<1/3Ucc时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即Rd’=0,Sd’=1,基本RS触发器被置0，晶体管V1导通，输出端UO为低电平。
当U11<2/3Ucc，U12<1/3Ucc时，C1输出为高电平，C2输出为低电平,Rd’=1,Sd’=0,基本RS触发器被置1，晶体管截止，输出端U0为高电平。
当U11<2/3Ucc,U12>2/3Ucc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3V）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τ=RC
充电时间为
T1=（R1+R2）·C1·㏑（（Vcc－Vt-）／（Vcc－Vt+））
放电时间为
T2=R2·C1·㏑（（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）
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
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=R2·C1·㏑（（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振荡电路的振荡频率为：
设阈值电压为VT1+、VT1-
充电时间为TH：
放电时间为TL：
则振荡周期TO为：
低音频率为：
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-
高音振荡频率为：
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。
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
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，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
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
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
项目
理论值
测量值
不带负载的变压器输出
16V
18.3V
带负载的变压器输出
16V
18.3V
整流桥输出
14.4
15.9V
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，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。
但是在这次课设中我亦学到了很多东西。
以小组为单位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、W7805、7912管脚图
.
图A1图A2
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3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。
它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。
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GND5——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4.5V~16V工作，7555可在3~18V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，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
附录2.元器件清单
名称
数量
备注
变压器
1
220v—16v
桥式电路
1
LM7812
1
LM7912
1
LM7805
1
LM324
3
NE555
3
蜂鸣器
2
电容
4
1000μF
电容
2
474nF
电容
3
334nf
电容
2
10μF
电容
1
0.01μF
电阻
4
10KΩ
电阻
4
100KΩ
电阻
3
1KΩ
电阻
1
150KΩ
电位器
1
1KΩ
电位器
2
10KΩ
稳压二极管
2
1N4733A
电源插头
1
导线
2m
绝缘胶布
1
面包板
1
附录3.整体电路图
升级会员 