温度监控报警系统设计.doc

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单片机课程设计报告

题目：

温度监控报警系统

专业：

通信工程

班级：

姓名：

指导教师：

成绩：

___________________________

电气工程系

2011年12月15日

课程设计任务书

一、设计目的

1.掌握方波——正弦波信号发生器的原理及设计方法。

2.掌握迟滞型比较器的特性参数的计算。

3.了解单片集成函数发生器的工作原理及应用。

4.能够使用电路仿真软件进行电路调试。

5.掌握电子系统的一般设计方法。

6.培养综合应用所学知识来指导实践的能力。

7.掌握常用元器件的识别和测试。

8.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。

一、任务

设计并制作一台信号发生器，使之能产生正弦波、方波。

二、设计要求

1．信号发生器能产生正弦波、方波；

2输出信号频率在1Hz～1MHz范围内可调，输出信号频率步进间隔最小为1Hz；输出信号频率值可通过键盘进行设置；

3.在1kW负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在0～5V范围内可调；

4.输出信号波形无明显失真；频率稳定度：

10-4

5.可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值；

6.能产生双路信号，双路信号间相位可调。

7.在50W负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在0～5V范围内可调，调节步进间隔为0.1V，输出信号的电压值可通过键盘进行设置。

摘要

波形发生器在一般的电子和通信实验中使用频率很高，目前我们实验室用的较多的波形发生器主要有两种：

低频正弦波发生器和通用多波形发生器，前者只能产生正弦波，调节范围不大，但是信号稳定，失真度底，主要用在对波形有很高的要求的实验中；后者能产生正弦波、方波和三角波，也有的能产生三种以上波形。

这两种波形发生器都比较昂贵，而在我们很多的实验中有的要求产生更多的波形种类和它们的谐波，有很多对于波形的要求不是很高，有的只是演示一下，在本课题中将这两方面的缺点结合起来加以改进，最大限度地利用单片机及其外围设备的资源，开发出能产生正弦、三角、方波、梯形、锯齿等多种波形和它们的谐波及组合波形，并可以根据实际情况的需要在波形存储器中写入不同的波形，可以随时添加，能满足一般的实验及演示的需要，并且成本很低，操作简洁方便。

关键字：

单片机波形存储锁相环中断D/A转换A/D转换

目录

第一章总体方案设计 4

1.1原理框图 4

1.2函数发生器的总方案 4

第二章单元电路的设计 5

2.1方波发生电路的工作原理 5

2.2矩形波发生电路 7

第三章电路的参数选择及计算 10

3.1.方波中电容C1变化 10

3.3总电路图 11

3.4系统所需的元器件 12

第四章测试结果分析与总结 12

第五章参考文献 12

第一章总体方案设计

1.1原理框图

1.2函数发生器的总方案

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波、矩形波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波-锯齿波函数发生器的设计方法。

产生矩形波、方波、三角波、锯齿波的方案有多种，本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成锯齿波和矩形波的电路设计方法

本课题中函数发生器电路组成框图如上所示：

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到锯齿波的变换电路主要由比例运算放大器来完成，而三角波到矩形波的变换主要是通过比较器和积分器来实现的。

第二章单元电路的设计

2.1方波发生电路的工作原理

集成运放A，电阻R1,R2,R3和双向稳压管组成反向滞回比较器，起开关作用；RC电路起反馈和延迟作用，电容C连到A的反向输入端，以控制滞回比较器的工作状态。

滞回比较器输出电压Uo有两个工作状态：

高电平+Uz和低电平-Uz，两个状态的翻转是通过RC电路的充放电改变滞回比较器的输入实现的。

假设t=0时，电容C上电压Uo为0，输出电压为高电平，即Uo=+Uz，则集成运放同向输入端的电位U+=滞回比较器的第一阈值电压Uth1，即U1={R1/（R1+R2）}*Uz。

输出端的高电平通过电阻R对电容C充电，电容电压Uc上升到略大于Uth1时，集成运放方向输入端电位U-大于同向输入端电压，输出电压发生越变，从高电平变为低电平；于是集成运放同向输入端电压立即变为第二阈值电压Uth2，即U+=【-R1/（R1+R2）】*Uz，输出电压变为低电平后，电容C将通过R先放电再充电，电容电压Uc随时间下降，放电过程如下图（a）虚线所示。

当Uc下降到略小于Uth2时，集成运放反向输入端电位小于同向输入端电位，滞回比较器输出状态发生另一次越变，输出电压从低电平重新跳回到高电平。

C又重新充电，周期性地重复上述过程。

在电路稳定以后，电容C的充放电时间常数相等，并且两次越变时电容电压变化的幅值也相等，所以在一个周期内Uo的高低电平时间相等，即Uo是连续的方波。

如（b）所示。

方波发生电路图

2.2方波---三角波转换原理

方波三角波转换电路图

波形图

电压传输特性

在图所示电路中，积分电路的输出电压Uo作为滞回比较器的输入电压，而滞回比较器的输出电压Uo1又作为积分电路的输入电压；由于采用反向电路取代RC电路，为满足相位关系，该电路选用同向滞回比较器。

分析同向滞回比较器可得其输出高低电平和阈值电压

Uoh=+Uz,Uol=-Uz;

Ulrl=+R1*Uz/R2

Uth2=-R1*Uz/R2

当滞回比较器输出电压Uo1为高电平+Uz时，+Uz将通过电阻R对积分电容C反向充电，充电电流为-Uz/R，输出电压Uo按线性规律下降，当下降到滞回比较器的第二阈值电压时，集成运放A1的同向输入端电位U+=U-=0，再略下降就使得U+

此后，积分电容正向充电，充电电流为Uz/R，Uo按线形规律上升。

当上升到滞回比较器的第一阈值时，A1的U+=U-=0，再略上升就使得U+>U-，U01从-Uz越变回到+Uz，电容又开始反向充电。

如此周而复始，产生振荡。

由于积分电路反向积分和正向积分的电流大小相等，使得UO在一个周期内的下降时间和上升时间相等，且斜率的绝对值也相等，因而U0是三角波，U01是方波，波形如上图所示。

2.3矩形波发生电路

2.4三角波---正弦波转换电路的工作原理三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

式中　　

——差分放大器的恒定电流；

——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

式中　　Um——三角波的幅度；

　　T——三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，由图可见：

（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。

其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。

电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

三角波—正弦波变换电路

第三章电路的参数选择及计算

3.1.方波-三角波中电容C1变化

将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，可得出波形。

实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

3.2参数的选择

频率：

0～10MHz（正弦波、矩形波），0～200kHz（其它），除干扰·DC

电源：

AC100v/120v/200v/230v+-10%（自动切换）

电压设定量程：

峰值±0.1V/±1V/±10V（分辨率0.01mV～1mV）

最小负载阻抗：

40Ω

输出阻抗：

50Ω±2%（DC）

上升与下降时间：

45ns以内（10～90%，设定为通过过滤器，矩形波）

3.3总电路图

先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，然后通过比较器形成锯形波，再通过比例运算放大器将三角波转换为锯齿波。

图所示电路由四运放和少量电阻电容组成。

以集成运放为核心器件可将图分为四个部分。

设集成运放输出电压最大值为+Uom，最小值为-Uom。

A1工作在开环状态，且同向输入端接地，组成过零比较器。

其输出高低平决定于集成运放输出电压的幅值。

A2,R1,C1组成积分电路，其输出电压为U02=-U01（t2-t1）/R1C1+U02（t1）.A3组成电压比较器为单限比较器，其阈值电压为-Uref,输出电平为2U0，输出低电平为-Uom.A4、R2、C2组成积分电路

A1及A2的电压传输特性

3.4系统所需的元器件

1模电实验箱2双踪示波器1台3交流毫伏表

4数字频率计5uA741*26电阻电容若干7实验板1台

8二极管三极管若干

第四章测试结果分析与总结

我们已经成功完成了正弦波、方波、三角波电路的设计与实现。

通过仿真与实际电路的调试都表明设计的电路原理正确，效果也很明显。

由于时间比较紧，对于电路的定量分析方面的工作还有待于进一步深入。

我们收获颇多。

在这几天的时间里，我们做了很多事，在做事的过程中学到了很多。

首先我们选择课题，布置了实验室；借来了相关实验仪器如示波器等。

其次，我们进行了理论计算，查找相关资料，进行分析。

并以此为依据购买实验元件。

然后我们根据实际情况进行了三次调试:

第一次、在面包板上进行实物搭接调试，这时我们发现实验误差大，不稳定且外界干扰大；第二次，我们用Protel99SE,Multisim7软件进行模拟仿真；并对原先的电容、电阻进行改进，使波形达到最佳效果；第三次，我们按照仿真最佳组合进行电路的焊接、调试，由于器材的有限和不足，输出波形并未达到完全的预期效果。

如果有充分的时间和非常理想的实验设备和元器件，相信输出的波形会达到最佳的状态。

第五章参考文献

[1]王远．模拟电子技术（第二版）[M]．北京：

机械工业出版社，2000

[2]谢自美．电子线路设计实验测试（第二版）[M]．武昌：

华中科技大学出版社，2000

[3]谢云．现代电子技术实践课程指导。

机械工业出版社

[4]童诗白．模拟电子技术[M]．清华大学出版社

[5]高吉祥电子技术基础试验与课程设计国防科技大学

[6]曾建唐．电工电子实践教程[M]．北京：

机械工业出版社，2002

指导老师评语

课程设计成绩

指导老师签字

201年月日