模電課程設(shè)計(jì) 溫報(bào)警器

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 電子與信息學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 課程編號(hào) 課程學(xué)分 起始日期 教師評(píng)語(yǔ)教師簽名：日期：成績(jī)?cè)u(píng)定備注 目 錄一、選題背景 1二、方案論證(設(shè)計(jì)理念) 11、設(shè)計(jì)題目要求 12、總體設(shè)計(jì)方案 12.1 設(shè)計(jì)思路 12.2 設(shè)計(jì)方案 12.3 方案論證與比較 2三、單元電路設(shè)計(jì) 31 窗口比較器電路 3 32 555多諧振蕩器電路 3 32 三極管基本開關(guān)電路 4四、整機(jī)電路 4.1 整機(jī)電路圖 5 4.2 元件清單 7 五、性能指標(biāo)的測(cè)量與分析 7 5.1 電路測(cè)試 7 5.1.1 測(cè)試使用的儀器 7 5.1.2指標(biāo)測(cè)試步驟、測(cè)量數(shù)

2、據(jù)與分析 7 5.1.3 故障分析及處理 8 六、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 9七、參考文獻(xiàn) 10溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)一、選題背景設(shè)計(jì)制作一個(gè)測(cè)溫電路，能夠根據(jù)環(huán)境溫度的變化產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。若外界溫度t1，測(cè)溫裝置感所應(yīng)的溫度t(t>t1)，加熱到t2：若t1<t<t2，電路以指示燈閃亮，但揚(yáng)聲器不報(bào)警；若t<t1或者t>t2，電路指示燈熄滅，同時(shí)揚(yáng)聲器報(bào)警，警報(bào)聲頻率為1kHz。二、方案論證(設(shè)計(jì)理念) 1 設(shè)計(jì)題目要求本課題要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)測(cè)溫器，檢測(cè)并顯示環(huán)境溫度的變化。 要實(shí)現(xiàn)的功能：假設(shè)常溫為t1、經(jīng)加熱后的溫度為t2，當(dāng)測(cè)溫裝置感所應(yīng)的溫 度t：t1<t<t

3、2，電路以指示燈閃亮，閃爍頻率為0.5Hz，但揚(yáng)聲器不報(bào)警；t<t>t2，電路指示燈熄滅，同時(shí)揚(yáng)聲器報(bào)警，警報(bào)聲頻率為1kHz。 應(yīng)解決的主要問(wèn)題：為完成上述課題所要求的功能，重點(diǎn)在于： 如何將不同區(qū)間的溫度轉(zhuǎn)化成我們所需要的電壓或電流信息，進(jìn)而通過(guò)這些信息實(shí)現(xiàn)不同溫度區(qū)間的功能的實(shí)現(xiàn)；對(duì)揚(yáng)聲器和電路指示燈不同頻率的控制。 應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求：對(duì)溫度信號(hào)的準(zhǔn)確獲?。粚?duì)揚(yáng)聲器和電路指示燈的頻率的準(zhǔn)確控制；各電路模塊的整體配合。本課題在于檢測(cè)環(huán)境中的溫度變化，可準(zhǔn)確地運(yùn)用于環(huán)境溫度的檢測(cè)。21 設(shè)計(jì)思路使用窗口比較器進(jìn)行對(duì)電壓信號(hào)的篩選，使用555振蕩器控制蜂鳴器和指示燈的閃爍頻率，使用

4、反相器對(duì)高低電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。22提出方案滿足上述設(shè)計(jì)功能可以實(shí)施的方案很多，現(xiàn)提出以下幾種方案： 221方案一 原理方框圖（圖1） 圖1 方案一原理圖 原理通過(guò)窗口比較器使電路分為兩部分，一部分直接連接555多諧振蕩電路，控制蜂鳴器響應(yīng)，另一部分通過(guò)反相器接555以及指示燈，使之滿足一下條件。當(dāng)t1<t<t2時(shí)，比較器輸出低電平，使用三極管的基本開關(guān)電路輸出高電平，使振蕩器工作，指示燈閃爍；而蜂鳴器所接555的RD端為低電平，不工作。當(dāng)t<t1或者t>t2時(shí)，比較器輸出高電平，接入555的RD端，蜂鳴器響；而指示燈所接555的RD端為低電平，指示燈不工作。222方案二 原

5、理方框圖（圖2） 圖2 方案二原理圖 原理 先將溫度變化轉(zhuǎn)化成的電壓變化輸入555多諧振蕩器，在555多諧振蕩器的輸出端使用窗口比較器，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行判斷，并選擇使蜂鳴器工作或者指示燈工作。23對(duì)各方案進(jìn)行可行性分析、比較，選出最佳方案。方案一在實(shí)行起來(lái)可以分步完成每個(gè)部分的電路，最后再一起進(jìn)行調(diào)試。先使用窗口比較器，可以準(zhǔn)確區(qū)分電壓的不同，并使用兩個(gè)555多諧振蕩器進(jìn)行頻率的設(shè)定，比較方便。方案二首先用555多諧振蕩器將輸入電壓轉(zhuǎn)化成頻率，但是由于指示燈和蜂鳴器的頻率要求不同，在之后的電路中難以達(dá)到頻率要求，將窗口比較器接在多諧振蕩器的輸出部分也比較復(fù)雜。因此，選擇方案一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。三、 單元

6、電路設(shè)計(jì) 31窗口比較器電路311 窗口比較器電路及其工作原理或功能說(shuō)明窗口比較器具有兩個(gè)門限電平，可以檢測(cè)輸入模擬信號(hào)的電平是否處在給定的兩個(gè)門限電平之間。在元件選擇與分類，或?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視與控制時(shí)，窗口比較器(圖3)是很有用的。 當(dāng)輸入電壓uI>URH時(shí)，uI>URL,所以集成運(yùn)放A1的輸出uO1=+UOM，A2的輸出uO2=-UOM。使得二極管D1導(dǎo)通D2截止,穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓uO=+UZ。 當(dāng)輸入電壓uI<URL時(shí),uI<URH,所以集成運(yùn)放A1的輸出uO1=-UOM，A2的輸出uO2=+UOM。使得二極管D2導(dǎo)通D1截止,電流通路如圖所標(biāo)

7、注，穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓uO=+UZ。 URL<uI<URH時(shí),uO1=uO2=-UOM，所以D1和D2均截止,穩(wěn)壓管截止,uO=0。URH和URL分別為比較器的兩個(gè)閾值電壓,設(shè)URH和URL均大于零,則傳輸特性如圖4所示。 圖3 窗口比較器 圖4 傳輸特性312 窗口比較器電路元件的選取與計(jì)算（元件標(biāo)號(hào)見整機(jī)電路）R(20度)=12.2kR(70度)=2.0k取R1=8.2k，可得R6：R7：R8=3:1:2。因此取R6=3k，R7=1.1k，R8=2k。32 多諧振蕩器電路321多諧振蕩器電路及其工作原理或功能說(shuō)明由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖5所示，R1，R

8、2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。 由于接通電源瞬間，電容C來(lái)不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對(duì)電容C充電，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間TPH的長(zhǎng)短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)T充=（R1R2）C。 由

9、于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過(guò)電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時(shí)間TPL的長(zhǎng)短與電 容的放電時(shí)間有關(guān)，放電時(shí)間常數(shù)T放R2C0隨著C的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到（1/3）Vcc時(shí)，輸出uo。 為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對(duì)電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。x圖6所示為工作波形。 圖5 555多諧振蕩器 圖6 振蕩器波形322 多諧振蕩器電路元件的選取與計(jì)算（元件標(biāo)號(hào)見整機(jī)電路）T=C（R1+2R2）ln2；f=1/T.蜂鳴器：f1=

10、1kHz；T1=1ms所以C1（R11+2R12）=1.44e-3，取C1=10nF，R11=R12=47k。指示燈：F2=0.5Hz；T2=2s所以C3（R15+2R16）=2.88，取C3=10uF，R15=R16=100k。33 三極管基本開關(guān)電路331三極管基本開關(guān)電路及其工作原理或功能說(shuō)明負(fù)載電阻被直接跨接于三極管的集電極與電源之間，而位居三極管主電流的回路上，輸入電壓則控制三極管開關(guān)的開啟與閉合動(dòng)作，當(dāng)輸入電壓大于開啟電壓時(shí)，三極管呈開啟狀態(tài)時(shí)，有基極電流流動(dòng)，使集電極流過(guò)更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開關(guān)的閉合，此時(shí)三極管乃工作于飽和區(qū)，集電極電壓接近0；當(dāng)輸入電

11、壓為低電壓時(shí)，三極管呈閉合狀態(tài)，由于基極沒(méi)有電流，因此集電極亦無(wú)電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒(méi)有電流，而相當(dāng)于開關(guān)的開啟，此時(shí)三極管乃工作于截止，集電極電壓接近電源電壓。 圖7 三極管基本開關(guān)電路332 三極管基本開關(guān)電路元件的選取與計(jì)算 （元件標(biāo)號(hào)見整機(jī)電路） 在輸入高電平的時(shí)候，三極管導(dǎo)通，為了使輸出為低電平，應(yīng)該使壓降足夠大，因此R4要足夠大，我選取R4=62k。 為了防止R3分壓太大，影響高電平，因此R3應(yīng)該選取較小的電阻，我選取R3=1k。四、整機(jī)電路 4.1 整機(jī)電路圖 圖8 整機(jī)電路圖4.2 元件清單 R1=8.2k C1=10nFR2=mf58熱敏電阻 C2=100nFR3

12、=1k C3=10uFR4=62k C4=100nFR6=3k D1二極管R7=1.1k D3 5.1V穩(wěn)壓管R8=2k D4 3V穩(wěn)壓管R10=1k D5二極管R11=47k D6 5.1V穩(wěn)壓管R12=47kR15=100kR16=100kR18=1k 此外，還有Lm324 1個(gè),三極管9014 1個(gè)，555 2個(gè)，蜂鳴器1個(gè)，綠色發(fā)光二極管1個(gè)，以及8V電源。五、性能指標(biāo)的測(cè)量與分析 對(duì)研究過(guò)程中所獲得的主要的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象進(jìn)行定性或定量分析，得出結(jié)論和推論。5.1 電路測(cè)試 5.1.1 測(cè)試使用的儀器直流電壓源，示波器，萬(wàn)用表。5.1.2指標(biāo)測(cè)試步驟、測(cè)量數(shù)據(jù)與分析 熱敏電阻降溫常溫加熱比

13、較器輸出7.9V0.011V7.5V集電極電壓0.019V7.9V0.022V蜂鳴器響不響響指示燈不閃爍閃爍不閃爍頻率1.1khz0.54hz1.1khz 表1結(jié)果分析：正常溫度下，窗口比較器輸出低電平，經(jīng)過(guò)反相器之后變成高電平，燈光閃爍模塊啟動(dòng)；當(dāng)溫度不在指定溫度范圍內(nèi)時(shí)，比較器輸出高電平，此時(shí)燈光閃爍模塊停止運(yùn)行，音頻報(bào)警模塊啟動(dòng)，蜂鳴器工作。指示燈工作波形仿真（圖9） 圖9 指示燈波形仿真分析：工作頻率0.54Hz，工作周期1.85s。蜂鳴器工作波形仿真（圖10） 圖10 蜂鳴器波形仿真分析：工作頻率1.1kHz，工作周期0.909ms。5.1.3 故障分析及處理 在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)窗口比較器

14、輸出高電平時(shí)，指示燈和蜂鳴器都在工作，用萬(wàn)用表測(cè)量，發(fā)現(xiàn)反相器的輸出電壓有0.3V，使555多諧振蕩器工作了，為了讓反相器輸出電壓接近0，增大集電極電阻的阻值，最終使用了62k的電阻，使輸出接近0。發(fā)光二極管直接接多諧振蕩器的輸出，發(fā)現(xiàn)會(huì)燒壞二極管，因此查找了資料，綠色LED的工作電壓為3V左右，所以選擇3V的穩(wěn)壓二極管與1k的電阻串聯(lián)，并將指示燈并聯(lián)在穩(wěn)壓二極管兩端。 3、 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 這次的課程設(shè)計(jì)，讓我扎實(shí)了自己的數(shù)字電子技術(shù)與模擬電子技術(shù)的知識(shí)。由于是第一次做這種課程設(shè)計(jì)，在開始看到題目的時(shí)候完全不知道從哪里入手，沒(méi)有任何思緒，于是去網(wǎng)上找到了一些溫度報(bào)警器的原理圖，還有一些溫度報(bào)警器電路的設(shè)計(jì)思路及方法。然后，我自己便有了一些對(duì)本電路的設(shè)計(jì)方案，再結(jié)合上學(xué)期學(xué)習(xí)的模電與數(shù)電課程，對(duì)于我想要達(dá)到的要求，參考課本找到了相應(yīng)的電路。再分別對(duì)應(yīng)不同的要求，比如頻率要求，溫度要求，來(lái)計(jì)算參數(shù)，最后將不同分工的電路連接在一起，在multisim上先進(jìn)行了仿真，也讓我更加熟悉了這個(gè)軟件的使用。雖然電路圖設(shè)計(jì)好了，但是在面包板上做的時(shí)候也出現(xiàn)了不少困難，首先，元件并不是完全按照要求的，因此測(cè)試的時(shí)候有很大的誤差，為了達(dá)到要求，不得不更換元件，因此最后使用的元件與計(jì)算的值有部分不同。而實(shí)驗(yàn)時(shí)小的錯(cuò)誤經(jīng)常會(huì)被放大，時(shí)