测控电路课程设计报告北信科Word文档格式.docx
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（三）单元电路设计13
（四）相关参数计算13
（五）电路接线图15
（六）实验调试过程16
（七）实验结果16
（八）遇到问题及解决方法17
四、个人总结17
五、附录19
1、设计任务与要求
（一）设计任务：
从1、2中各选一项进行室内环境参数测量及安防报警电路设计。
1、温度、湿度、照度测量与显示、报警电路设计；
2、破门入室、破窗入室、室内防盗、火灾,燃气泄露等报警电路设计。
（二）基本要求：
1、用电路实现，不用软件；
2、用数字表头实现测量值的显示；
3、能够设置环境参数测量值报警上下限，并实现声、光报警；
（三）我们组的任务：
1、温度报警电路设计；
2、防盗报警电路设计。
2、温度报警电路设计
（一）系统设计方案
1、报警电路
采用热敏电阻作为温度传感器，实现温度呈线性的电压在门限电压周围调动；
通过电位器调节门限电压，实现低于门限电压时绿色发光二极管导通，高温时红色二级管导通。
2、显示电路
将与热敏电阻采集到的温度成线性关系的电压，经过放大电路处理，在四位数字表头上显示温度。
（二）传感器的选择
在本实验中我们采用热敏电阻NTC103作为传感器。
NTC热敏电阻由金属氧化物陶瓷组成，是低成本、灵敏度最高的温度传感器。
同时，它们也是线性最差的温度传感器，并具有负温度系数。
热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。
但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。
在实验前我们查阅了很多温度传感器的资料，但由于NTC103可以实现在实际操作中，测出室温以及人体温度，且变化明显，所以我们最终选用了NTC103作为实验中的温度传感器。
热敏电阻的阻值与对应的温度关系见附录表2。
（三）单元电路的设计
1、电桥电路
电桥
图2.1
采用电桥可以减小电阻在实际操作中阻值不准确所引起的误差。
2、比较电路
比较电路
图2.2
电桥的输出两端接运算放大器的同相端，反相接输入端。
3、报警电路
报警电路
图2.3
4、显示电路
电压信号
VCC+7V
VCC-7V
图2.4
5、调零电路
µ
A741调零电路的连接如图所示。
接上电源后，将运放的输入端接地，然后调节电位器使输出电压UO为零。
图2.5
（四）相关参数计算
1、比较电路
电压比较器将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。
反相型迟滞比较器，见下图：
图2.6
Ui=U－，Uo被箝位在±
UZ，避免运放计入过饱和。
假设Ui在足够低时，Ui<
U+，Uo=Uoff=+UZ
（始终稳定），此时：
；
当Ui从低值增高，若Ui≥U+时，Uo从+UZ下降到-UZ，此时：
；
当Ui从高值降低至Ui≤UZ，Uo从-UZ上升到+UZ，此时：
门限宽度：
当UR=0时：
Ui无论从足够低或足够高单调增加或单调减少，Uo仅翻转一次，即过了阀值后就维持在一种稳态。
因为当过阀值电压后，Uo从低变为高或从高变为低了，正反馈到Ur（Uth）端，使该阀值电压变高或变低了。
只要门限宽度ΔUT=UTH-UTL幅度大于UI
在阀值电压波动的幅度，Uo就不会翻转了，所以比单限比较器抗干扰能力强多了。
此电路采用差分运算放大电路，能有效的抑制共模信号，相较于其它运算放大电路，更适合在次电路中使用。
2、报警电路
三极管作为开关使用时，处于下列两种状态下工作。
IE=IB+IC。
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截止状态：
当三极管之基极不加偏压或加上反向偏压使BE极截止时（BE极之特性和二极管相同，须加上大于0.7V之正向偏压时才态导通），基极电流IB=0，因为IC=βIB，所以IC=IE=0，此时CE极之间相当于断路，负载无电流。
饱和状态：
当三极管之基极加入驶大的电流时，因为IC≒IE=β×
IB，射极和集极的电流亦非常大，此时，集极与射极之间的电压降非常低（VCE为0.4V以下），其意义相当于集极与射极之间完全导通。
图2.7截止状态
图2.8饱和状态
3、显示电路
图2.10反向比例电路
图2.9加法电路
1）加法电路
2）反向比例电路
。
（五）电路接线图
图2.11
图2.12
（六）实验调试过程
1、通过改变R12的阻值来调节门限电压的值。
在实验中，一开始发光二极管始终只能亮绿灯或者红灯，通过改变了R17最终我们将温度上下限设置为在实际操作中可以达到的温度，以便观察现象。
2、通过加集成放大电路来实现温度的显示。
先采用10k电阻代替25度时的热敏电阻，将输出电压调节为250mV,即显示温度调节为25.0度，用过调节R17和R18的值调节放大倍数，使温度在所需显示范围内尽量准确。
（七）实验结果
电阻值为10kΩ时，对应的温度为25度，输出电压为250mv，显示25度，显示值与实际温度相对应。
当温度小于28度时绿色发光二极管报警，当温度大于30度时红色发光二极管报警。
R17=32.5kΩ,R18=2.25kΩ,VCC=1.3V
测量点
10k电压
7k电压
A
-2.10V
-1.03V
B
-495mV
-242mV
C
-804mV
-1.06V
D
247mV
325mV
E
249mV
327mV
实验结果图：
图2.13
显示调零：
图2.15
利用multisim仿真出的电路图：
图2.16
图2.17
（八）遇到的问题及解决方法
1、问题：
将0度时的电阻放入电路内，将输出电压调制0V后，接入热敏电阻，显示温度值与实际温度值差5度，显示不准确，且温度变化范围较大与实际不符。
解决办法：
加入集成放大电路，通过改变电压的放大倍数改变电压的显示值，由于采集到的电压信号为负值，一开始想加一个比例为1:
1的反向比例放大电路使输出为负，但在后来的实际操作中发现，电压虽然由负变为正但符号后的数值并未改变；
后来又设想采用一个加法电路使电压变为正，并达到所需值，但实际操作中发现，达到所需值需计算的太多，并且还要改变输入电压，因此最终在电路后面加了一个反向比例放大电路，最终的到了所需值。
并且在后来的学习中发现，当未经过放大电路时，显示温度的值与实际温度的值可以达到一致，但当经过了运算放大器后，温度测量已经不准确了，但在实际操作中，我们可以使温度在一定范围内进行改变，并且与实际值接近。
2、问题：
电路如何调零。
在实验当中总认为调零就是把显示温度值进行调零，但在后来的学习操作中才发现调零指的是调零741芯片，要将741芯片的1脚与5脚之间接入一个电位器。
再将2脚与3脚短接接地，给芯片上电之后，通过调滑动变阻器使输出电压值调零，且调零过后，1脚和5脚间的电位器需保留。
显示值不准确的时候，还可以调零四位数字表头。
3、防盗报警电路设计
（一）系统设计方案
设计一个检测电路，将检测器件安装在门上，只要有非法进入者闯进，蜂鸣器即会发出警声。
蜂鸣器的报警声持续时间可调，声音大小可调即频率可调。
NE555做成单稳态电路时，电路可以检测出人体信号并转化成电信号，利用这一特点可以用NE555芯片设计检测电路。
（二）元件的选择
采用一触碰开关代替实际中的传感器，可以实现在试验中模拟操作。
NE555做成单稳态电路时，电路可以检测出人体信号并转化成电信号，利用这一特点可以用NE555芯片设计检测电路。
图3.1
NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能：
1脚地GND2脚触发3脚输出4脚复位5脚控制电压6脚门限（阈值）7脚放电8脚电源Vcc
当555的6脚和7脚相接，2脚和触发电平相接，就构成单稳态触发器。
单稳态触发器具有稳态和暂稳态两个不同的工作状态.在外界触发脉冲作用下，它能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态，暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。
由于单稳态触发器具有这些特点，常用来产生具有固定宽度的脉冲信号。
用555定时器构成的单稳态触发器是负脉冲触发的单稳态触发器，其暂稳态维持时间为：
Tw=lnRC=1.1RC，仅与电路本身的参数R、C有关。
当开关按下时，2管脚由高电平变为低电平时，输出管脚3脚就由低电平变为高电平输出一个脉冲，高电平脉冲维持的时间由电阻R1和电容C1决定，其计算公式为：
Tw=lnR1*C1≈1.1RC。
（3）单元电路设计
频率模块
定时模块
图3.2
1、定时模块
定时模块的作用是来控制语音报警的时间长度，防止报警时间过长，电能损耗过多。
主要构成是由NE555定时器完成，将其接成单稳态电路，可以产生一脉冲，脉冲维持时间可以通过设计参数而得，脉冲的维持时间就是电路报警的时间长度。
2、频率模块
频率控制模块是产生一频率为1.2KHz的信号模块电路，完成设计基本要求。
为提高电路的实用性，设计一个可以自动变频的电路，使得报警声音多样化。
电路中用NE555定时器构成的多谐振荡器作为产生频率的电路，再经过分频电路，分成不同的频率信号，再经过数据选择器，选出频率，使不同频率能够自动变换地传输到语音报警电路。
（4）相关参数计算
在数字电路中，定时实际上是产生一脉冲信号，其信号的高电平或低电平维持的时间可由计算电路参数而确定。
555做单稳态触发器时就有定时的作用，因此定时模块可由555芯片完成。
考虑到检测电路中已使用了555做单稳态触发器，因此可将两模块合二为一，既用作检测电路又用作定时。
其电路如图3，定时的长短由电路参数R和C确定：
图3.3定时电路图
2、频率模块
若将555的引脚2与6相接，就可形成多谐振荡器。
外接电容C通过R1、R2充电，而放电电流仅通过R2。
可求出：
充电时间：
放电时间：
周期：
占空比：
图3.4多谐振荡电路
（5）电路接线图
图3.5
图3.6
（6）实验调试过
将电路按设计接好后，接通电源，触碰开关，蜂鸣器不响。
经多次检查电路发现电容正负极插反导致其中一个NE555烧坏，换了新的555，重新连接好电路，接通电源，触碰开关，蜂鸣器响了。
一开始用的单刀单置的普通开关，按下后蜂鸣器一直响，后来换了一个出发开关，即按下开关后蜂鸣器响一声，通过调节电位器最终实现可以改变按下开关后，蜂鸣器持续响的时间，通过改变频率模块的滑动变阻器可以实现改变蜂鸣器响的频率。
（7）实验结果
改变电位器R4的值可以改变蜂鸣器报警的时间长短，改变电位器R3可以改变蜂鸣器的音量即频率。
按下开关报警。
图3.7
用Multisim仿真的电路图：
图3.8
（8）遇到问题及解决方法
问题：
蜂鸣器不响或与预期现象不一致。
解决方法：
蜂鸣器的工作电压是有限制的，电压选择不好会导致蜂鸣器不响，通过查阅资料了解所用蜂鸣器的参数来确定最终的使用电压。
电容与电阻值选择不合理导致蜂鸣器的响声不合理，通过改变电阻值和电容值来改变蜂鸣器的频率以及持续时间。
4、个人总结
这次的测控电路课设，在选题阶段，我们查阅了大量的资料，并且考虑到温度比较容易观察现象，我们选择了温度报警电路以及防盗报警电路。
在设计阶段，我们采用了Multisim软件对电路进行了仿真，并且的到了预期结果。
但在实际的连接电路的过程当中，我们遇到了很多问题：
比如温度报警电路的门限如何设置；
如何在数字表头上显示与实际温度相对应的值；
如何调节报警电路的报警时间以及频率；
如何进行调零等等。
为此我们查阅了大量的资料。
最后在老师，同学，朋友的帮助下，我对电路有了更深入的了解，对每一部分的电路具体是什么原理、应该如何计算参数都有了更深的认识。
比如采用电桥可以减小电阻阻值在实际当中的误差带来的影响；
采用差分运算放大电路可以对输入电压值进行比较，并且差分运算放大电路相较于其它运算放大电路在共模抑制比上有较大的优势；
采用NPN、PNP型三极管可以是二极管在不同的时候导通，即可以达到温度上下限报警的目的；
在显示电路方面若要将一个随温度升高，电压值呈负数，且减小的值在四位数字表头上显示出来，即需要对电压进行处理，采用加法电路可以实现将电压随温度增加而增加，采用反向比例放大电路可以实现将负值变为正值，通过加滑动变阻器可以改变放大倍数即可以改变现实的值；
在调零电路方面，一开始我们都认为要将温度调节到零度，可是在调零后又出现了问题，室温时的显示值较实际温度较低，后来通过对电路的进一步的分析，是我们知道，之所以产生这个现象的原因是我们所采用的温度传感器是非线性的温度传感器，随温度变化呈负指数增长，又经过了运算放大电路，我们所能实现的就是通过改变滑动变阻器的值来改变显示电压在某一范围之内显示出精准的值。
当然此外还有很多问题，由此使我更加看到了不足，平时所学到的知识在关键的时候不能学以致用，经过老师同学的提点才有了进一步的认识。
在连接电路方面我有较大的不足，这次的电路能连接的这么好也要归功与小组的其他成员，我一开始连电路，看上去的电路很乱，后来在看同学连的过程中我学到了很多，比如要将器件的位置安排好，连接线要横平竖直，电源线用红色，接地线用黑色，等等。
从之后做测控电路实验的时候在连接电路时我们都能很快的将电路连接好，就能看出这次的测控电路课程设计使我受益匪浅，进步很多。
通过这次的课程设计，我独立思考了很多问题。
关于电路设计方面，电路每个单元电路的选择设计，数值计算等等都考虑了很多，结合了很多以前所学过的知识对问题进行了考虑，并且用过与小组同学的讨论，最后的除了结论，很多不明白的地方也都搞懂了。
同时这次实验还使我认识到，理论和实际是有区别的，再用Multisim10仿真的时候已经出来结果，却在实际电路中咋么也不出结果，有连接线出错的原因，有电压值选择不合理的原因，在最初的设计过程中，我们更应该把这些可能产生误差的因素考虑进去，结合实际进行电路设计，只有更好地将理论联系实际才能更好地设计出好的电路，达到最好的预期效果。
5、附录
附录1：
参考文献
1）高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].北京：
电子工业出版社，2002。
2）张延琪.常用电子电路280例解析[M].北京:
中国电力出版，2004第一版。
3）路成红.专用集成电路设计与电子设计自动化[M].清华大学出版社，2004。
4）秦曾煌，电工学（上下）第七版，2007。
5）史红梅，测控电路及应用，华中科技大学出版社，2011。
附录2：
热敏电阻阻值与温度关系表
附录3：
元器件清单
元器件
个数
UA742
3
NE555
2
2N2222
1
S9012
触碰开关
蜂鸣器
10K热敏电阻
数字表头
发光二级管红
绿
电容100nF
100uF
电位器1K
10K
50K
电阻1K
4
1.5K
5.1K
8
11.5K
18K
47K
稳压电源
导线
若干
附录4：
温度报警电路图
附录5：
防盗报警电路
升级会员 