超温报警器电路的设计.docx
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超温报警器电路的设计
实践设计报告
（电子工程实践）
学院：
电气工程与自动化学院
题目：
超温报警控制电路的设计
专业班级：
自动化131班
学号：
2420132905
学生姓名：
吴亚敏
指导老师：
曾璐
2015年1月30日
一、摘要
本次设计主要运用基本的模拟电子技术基础和传感器原理的知识，从基本的元器件出发，设计超温报警电路。
该电路分为四个模块：
电源模块、比较器控制模块、频率发生器模块、数码管译码及显示模块。
四个模块组成一个整体，实现超温报警并自动切断数码管译码及显示电路电源的功能。
该电路实际上模仿了现实生活中电子设备的自我保护机制。
关键词：
超温报警，自动控制。
二、题目及其要求
在现实生活中有一种工程技术，即带有自动温度补偿的设备，在规定温度内正常工作。
但是为了设备安全，需要设定工作的上限温度，万一温控补偿失效，设备温度一旦超出上限温度时，便立即切断电源并报警。
待设备修复之后，再投入使用。
为了在短时间内模拟上述过程，将题目适当修改，即用数码管显示电路代替工作件，当其接通市电后，数显电路会循环显示0-1-2-4-8-0-8-4-2-1。
用电烙铁代替发热件，当电烙铁靠近热敏元件约几秒钟后温度超过了上限温度，首先切断发热件电源，1秒钟后自动切断数显工作电源，数显电路停止工作，并不断发出di-di的报警声。
当温度下降低于上限温度时，电路又正常工作。
三、工作原理说明
电源模块中的桥式整流电路将15V的交流电转变为直流电，而电源稳压芯片LM7809将直流电稳定在9V以便供其它模块使用。
比较器控制电路既是对工作环境温度的检测电路，也是数码管译码及显示电路的控制电路。
当环境温度超出设定的上限温度时，热敏电阻阻值的变化将引起电压比较器LM324输入端电压的变化，与电压比较器另一端形成电压差，使输出端电平反转，驱动电磁继电器工作，从而切断数码管译码及显示电路的电源并接通蜂鸣器使之报警。
频率发生器电路通过调节产生频率为1Hz的方波。
在环境温度没有超过上限温度时，驱动芯片CD4017工作；在环境温度超过上限温度时，驱动蜂鸣器工作。
十进制计数器CD4017在时钟脉冲驱动下，输出端Q0~~~Q9循环输出高电平，时间间隔为1秒。
继而七段码译码器CD4511驱动共阴极数码管显示0-1-2-4-8-0-8-4-2-1。
四、设计过程及其说明
4.1电源电路
桥式整流器利用四个二极管，两两对接。
输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。
如图4.1.1。
图4.1.1
经电容的滤波作用，得到波动幅度更小的纹波电压，电容的容量越大，纹波越趋近于直线。
故在此选用1000uF的电容。
图4.1.2
LM7809能将12V~~~35V范围内的输入电压稳定在9V左右输出。
9V即是我们所需电压值。
D2的接入主要起指示作用，R4为D2的限流电阻。
4.2比较器电路
电压比较器的功能：
比较两个电压的大小（用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系）：
当”+”输入端电压高于”－”输入端时，电压比较器输出为高电平；
当”+”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平；
可工作在线性工作区和非线性工作区。
在常温下，调节R10使“-”输入端的电势略低于“+”输入端。
正温度系数热敏电阻Rt的阻值随温度的升高而降低。
热敏电阻Rt阻值的降低会导致“+”输入端的电势降低。
当”+”输入端电压低于”－”输入端时，电压比较器输出为低电平，会驱动电磁继电器K1A工作。
4.3频率发生器电路
如下图所示，电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。
定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。
放电端D（7脚）接在R1和R2之间。
电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。
直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。
多谐振荡器的放电时间常数分别为：
tPH≈0.693×（R1+R2）×C1，tPL≈0.693×R2×C1
振荡周期T和振荡频率f分别为：
T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1
f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]
4.4数码管译码与显示电路
CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，CP、CR、INH输入端。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
INH为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。
CR为高电平时，计数器清零。
Johnson计数器，提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通，保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。
CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器。
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动共阴极数码管工作。
利用芯片CD4017、CD4511的特性，加以附加电路的改造，可驱动单位数码管循环显示0-1-2-4-8-0-8-4-2-1。
五、元件组装与焊接
领取元器件，如下表所示：
元件清单
名称
型号
数量
备注
变压器
220V/15V
0
实验室提供
电阻
1K
9
2K
2
5K
0
5.1K
3
10K
5
22K
1
100K
1
电容
0.01uF
2
0.1uF
1
10uF
2
100uF
1
220uF
1
470uF
1
1000uF/25V
1
热敏电阻
0
二极管
IN4007
4
IN4148
11
发光二极管
红色
3
可调电阻
5K
2
10K
1
继电器
JZC-23F
2
使用后需回收
电源稳压芯片
LM7809
1
共阴极数码管一位
1
使用后需回收
运放
LM324
1
使用后需回收
集成电路（DIP）
CD4017
1
使用后需回收
CD4511
1
使用后需回收
NE555N
1
使用后需回收
蜂鸣器
1
使用后需回收
三极管
9013
1
单排排插
2排
双排排插
0.5排
圆孔排插
2排
板子
1块
焊锡
0
实验室提供
因为所领芯片LM324、CD4017、CD4511、NE555N，以及数码管的引脚与原理图并不相同，所以在焊接之前，必须了解各芯片引脚的顺序及功能。
以下是上网获取的各芯片的实物图及其引脚功能介绍：
LM324NLM7809
芯片NE555N的引脚介绍：
1、GND2、TRIG
3、OUT4、RESET
5、CONT6、THRES
7、DDISCH8、VCC
NE555N
CD4017的引脚介绍：
CD4511的引脚介绍：
其功能介绍如下：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。
它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。
LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：
为译码输出端，输出为高电平1有效。
元件组装及焊接结果图：
六、调试及其结果
按照电路图连接好电路后，接通电源，蜂鸣器不能正常发声。
调节R8，用万能表测量U1A的电压，使U1A的输出电压为2.5V,调节R9，使U1B的输出电压在0～+5V之内，避免电压过高烧坏555定时器。
然后再调节R9，使R9的阻值从0开始逐渐增大，观察蜂鸣器的状态，在调节R9的过程中，发现蜂鸣器总是不响，因此只好检查电路是否连接正确。
无奈之下，只好请同学。
同学也认为电路没有问题，于是用万用表测了一下蜂鸣器两端的电压，其电压为4.7V，调节R9时发现，当R9的阻值超过特定的值以后，蜂鸣器就能发声，当减小R9的阻值低于该特定值时，蜂鸣器停止发声。
这种现象表明该电路能实现预期的效果，电路一切正常。
七、心得与体会
通过本次的课程设计，我最大的收获就是提高了自身的动手能力，培养了我的寻求解决问题的能力和团队精神也增强了我其它方面的能力。
在设计中，我充分应用我们所学的知识，例如：
集成电路、三极管、二极管、定时器555等元件的应用。
这次实践使我受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了我的实际操作能力。
课程设计的自主设计、学习和研究过程中，通过写课程设计的总结报告，初步训练我的书面表达能力。
组织逻辑能力，这些技能应用性强，对我的将来就业和进一步发展帮助较大。
同时也加强了对课本知识理解，使我们做到理论和与实际的联系，收获很大。
并且我也深深地体会到自己所学知识的不足，激发了我的自学能力和应对挑战的能力。
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