温度报警器项目设计方案.docx
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温度报警器项目设计方案
温度报警器项目设计方案
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±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、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
一.设计方案及思路……………………………………………………………………5
1.1整体电路构思…………………………………………………………………………5
1.2设计方案一………………………………………………………………………………5
1.3设计方案二………………………………………………………………………………5
1.4方案的选择………………………………………………………………………………6
二.单元电路设计…………………………………………………………………………6
2.1.电源电路的设计………………………………………………………………………6
2.2放大器电路的设计……………………………………………………………………7
2.3窗口比较器电路的设计……………………………………………………………9
2.4、温度报警电路的设计………………………………………………………………10
三、电路的仿真图及装调和分析…………………………………………………12
3.1电源的装调………………………………………………………………‥…………12
3.2放大和比较电路的装调……………………………………………………………13
3.3报警电路的装调……………………………………………………………‥………13
3．4整体电路的装调……………………………………………………………‥……13
四、实验结果分析………………………………………………………………………13
五、总结和体会……………………………………………………………‥……………15
六、参考文献………………………………………………………………………………15
七、附录………………………………………………………………‥……………………16
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设计方案一
1.3设计方案二
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定时器作成多谐振荡器，以分别实现单双频报警。
1.4方案的选择
方案一：
优点：
电路图简单，理论上可以实现报警功能。
缺点：
比较电路需从直流电源直接取样，所取电压的范围大小不满足对温度变化所对应的电压变化范围。
结论：
不可行
方案二：
优点：
通过放大电路的作用，能把对应的小电压放大到需要的电压范围，可行性强。
缺点：
相对于方案一电路较复杂
结论：
可行
二、单元电路设计
2.1.电源的设计设计
2.1.1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1000uF的大电解电容作为滤波电路，采用固定式三端集成稳压器7812、7805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。
直流电源电路图
2.1.2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MC7812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。
2.13.参数的计算
（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T1降压至16V，16V交流电压经桥式电路整流，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=15.6／1.2≈13v，所以变压器的输出电压取值是13v，输出电压是最大值是√2*13≈18v
（3）滤波电容：
C=1000uF～6000uF
所以电解电容的参数：
1000uF
2.2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10℃～30℃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10℃～30℃则表示成20mv～60mv，即电源供的电压在20mv～60mv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2V～6V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
用直流恒压源供电，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。
用一个可调电位器来模拟温度的变化。
2.2.3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.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。
具体设计原理：
电压串联负反馈，同相比例放大。
（1）
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：
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+99/1）Up=100Ui,
即：
（如电路总图图）处加一个+12v的直流电压（即7812的输出端），通过滑动电位器
来改变放大器的输入电压
。
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）。
最大为12÷100000×1000=0.12v=120mv
经过LM324放大100倍后，就变为0～1.9v报警（単频），2v～6v不报警，6.1v~10v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（自己设计部分）
窗口比较器电路图：
由LM324中的两个运放组成1个窗口比较器，以12v为电源电压，经过60k、40k、20k电阻的分压使窗口比较器的两个基准电压分别为2V、6V。
放大器的输出电压
与两个基准电压进行比较，若
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D2稳压管使输出电压稳定在5v；若
在2v与6v之间，则运放B与A输出都为低电平，即电压为0；若
大于6v，则运放A输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过D1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起不到稳压作用。
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
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，蜂鸣器发出单频声音报警。
此振荡电路的振荡周期为
占空比：
单频产生的波形如下图：
2.4.2、高温报警电路
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；U2的作用是将高音与低音转换成频率然后输出。
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D1端稳压输出电压，当D1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。
双频产生的波形如下图：
三、电路的仿真图及装调和分析
注：
单元电路的仿真图都已在单元电路设计中给出，总体电路仿真图在附录C中给出，这里不再重复画出。
3.1电源的装调
用万用表测量从LM7812输出的电压值与理论值12v相差较大。
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。
然后我们更换了一个新的LM7812，接通电源再次测量结果输出为12V左右,满足要求，电源制作完成。
3.2放大和比较电路的装调
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，使放大倍数在100左右。
2.比较器输出端稳压管输出电压高电平太高。
解决：
经检查发现稳压管不满足电路要求，计算参数更换电容后输出高电平正常。
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。
解决：
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。
解决：
通过检查及计算后得到了更合理的参数，更换了电阻和电容后发出的声音即为“嘀---嘟”的报警声。
3．4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C
四、实验结果分析
项目
理论值
测量值
整流桥输出
16V
15.974V
不带负载的变压器输出
16V
16.607V
带负载的变压器输出
16V
16.112V
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
0.013v
1.288v
10.802v
0.067v
响
不响
0.041v
4.005v
0.066v
0.032v
不响
不响
0.082v
8.126v
0.048v
10.856v
不响
响
项目
理论值
测量值
7812
12v
12.052v
7805
5v
5.081v
相对误差为：
{（12-12.052）/12}*100%=0.56%<10%在误差范围内；
{（5.081-5）/5}*100%=0.86%<10%在误差范围内。
五、总结和体会
经过为期三周的课程设计，我们终于完成了温度报警器的设计与制作。
本次课程设计棋的流程大体为：
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，指导老师审图通过后领取元器件、试验测试调试、指导老师检验实验结果。
本次课程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。
也提高了动手和处理问题的能力，增强了战胜困难的毅力和信心。
我们经过理论设计，然后逐个模块链接电路，因为每个人的思路都不同，我们就讨论用最佳方案，使其连线最少，电路美观。
连好之后，我们接上电源，发现报警器不响，经过仔细查找，查出是一根导线没插好，接触不良。
再经过反复的调试，最后使单双频响声都正常，完成电路的制作。
在解决问题的过程中我意识到自己知识的不足以及团队合作的重要性，通过理论与实践的比较更让我意识到实践的重要性。
此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益匪浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
对于我来说，收获最大的是自己主动去解决问题，并在试验中总结解决方法，学会去分析问题出现的原因，以及应该从哪个部分去解决。
本次试验能够成功也体现了我们团队的协作能力，大家都很积极的参与，这减少了不必要的错误，同时加快了设计完成的时间，同样要感谢老师的指导和帮助，是我们能顺利完成课程设计。
最后，感谢老师对我们的耐心指导与帮助，以及同学们的热心帮助，在此过程中老师为我们的课程设计提出了很多宝贵的意见和建议并且在实现操作上给我们了很多的建议，感谢系上为我们提供良好的实验环境，使我们的课程设计得以顺利的开展、改进，进而最终促使我完成了课程设计任务。
此外还要感谢班里同学，他们给我们提供了许多有用的资料以及见解供我们参考，谢谢你们！
六、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]何碧华.数字电子技术实验指导书.电工电子实验指导中心，2009.
[4]《电子技术基础（课程技术资料）》陕西理工学院电信工程系编
[5]《电子元器件应用手册》人民邮电出版
七、附录
附录A.元器件管脚图及功能
1）W7812、W7805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：
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定时器的电路如图所示。
它由三个阻值为5kΩ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输出为低电平，C2输出为高电平，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<
，u12>
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
220v——16v
2
桥式电路
1
3
LM7812
1
4
LM7805
1
5
LM324
3
6
555
3
7
蜂鸣器
2
8
电解电容
1
1000μF
9
电容
1
100μF
10
电容
1
0.33μF
11
电容
1
0.22μF
12
电容
3
10μF
13
电容
2
0.1μF
14
电容
1
1nF
15
电阻
2
100KΩ
16
电阻
3
10KΩ
17
电阻
1
1KΩ
18
电位器
3
100KΩ
19
电位器
1
50KΩ
20
电位器
1
1KΩ
21
电源插头
1
22
导线
若干
附录C.总体电路图
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