溫度報警器設(shè)計

1、溫度報警器設(shè)計 前言 綜合電子設(shè)計與實踐是集電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及電路實驗、模擬電子技術(shù)實驗、數(shù)字電子技術(shù)實驗等課程之后的一門理論與實踐相結(jié)合的綜合設(shè)計性課程。 它的開展是為了提高和增強(qiáng)學(xué)生對電子技術(shù)知識的綜合分析與應(yīng)用能力。這對于提高學(xué)生的電子工程素質(zhì)和科學(xué)實驗?zāi)芰Ψ浅Ｖ匾请娮蛹夹g(shù)人才培養(yǎng)成長的必由支路。 這次課題的設(shè)計任務(wù)要求是完成一個溫度報警器的制作，并實現(xiàn)當(dāng)溫度高于30時發(fā)出雙音報警，溫度低于10時發(fā)出單音報警的功能要求。本設(shè)計中充分展示了模擬電子技術(shù)的優(yōu)點，利用放大電路、窗口比較器進(jìn)行溫度的判定，再結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)的優(yōu)點，充分利用單元電路的功能來實現(xiàn)報警，將模電

2、、數(shù)電緊密結(jié)合，綜合應(yīng)用，不但對知識有了更進(jìn)一步的掌握，也極大地提高了動手能力，并讓學(xué)生對于實際電子產(chǎn)業(yè)有了初步的認(rèn)識，對于以后的就業(yè)打下一定的基礎(chǔ)。一、任務(wù)和要求 1、用蜂鳴器作為電聲原件； 2、當(dāng)溫度在10至30范圍內(nèi)時報警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過這個范圍時，報警器發(fā)出聲響，并根據(jù)不同音調(diào)區(qū)分溫度的高低。即： 當(dāng)溫度高于30時，報警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀-嘟”聲響。 當(dāng)溫度低于10時，報警器發(fā)出單頻率聲響。 3、溫度傳感器輸出電壓可由直流信號源模擬，以0為0mV，溫度每上升1，遞增2mV。 4、設(shè)計并制作本電路所用直流電源。二、設(shè)計方案及思路 1.1 整體電路構(gòu)思整體電路構(gòu)思 本次溫度報警

3、電路的設(shè)計我們用蜂鳴器作為報警電路的電聲元件，通過電壓的變化來模擬溫度的高低，以0為0mV，溫度每上升1，遞增2mV； 由于變化的電壓值較小，所以我們采用放大電路對其進(jìn)行放大100倍，然后通過后級比較電路對電壓進(jìn)行比較，當(dāng)溫度在10至30范圍內(nèi)（即電壓在20mV至60mV時報警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過這個范圍時，即當(dāng)接收到的輸入電壓（前級放大器的輸出）小于2V（10時放大器的輸出為2V）或者大于6V時（30時放大器的輸出為6V），輸出高電平以驅(qū)動后級的發(fā)生報警電路，報警器發(fā)出聲響，并根據(jù)不同音調(diào)區(qū)分溫度的高低，即當(dāng)溫度高于30時，報警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀-嘟”聲響；當(dāng)溫度低于10時，報警器發(fā)

4、出單音頻率聲響。 電路所需的直流電壓由5V和12V直流電源提供。二、設(shè)計框圖 根據(jù)整體構(gòu)思，說設(shè)計電路分為四個模塊：根據(jù)整體構(gòu)思，說設(shè)計電路分為四個模塊： 直流電源、信號放大電路、比較電路和報警電路。 其中直流電源由變壓器、整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓器組成； 放大器的設(shè)計采用集成運放放大； 比較器采用窗口比較器，通過電壓的變化可以模擬實現(xiàn)高溫低溫的變化； 報警電路有單雙頻之分，選用555定時器件做成多諧振蕩器，以分別實現(xiàn)單雙頻報警。三、單元電路設(shè)計三、單元電路設(shè)計 1、直流電源電路設(shè)計、直流電源電路設(shè)計直流穩(wěn)壓5V、12V電源的設(shè)計，輸入交流電220V（峰值312V），50Hz。穩(wěn)定直流電源設(shè)計的

5、一般思路是讓輸入交流電壓220V（峰值312V）50Hz先通過變壓器（降壓到合適的數(shù)值，如16V），再通過整流電路（將正弦波交流電壓轉(zhuǎn)換為直流脈動電壓，即交直流成分均有），然后經(jīng)過濾波電路（減小電壓的脈動），最后經(jīng)過穩(wěn)壓電路（使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載電阻的影響）。采用整流橋?qū)崿F(xiàn)整流的目的，以2200uF的大電解電容作為濾波電路，采用固定式三端集成穩(wěn)壓器7805、7812來穩(wěn)定輸出電壓。 如下圖所示，220V（峰值311V）50Hz交流電經(jīng)變壓器220:16輸出兩組獨立的16V交流電，經(jīng)整流橋、大電容濾波后分別經(jīng)過集成穩(wěn)壓塊7812和7805作用得到+12V、+5V的直流輸出電壓

6、。穩(wěn)壓電源組成框圖如圖1所示：W7805、W7812管腳圖 2.2、放大和比較電路的設(shè)計、放大和比較電路的設(shè)計 1.放大電路 放大電路圖： 此電路是同相比例運算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。根據(jù)反饋放大電路工作在深度負(fù)反饋的狀態(tài)下：Uid0URV1=UR2UR2=(Uo(R3+R2)R2Uo=(1+R3R2)URV1電路放大倍數(shù)為：A=(1+R3R2)LM324的管腳圖 LM324是四運放集成電路，LM324工作電壓范圍寬，可用電源3V30V，或正負(fù)雙電源1.5V15V工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為0VCC。它采用14腳雙列，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源

7、共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用上圖左示的符號來表示。 R1處加一個處加一個+12V的直流電壓（即的直流電壓（即7812的輸出端），的輸出端），通過滑動電位器通過滑動電位器RV1來改變放大器的輸入電壓來改變放大器的輸入電壓URV1.。根據(jù)實驗設(shè)計要求（當(dāng)溫度在。根據(jù)實驗設(shè)計要求（當(dāng)溫度在10至至30范圍內(nèi)且允許誤差范圍內(nèi)且允許誤差1）時報警器不發(fā)聲響，）時報警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過這個范圍時，報警器發(fā)出聲響。以當(dāng)溫度超過這個范圍時，報警器發(fā)出聲響。以0為為0mV，溫度每上升，溫度每上升1，遞增，遞增2mV，即低于，即低于20mV報警（單頻），報警（單頻），20mV60mV不報警，

8、高于不報警，高于60mV報警（雙頻）。報警（雙頻）。 URV1經(jīng)過經(jīng)過LM324放大放大100倍后，就變?yōu)楸逗?，就變?yōu)?1.9V報報警（單頻），警（單頻），2V6V不報警不報警,大于大于6v報警（雙頻）。報警（雙頻）。再經(jīng)過窗口比較器。再經(jīng)過窗口比較器。 注意事項：注意事項： R1與與RV1要取合適的值，要取合適的值，RV1應(yīng)盡量小點，以提應(yīng)盡量小點，以提高電路的靈敏度。高電路的靈敏度。2.3 窗口比較器電路窗口比較器電路 窗口比較器電路圖：窗口比較器電路圖： 由LM324中的兩個運放組成1個窗口比較器，以12V為電源電壓，通過調(diào)節(jié)電位器RV2、RV3來確定窗口比較器的兩個基準(zhǔn)電壓，使分別為2

9、V、6V，調(diào)節(jié)好后使其穩(wěn)定不再變化。 放大器的輸出電壓放大器的輸出電壓UO與兩個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，若與兩個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，若UO小于小于2V，則，則B運放輸出為高電平，輸出端接一個保護(hù)電阻經(jīng)過運放輸出為高電平，輸出端接一個保護(hù)電阻經(jīng)過D1 (5V穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管)使輸出電壓穩(wěn)定在使輸出電壓穩(wěn)定在5V； 若若UO在在2V與與6V之間，則運放之間，則運放B與與C輸出都為低電平，即電輸出都為低電平，即電壓為壓為0； 若若UO大于大于6V，則運放，則運放C輸出為高電平，輸出端接一個保護(hù)輸出為高電平，輸出端接一個保護(hù)電阻經(jīng)過電阻經(jīng)過D2（5V穩(wěn)壓管）使輸出電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管）使輸出電壓穩(wěn)定在5V。2.4、溫

10、度報警電路 注意事項：注意事項： 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管D1、D2的作用是穩(wěn)定窗口比較器的輸出的作用是穩(wěn)定窗口比較器的輸出電壓，但前提是窗口比較器的輸出電壓必須大于電壓，但前提是窗口比較器的輸出電壓必須大于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管D1、D2的穩(wěn)壓值。運放輸出端所加保護(hù)的穩(wěn)壓值。運放輸出端所加保護(hù)電阻不應(yīng)過大，否則穩(wěn)壓管將不起作用。電阻不應(yīng)過大，否則穩(wěn)壓管將不起作用。根據(jù)任務(wù)與要求，要有兩種不同的報警聲根據(jù)任務(wù)與要求，要有兩種不同的報警聲音，因此我們設(shè)計兩種報警電路，單頻報音，因此我們設(shè)計兩種報警電路，單頻報警和雙頻報警電路。警和雙頻報警電路。 音頻報警電路的制作可以用音頻報警電路的制作可以用555和電阻、和電阻、電

11、容組成，我們選用電容組成，我們選用555集成定時器來制作集成定時器來制作多諧振蕩器從而做出音頻電路。多諧振蕩器從而做出音頻電路。多諧振蕩器是在多諧振蕩器是在Vc大于大于Vt-時充電，小于時充電，小于Vt+時放電。時放電。555的管腳圖 555定時器的電路如上圖所示。它由三個阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電管V1、與非門和反相器組成。分壓器為兩個電壓比較器C1、C2提供參考電壓。如5端懸空，則比較器C1的參考電壓為2/3Ucc，加在同相端；C2的參考電壓為1/3Ucc,加在反相端。Rd是復(fù)位端，當(dāng)Rd=0時，基本RS觸發(fā)器被置0，晶體管V1導(dǎo)通，輸出端

12、UO為低電平。正常工作時，Rd=1。 設(shè)U11和U12分別為6端和2端的輸入電壓。當(dāng)U112/3Ucc,U121/3Ucc時，C1輸出為低電平，C2輸出為高電平，即Rd=0,Sd=1,基本RS觸發(fā)器被置0，晶體管V1導(dǎo)通，輸出端UO為低電平。CCU32 當(dāng)U112/3Ucc，U121/3Ucc時，C1輸出為高電平，C2輸出為低電平,Rd=1,Sd=0,基本RS觸發(fā)器被置1，晶體管截止，輸出端U0為高電平。當(dāng)U112/3Ucc時，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。 綜上所述，可得555定時器功能如表所示。555應(yīng)用電路分類555多諧振電路相關(guān)參數(shù)計算 用用555定時器設(shè)計一個自由多諧

13、振蕩器定時器設(shè)計一個自由多諧振蕩器 要求振蕩周期T=110S，選擇電阻、電容參數(shù)，并畫出連線圖。最小振蕩周期要求振蕩周期T=110S，選擇電阻電阻、電容電容參數(shù)，并畫出連線圖。解電路如圖9-4所示，其振蕩周期C)RR(.T21270+=。如果選擇R1min=R2=3.9k,C=100uF.則 T=0.7(R1+R2)C =0.7(3.9+R+23.9) 100 =110S最小振蕩周期：Tmin=0.7(3.9+23.9) 100=819ms1、低溫報警電路 此電路中此電路中4端口接窗口比較器的端口接窗口比較器的D1穩(wěn)壓輸出，穩(wěn)壓輸出，4端口為一端口為一個復(fù)位端，當(dāng)個復(fù)位端，當(dāng)D1為高電平（溫度

14、低于為高電平（溫度低于10即放大電路輸即放大電路輸出電壓小于出電壓小于2V）時，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出單頻）時，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出單頻聲音報警。聲音報警。 充放電時間為充放電時間為=RC 充電時間為充電時間為 T1=(R4+R5)C4(VccVt-)(VccVt+) 放電時間為放電時間為 T2=R4C4(VccVt-)(VccVt+) 此振蕩電路的振蕩周期為此振蕩電路的振蕩周期為 T=T1+T2=(R5+2R4)C4(VccVt-)(VccVt+) =(R5+2R4)C42 占空比：占空比： q=T1/T=(R4+R5)（R5+2R4）2、高溫報警電路 高溫報警采用雙頻報警，該

15、部分用到了兩片高溫報警采用雙頻報警，該部分用到了兩片555定時器。定時器。U5的作用是控制高低音的持續(xù)時的作用是控制高低音的持續(xù)時間，高電平持續(xù)時間即為電容間，高電平持續(xù)時間即為電容C的充電時間，的充電時間，低電平持續(xù)時間即為電容低電平持續(xù)時間即為電容C的放電時間；的放電時間；U6的的作用是將高音與低音轉(zhuǎn)換成合成頻率輸出。作用是將高音與低音轉(zhuǎn)換成合成頻率輸出。 對于對于U5振蕩電路的充電時間為：振蕩電路的充電時間為： T1=(R7+R8)C5(VccVt-)(VccVt+) 放電時間為：放電時間為： T2=R8C5(VccVt-)(VccVt+) 占空比為：占空比為： q=T1/T=(R7+R

16、8)/(R7+2R8) 當(dāng)U5輸出為高電平時對于U6振蕩電路的振蕩頻率為： 設(shè)閾值電壓為VT1+、VT1- 根據(jù)555的內(nèi)部電路有： C6的充電閾值為：CCTVkRkkV5/1010111放電閾值為：放電閾值為：CCTVkRkkV5/105111充電電路為：充電電路為： 根據(jù)電路列寫根據(jù)電路列寫UC（t）的表達(dá)式：）的表達(dá)式：6109)()()0()()(CRRtcccceuuutu11ln)(6109TCCTCCVVVVHCRRT1100610lnTTVVLCRT1111006106109lnln)(TTTCCTCCVVVVVVLHOCRCRRTTT充電時間為充電時間為TH：放電時間為放電時

17、間為TL：則振蕩周期則振蕩周期TO為：為： 低音頻率為：低音頻率為：CCTVkRkkRV)10/(510/11112OLTf1 當(dāng)當(dāng)U5輸出低電平時對于輸出低電平時對于U6的振蕩頻率為：的振蕩頻率為： 設(shè)設(shè)C6的閾值為的閾值為VT2+、VT2- 則則 CCTVkRkkRV)10/(5 210/111122222006106109lnln)(TTTCCTCCVVVVVVLHCRCRRTTT 高音振蕩頻率為：fH=1/T 根據(jù)參數(shù)、計算公式可得，雙頻的高低音持續(xù)時間以及高低音頻率只與和555外部連接的電容C和電阻R有關(guān)，因此我們可以通過改變555外部電路的電容和電阻的大小來控制多諧振蕩電路的振蕩周

18、期，從而控制蜂鳴器發(fā)出聲音的高低和頻率。 U6的4端接D2端穩(wěn)壓輸出電壓，當(dāng)D2為高電平（溫度高于300C即放大電路輸出電壓大于6V）時，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出“嘀-嘟”的雙頻聲音報警。 三、電路仿真分析3.1 仿真軟件簡介本次電路仿真用的是Protues軟件，Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。 Protues軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能時：

19、（1）原理布圖（2）PCB自動或人工布線（3）SPICE電路仿真 革命性的特點（1）互動的電路仿真用戶甚至可以實時采用諸如RAM,ROM,鍵盤，馬達(dá)，LED,LCD,AD/DA,部分SPI部件，部分IIC器件。（2）仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。3.2電路仿真通過用Protues軟件進(jìn)行仿真，將各個模塊連接好后進(jìn)行仿真。電路圖如下： 仿真結(jié)果： 當(dāng)溫度低于10時發(fā)出單頻報警輸出波形如下： 當(dāng)溫度高于30是發(fā)出雙頻報警輸出波形如下:四、電路的裝調(diào)和分析 本次課

20、設(shè)四人一組，各盡其能，我們分了四個模塊，有直流電源電路，放大電路，窗口比較器，單蜂鳴器報警電路以及雙蜂鳴器報警電路。大家一起完成了四個模塊的電路裝調(diào)。 4.1電源的裝調(diào) 選用22V16V的變壓器，一個LM7812，一個LM7805,220uF電解電容一個，小電容若干個，接好電源電路。 在接電源的過程中遇到了如下問題： 用萬用表測量從LM7812輸出的電壓值沒有達(dá)到12V。 故障排除：經(jīng)過仔細(xì)的檢查發(fā)現(xiàn)電路接通后LM7812發(fā)熱，最后判斷該三端穩(wěn)壓器是壞的，不能使用。更換LM7812后正常。4.2 放大和比較電路的裝調(diào)放大和比較電路的裝調(diào) 選用1個LM324中的3個運放，1個1k、2個10k，2個100k的電阻，還有三個10k的可調(diào)電位器，2個5V穩(wěn)壓二極管。 在這部分電路的裝調(diào)過程中遇到如下問題： 問題1：接通電源后改變電位器比較輸出電壓無變化。 故障排除：仔細(xì)檢查電路發(fā)現(xiàn)由于面包板插孔密集而使一條導(dǎo)線沒能聯(lián)通，調(diào)整后輸出正常。 問題2：當(dāng)改變電位器時比較輸出高低電平不穩(wěn)定。 故障排除：由于電位器自身電