模电课程设计温度报警器.docx

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模电课程设计温度报警器

课程设计报告书

温度报警器的设计

学院电子与信息学院

专业班级

学生

学生学号

指导教师

课程编号

课程学分

起始日期

教

师

评

语

教师签名：

日期：

成

绩

评

定

备

注

一、选题背景……………………………………………………………1

二、方案论证（设计理念）……………………………………………1

1、设计题目要求……………………………………………………………1

2、总体设计方案……………………………………………………………1

2.1设计思路…………………………………………………………1

2.2设计方案……………………………………………………………1

2.3方案论证与比较……………………………………………………2

三、单元电路设计

3．1窗口比较器电路………………………………………………3

3．2555多谐振荡器电路…………………………………………3

3．2三极管基本开关电路……………………………………………4

四、整机电路

4.1整机电路图……………………………………………………5

4.2元件清单………………………………………………………7

五、性能指标的测量与分析………………………………………7

电路测试………………………………………………………………7

5.1.1测试使用的仪器………………………………………………7

测试步骤、测量数据与分析…………………………7

5.1.3故障分析及处理………………………………………………8

六、课程设计总结…………………………………………………9

七、参考文献………………………………………………………………10

温度报警器的设计

一、选题背景

设计制作一个测温电路，能够根据环境温度的变化产生相应的反应。

假设外界温度t1，测温装置感所应的温度t（t>t1），加热到t2：

假设t1

假设tt2，电路指示灯熄灭，同时扬声器报警，警报声频率为1kHz。

二、方案论证（设计理念）

1设计题目要求

本课题要求设计制作一个测温器，检测并显示环境温度的变化。

要实现的功能：

假设常温为t1、经加热后的温度为t2，当测温装置感所应的温度t：

t1t2，电路指示灯熄灭，同时扬声器报警，警报声频率为1kHz。

应解决的主要问题：

为完成上述课题所要求的功能，重点在于：

如何将不同区间的温度转化成我们所需要的电压或电流信息，进而通过这些信息实现不同温度区间的功能的实现；对扬声器和电路指示灯不同频率的控制。

应到达的技术要求：

对温度信号的准确获取；对扬声器和电路指示灯的频率的准确控制；各电路模块的整体配合。

本课题在于检测环境中的温度变化，可准确地运用于环境温度的检测。

2．1设计思路

使用窗口比较器进行对电压信号的筛选，使用555振荡器控制蜂鸣器和指示灯的闪烁频率，使用反相器对高低电平进行转换。

2．2提出方案

满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出以下几种方案：

2．2．1方案一

①原理方框图〔图1〕

图1方案一原理图

②原理

通过窗口比较器使电路分为两部分，一部分直接连接555多谐振荡电路，控制蜂鸣器响应，另一部分通过反相器接555以及指示灯，使之满足一下条件。

当t1

当tt2时，比较器输出高电平，接入555的RD’端，蜂鸣器响；而指示灯所接555的RD’端为低电平，指示灯不工作。

2．2．2方案二

①原理方框图〔图2〕

图2方案二原理图

②原理

先将温度变化转化成的电压变化输入555多谐振荡器，在555多谐振荡器的输出端使用窗口比较器，对输出信号进行判断，并选择使蜂鸣器工作或者指示灯工作。

2．3对各方案进行可行性分析、比较，选出最正确方案。

方案一在实行起来可以分步完成每个部分的电路，最后再一起进行调试。

先使用窗口比较器，可以准确区分电压的不同，并使用两个555多谐振荡器进行频率的设定，比较方便。

方案二首先用555多谐振荡器将输入电压转化成频率，但是由于指示灯和蜂鸣器的频率要求不同，在之后的电路中难以到达频率要求，将窗口比较器接在多谐振荡器的输出部分也比较复杂。

因此，选择方案一进行实验。

三、单元电路设计

3．1窗口比较器电路

3．1．1窗口比较器电路及其工作原理或功能说明

窗口比较器具有两个门限电平，可以检测输入模拟信号的电平是否处在给定的两个门限电平之间。

在元件选择与分类，或对生产现场进行监视与控制时，窗口比较器（图3）是很有用的。

当输入电压uI>URH时，uI>URL,所以集成运放A1的输出uO1=+UOM，A2的输出uO2=-UOM。

使得二极管D1导通D2截止,稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。

当输入电压uI

使得二极管D2导通D1截止,电流通路如图所标注，稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。

URL

URH和URL分别为比较器的两个阈值电压,设URH和URL均大于零,则传输特性如图4所示。

图3窗口比较器图4传输特性

3．1．2窗口比较器电路元件的选取与计算〔元件标号见整机电路〕

Ω

Ω

Ω，可得R6：

R7：

R8=3:

1:

2。

因此取R6=3kΩΩ，R8=2kΩ。

3．2多谐振荡器电路

3．2．1多谐振荡器电路及其工作原理或功能说明

由555定时器构成的多谐振荡器如图5所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端〔6脚〕和低电平触发端〔2脚〕并接后接到R2和C的连接处，将放电端〔7脚〕接到R1，R2的连接处。

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于〔1/3〕Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。

这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到〔2/3〕Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从〔1/3〕Vcc上升到〔2/3〕Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数T充=〔R1＋R2〕C。

由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到〔1/3〕Vcc时，输出uo。

为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。

不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，uc电压总是在〔1/3～2/3〕Vcc之间变化。

x图6所示为工作波形。

图5555多谐振荡器图6振荡器波形

3．2．2多谐振荡器电路元件的选取与计算〔元件标号见整机电路〕

T=C〔R1+2R2〕ln2；f=1/T.

蜂鸣器：

f1=1kHz；T1=1ms

所以C1〔R11+2R12〕=1.44e-3，

取C1=10nF，R11=R12=47kΩ。

指示灯：

F2=0.5Hz；T2=2s

所以C3〔R15+2R16〕=2.88，

取C3=10uF，R15=R16=100kΩ。

3．3三极管基本开关电路

3．3．1三极管基本开关电路及其工作原理或功能说明

负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上，输入电压则控制三极管开关的开启与闭合动作，当输入电压大于开启电压时，三极管呈开启状态时，有基极电流流动，使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃工作于饱和区，集电极电压接近0；当输入电压为低电压时，三极管呈闭合状态，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃工作于截止，集电极电压接近电源电压。

图7三极管基本开关电路

3．3．2三极管基本开关电路元件的选取与计算〔元件标号见整机电路〕

在输入高电平的时候，三极管导通，为了使输出为低电平，应该使压降足够大，因此R4要足够大，我选取R4=62kΩ。

为了防止R3分压太大，影响高电平，因此R3应该选取较小的电阻，我选取R3=1kΩ。

四、整机电路

4.1整机电路图

图8整机电路图

4.2元件清单

ΩC1=10nF

R2=mf58热敏电阻C2=100nF

R3=1kΩC3=10uF

R4=62kΩC4=100nF

R6=3kΩD1二极管

Ω

R8=2kΩD43V稳压管

R10=1kΩD5二极管

R11=47kΩ

R12=47kΩ

R15=100kΩ

R16=100kΩ

R18=1kΩ

此外，还有Lm3241个,三极管90141个，5552个，蜂鸣器1个，绿色发光二极管1个，以及8V电源。

五、性能指标的测量与分析

对研究过程中所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。

电路测试

5.1.1测试使用的仪器

直流电压源，示波器，万用表。

测试步骤、测量数据与分析

热敏电阻

降温

常温

加热

比较器输出

集电极电压

蜂鸣器

响

不响

响

指示灯

不闪烁

闪烁

不闪烁

频率

0.54hz

表1

结果分析：

正常温度下，窗口比较器输出低电平，经过反相器之后变成高电平，灯

光闪烁模块启动；当温度不在指定温度范围内时，比较器输出高电平，此时灯光闪烁模块停止运行，音频报警模块启动，蜂鸣器工作。

指示灯工作波形仿真〔图9〕

图9指示灯波形仿真

分析：

工作频率0.54Hz，工作周期1.85s。

蜂鸣器工作波形仿真〔图10〕

图10蜂鸣器波形仿真

分析：

工作频率1.1kHz，工作周期0.909ms。

5.1.3故障分析及处理

在调试时发现窗口比较器输出高电平时，指示灯和蜂鸣器都在工作，用万用表测量，发现反相器的输出电压有0.3V，使555多谐振荡器工作了，为了让反相器输出电压接近0，增大集电极电阻的阻值，最终使用了62kΩ的电阻，使输出接近0。

发光二极管直接接多谐振荡器的输出，发现会烧坏二极管，因此查找了资料，绿色LED的工作电压为3V左右，所以选择3V的稳压二极管与1k的电阻串联，并将指示灯并联在稳压二极管两端。

三、课程设计总结

这次的课程设计，让我扎实了自己的数字电子技术与模拟电子技术的知识。

由于是第一次做这种课程设计，在开始看到题目的时候完全不知道从哪里入手，没有任何思绪，于是去网上找到了一些温度报警器的原理图，还有一些温度报警器电路的设计思路及方法。

然后，我自己便有了一些对本电路的设计方案，再结合上学期学习的模电与数电课程，对于我想要到达的要求，参考课本找到了相应的电路。

再分别对应不同的要求，比方频率要求，温度要求，来计算参数，最后将不同分工的电路连接在一起，在multisim上先进行了仿真，也让我更加熟悉了这个软件的使用。

虽然电路图设计好了，但是在面包板上做的时候也出现了不少困难，首先，元件并不是完全按照要求的，因此测试的时候有很大的误差，为了到达要求，不得不更换元件，因此最后使用的元件与计算的值有部分不同。

而实验时小的错误经常会被放大，时实验结果不正确，也让我知道了做每一步都要仔细和严谨。

拼接电路也不是很顺畅，因为平时没有用过，做起来并不能得心应手，这次实验也提高了我的动手和实践能力。

参考文献

[1]清华大学电子学教研组编.阎石主编.数字电子技术基础（第5版）.北京：

高等教育出版社，1983.4.1.

[2]清华大学电子学教研组编.童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础（第4版）.北京：

高等教育出版社，1980.9.1.

［3］模拟电子技术实验，华南理工大学电气信息及控制实验教学中心，2014.9.