温度报警器的设计与制作.doc

个人收集整理 勿做商业用途

电子技术综合课程 设 计

课 程： 电子技术综合课程设计
题 目： 温度报警器的设计与制作

所属院(系） 电信工程系 专业班级 电子103班
姓 名 马燕 学 号： 1013014074
指导老师 帅春江
完成地点 电工电子实验中心
2012年 09 月 14 日

任务书
温度报警器的设计与制作
一、任务和要求:
1、用压电陶瓷蜂鸣器作为电声元件;
2、当温度在10℃至30℃范围内(允许误差±1℃）时报警器不发声响，当温度超过这个范围时,报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即：
（1）当温度高与30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀—嘟”声响。
（2）当温度低于10℃时，报警器发出单频率声响。
3、 温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0设计并制作一个温度报警器，要求如下：℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv；
4、设计并制作本电路所用直流电源.
二、设计框图
放大电路
直流稳压电路
比较电路
报警电路

三、所需仪器设备
1、模拟电子试验箱 一台
2、数字万用表 一块
3、双踪示波器 一台
4、直流稳压电源 一台
5、剪刀、镊子 各一把
6、面包板 两块

目录
前言 4
一、设计方案论证 5
1.设计思路 5
2．设计原理 5
3．设计框图 5
4．方案选取 5
二、电路的组成 7
1．多输出电源电路 7
2．放大器电路 8
3．窗口比较器电路 9
4．报警电路 9
三、软件仿真与硬件装调 11
1．电路仿真 11
2。 电路的安装与调试 12
四、综合电路 13
1．实验数据： 13
五、心得和体会 14
附录A 元器件管脚图及简介 15
附录B 元器件清单 17
附录C 总体电路图 18
附录D 实物图 19

前言
电子技术综合课程设计是集电路分析、模拟电子技术、数字电子技术以及电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验等课程之后的一门理论与实践相结合的综合设计性课程。
它的开展是为了提高和增强我们学生对电子技术知识的综合分析与应用能力。这对于提高我们学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要,是电子技术人才培养成长的必由之路.
本次课程设计加深了我们对所学理论知识的理解，并能将其熟练应用，做到理论与实际相结合.而用实际器件搭建电路,培养我们学生分析问题、解决问题的实践能力。我相信，我会在本次课程设计中受益匪浅,为将来的学习，毕业设计以及工作打下坚实的基础。
通过课程设计实现以下三个目标：
第一，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。即学生根据设计要求和性能参数,查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标。
第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法,了解科学实验的程序和实施方法。
第三，培养勤于思考的习惯，同时通过设计并制作电子产类品，增强学生这方面的自信心及兴趣.
本课程设计以电工电子技术的基本理论为基础，着重掌握电路的设计装调及性能参数的调试方法。本课程设计应达到如下基本要求：
（1） 综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个实际应用电路的设计。
（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。
（3）熟悉常用电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。
(4)掌握电子电路的安装和调试技能.
(5）熟悉使用各类数字式电子仪器的规范使用方法。
（6)学会撰写课程设计论文。
(7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
（8）由于本次试验是分组完成，所以培养团结协作能力尤为重要。

一、设计方案论证
1.设计思路
本次温度报警电路的设计我们用压电陶瓷蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过电压的变化来模拟温度的高低，以0℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv；由于变化的电压值较小,所以我们采用放大电路对其进行放大100倍，理论是100 倍，但是实际调试中确是97倍,然后通过后级比较电路对电压进行比较,当温度在10℃至30℃范围内（允许误差±1℃)即电压在20mv至60mv时报警器不发声响,当温度超过这个范围时，即当接收到的输入电压（前级放大器的输出)小于2V（10℃时放大器输出为2V）或者大于6V时（30℃时放大器输出为6V)，输出高电平以驱动后级的发生报警电路报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低,即当温度高与30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀-嘟”声响；当温度低于10℃时，报警器发出单频率声响；
电路所需直流电源由5v和12v的直流电压提供.

2．设计原理
根据任务要求，所设计电路分为四个模块：多输出电源、放大器、窗口比较器和蜂鸣器.其中放大器的设计，既可以采用三极管放大，也可以采用集成运放放大，考虑到电路检测的方便，采用集成运放设计放大电路.对于比较器的选择还是比较定向的，因为书上学过的比较器，例如单限比较器、滞回比较器等，都不能实现我们要控制一段连续区域的要求，所以我们就选择了窗口比较器,可以模拟实现高温低温。蜂鸣器有单双频之分，亦有两种设计方法：三级管构建单双频电路或555构建单双频电路，为使电路简单易检测，决定采用555构建单双频电路。
3．设计框图
温度模拟信号
直流电源
放大比较电路
音频报警器

4． 方案选取
方案一电路图

方案二电路图

经过小组讨论，为使电路简单易检测,我们决定采用555构建单双频电路。故选择方案一作为仿真电路图.
二、电路的组成
1．多输出电源电路
直流稳压5V，12V,—12V电源的设计
（1) 电源变压器
通常根据变压器副边输出的功率P2来选购变压器。由Vi=1。1—1.2V2可得到变压器副边的输出电压U2与稳压器输入电压Ui的关系为U2，在此范围内，U2越大,稳压器的压差越大，功耗也就越大，一般取副边电压:U2
副边输出电流： I2>Iomax
(2)整流二极管
整流二极管VD2的反向击穿电压Urm应满足：Um>U2
其额定工作电流应满足:If〉Iomax
（3) 滤波电容
滤波电容C的容量可由下式计算：C=
其中，△Ui—稳压器输入端纹波电压的峰峰值
t-电容C放电时间，t= =0。01s
Ic-电容C放电电流，可取Ic=Iomax
滤波电容的耐压值应大于U2。
（4)集成稳压器
集成稳压器的输出电压Uo应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相通.稳压器的最大允许电流Icm〈Iomax,稳压器的输入电压Ui的范围为
Uomax+（Ui—Uo）min≤Ui≤Uomin+(Ui—Uo）max
式中,Uomax—最大输出电压;
Uomin—最小输出电压；
（Ui-Uo)min-稳压器的最小输入输出压差
（Ui—Uo）max—稳压器的最大输入输出压差。
可调式三端集成稳压器输出电压Uo满足：
Uo=1.25（1+)
（5) 系统设计
稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。方案1。我们可以采用以桥式整理电路实现整流的目的,以大电容作为滤波电路，然后接负载。但是这样做有以下不足之处，如负载的影响很大，电压不可调以及没有保护电路等一下列问题。我们采用某些芯片,可以解决以上的问题。方案2.以全波整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路7805和7905设计制作连续可调的双极型直流稳压电源.如下图所示，220V（幅值311V)50Hz市电经变压器220:25输出两组独立的25V交流，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7805C与LM7905C作用得到±5V的直流输出。
稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，如图1所示

图1 直流电源系统方框图
电源变压器：将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。

图2.1多输出电源电路图：
2．放大器电路
按照任务书要求，温度在10℃和30℃时是报警的临界温度点,且要求0℃时对应电压为0V，温度每升高1℃电压上升2mV，所以10℃对应电压为20 mV，30℃对应电压为60 mV,由于mV级别的电压无法驱动后续电路正常工作，所以对其进行放大到V级别,因为此电路为电子电路，采用同相放大电路，放大100倍即可。具体计算：；所以放大倍数 ；因为R=1 K,所以R=99 K 。

图2。2放大器电路图：

3．窗口比较器电路
按照任务书要求,温度分别在10℃以下报警，在30℃以上报警，即:放大电路输出的电压为0V～2V之间报警,2V～6V之间不报警，6V以上报警。所以以此设定比较电路有两个阀值电压,故选用窗口比较器，并以此设定两个阀值电压分别为2V和6V.利用电阻分压产生2V和6V电压，即：选择2K、4K、6K电阻依次串联接12V电源及地。

图2.3窗口比较器电路图：
4．报警电路
根据任务与要求,要有两种不同的报警声音，因此我们设计两种报警电路，单频报警电路和双频报警电路。
音频报警电路的制作可以用NE555和电阻、电容组成，我们选用555集成定时器来制作多谐振荡器从而做出音频电路。
①由占空比Q来确定所需电阻大小： ，本电路中设定Q=0.5,进而求得R =10 K，R=100 K ,近似满足要求。
②由报警周期确定所需电容大小: ，本电路中设定T=0。1s ，进而求得C=6.8F ,实际电路中采用了10F电容器，近似满足要求。
③由蜂鸣器报警周期推出其频率大小：f= 。

图2。4单频蜂鸣器报警电路图：

单频报警电路工作原理：555定时器和电阻R14、R1及电容C10构成低频振荡器，音频振荡器，当控制端R为低电平时，低频振荡器不振荡，它的输出端Q为低电平，蜂鸣器不发出声音。
当控制端R为高电平时，低频振荡器产生矩形波周期为秒数量级，这个矩形波的占空比q可通过调节R1、R14来实现，音频振荡器产生方波，使蜂鸣器发出声音。

图2。5双频蜂鸣器报警电路图：

双频报警电路工作原理：两种频率交替的音响电路用555集成定时器组成，图中的555（A2）组成低频振荡电路,555（A3)组成音频振荡器，由于前者的输出（管脚3）经过电阻接到后者的控制输入端（管脚5），因此当前者的输出为高低电平时，后者可输出两种不同频率的方波，而且555定时器的输出最大电流可达200mA，所以可直接驱动蜂鸣器，当然,只有当控制端R为高电平或悬空时，蜂鸣器才发出“滴～嘟”， “滴～嘟”的声音，当R为低电平时,555（Ⅱ）定时器处于复位状态，蜂鸣器不会发出声音.
三、软件仿真与硬件装调
1． 电路仿真
1。1电路仿真图

图3。1 电路仿真图
1.2波形显示
当温度低于10℃时发出单频报警输出波形如下:

图3.2
当温度高于10℃，低于30℃时的波形:

图3。3
当温度高于30℃时发出双频报警输出波形如下：

图3.4
2。 电路的安装与调试
2.1装调的步骤与方法
本次课设四人一组,各尽其能，我们分了四个模块，有直流电源电路，放大电路，窗口比较器电路,单蜂鸣报警电路以及双蜂鸣报警电路。我们先做了电源，经过安装调试后，接好了电源,用万用表测量从LM7812输出的电压值约为12V,从LM7805输出的电压值约为5V,这样直流电源就完成了,然后是放大电路，选用的是LM324,两个1k的电阻和两个50K的电阻，还有一个100k的滑动变阻器，最终组成了放大电路，经万用表的测量，放大倍数约为100。接下来完成的是窗口比较电路，窗口比较电路是由LM324组成的电路,然后就是单蜂鸣报警电路,控制电路是由一块NE555组成,最后就是双蜂鸣报警电路,控制电路的主要元器件是两块NE555。将以上模块连接在一起就构成了所要求功能的温度报警电路。
2.2、出现故障及处理
（1）在放大电路时，按照图纸连接好电路图后，调试时发现放大的倍数很小与理论值差距很大，虽然查资料知道LM324的正常工作电压为5v～16v，我们提供的5v电压虽然能正常工作但实际会影响其放大倍数，最后提供12v电压后,放大倍数接近100。
(2）在接单蜂鸣报警电路时和双蜂鸣报警电路时，发现蜂鸣器发出的声音不符合要求，因此我反复更换555连接的电容大小，经过反复测试最终找到了符合要求的电容， 蜂鸣器声音正常。
四、综合电路
1．实验数据测量及误差分析：

+12V电源输出电压测量
W7812输入电压
W7812输出电压
理论输出电压
误差

16。70v
11。965v
12v
0。375％

+5V电源输出电压测量
W7805输入电压
W7805输出电压
理论输出电压
误差

11.965v
5。013v
5v
0.26%

放大电路放大倍数验证测量
输入电压
输出电压
放大倍数
理论放大倍数
误差
18。50mv
1.652v
89.3
100
10.7％
窗口比较电路阀值电压测量

测量电压
理论电压
误差

上限阀值电压
5.964v
5。96v
0。067％

下限阀值电压
1.975v
1。96v
0。255%

单频报警器电路测量
临界报警电压
临界报警电压理论值
误差

1.889mv
0.02v
5％

蜂鸣器驱动电压

22。00mv

双频报警器电路测量
临界报警电压
临界报警电压理论值
误差

0.057v
0。06v
0。26％

五、心得和体会
电子技术综合课程设计是基于数模电的课程设计，是学习电子技术的一个重要环节。本次课程设计棋的流程大体为：课程设计动员大会、指导老师分配小组课设任务、各小组进行审题分析并设计电路，指导老师审图通过后领取元器件、试验测试调试、指导老师检验实验结果。
这次课设是让我们理论联系实际，让单纯的理论知识不再是理论,这次我们组主要是设计温度报警器，当大家从电路设计到实物连接和测试的整个过程完成后，成就感顿时而生，自己几年的知识终于发挥了作用，希望以后可以多有这样的机会.在设计过程中，我们也遇到很多困难，实物图连好后，没有出现预期的实验现象，一直没有查找出问题所在，然后通过与其他同学的交流,将问题解决。另外这次课程设计我们组成员分模块设计到协作完成,使我们懂得团结协作的重要性,一个人的一丁点错误都会导致整个进程无法顺利完成。虽然我们最后将温度报警器设计出来,但自己真正设计的东西比较少，没有多少的新意，充分觉得自己对知识的理解不够充分，在以后的学习中要多思多考多运用,将知识灵活运用,这样才算真正掌握吧.在设计的过程中我们用了自己的理论知识去分析和计算电路图,虽然将所学的知识运用到现实当中去了，但是我们从这次课设中总结的结论是，理论永远是理论知识，而实际往往和理论的有些偏差，因为我们不可能把实际当中的任何情况都能考虑进去,只有通过不断地去调试，理论与实际结合才能把系统顺利完成。通过这次课程设计过程，懂得我们做任何事情要有耐心和毅力，否则真的会事半功倍。我学的这个专业对动手操作能力要求比较高，这次课设让我在这反面的能力得到很大的提升,相比那些平时爱去实验室的男生真正感觉到了差距，在这方面我得好好努力.文档为个人收集整理,来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络
参考文献
《数字电子技术基础》高等教育出版社，第五版，2007.8.4
《模拟电子技术基础》高等教育出版社,第四版,2007.4.3

附录A 元器件管脚图及简介
1。 LM324管脚图
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列,它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用上图左所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-"为两个信号输入端，“V+”、“V—”为正、负电源端，“Vo”为输出端.两个信号输入端中，Vi-(-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见下图。

图6。1 LM324管脚图

2. 555定时器管脚图
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4。5V～16V 工作，7555 可在 3～18V 工作,输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。
555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级.它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3
555 定时器的功能主要由两个比较器决定.两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 A1 的反相输入端的电压为 2VCC /3,A2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 A2 的输出为 1，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 A1 的输出为 1，A2 的输出为 0，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。
CB555管脚图

图6。2 555管脚图

1-—地 GND ，2--触发, 3-—输出，4——复位， 5——控制电压,6—-门限（阈值） ，7——放电 ,8--电源电压Vcc。
3. LM7805、LM7812、LM7912管脚图
将正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右三却分别是123脚。
它们的1、2脚是电压输入端,1接电源正，2接地。
它们的2、3脚为电压输出端，3接电源输出，2接地。
LM7912，输入端接12-14VDC即可，输出的是-12VDC
LM7812输入端接12-14VDC，输出的是12VDC
LM7805输入端接6VDC，输出的是5VDC.

图6。3 LM7805管脚图

图6。4 7812和7912管脚图
附录B 元器件清单

序号
名称
数量
备注
1
变压器
1
220v——16v
2
桥式电路
1

3
LM7812
1

4
LM7805
1

5
LM324
1

6
NE555
3

7
蜂鸣器
2

8
电解电容
1
1000μF
9
电容
5
0。22μF
10
电容
2
10μF
11
电容
3
0.01μF
12
电阻
4
100KΩ
13
电阻
6
10KΩ
14
电阻
1
1KΩ
15
电位器
3
10KΩ
16
电源插头
1

17
导线
若干

18
面包板
1

19
万用表
1

20
电源插线
1

附录C 总体电路图

附录D 实物图

20