模电专业课程设计温度报警器.doc

课程设计汇报书

温度报警器设计

学 院 电子和信息学院
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注

目 录

一、选题背景 …………………………………………………………… 1
二、方案论证(设计理念) …………………………………………… 1
1、设计题目要求 …………………………………………………………… 1
2、总体设计方案 …………………………………………………………… 1
2.1 设计思绪 ………………………………………………………… 1
2.2 设计方案 …………………………………………………………… 1
2.3 方案论证和比较 …………………………………………………… 2
三、单元电路设计
3．1 窗口比较器电路 ……………………………………………… 3
3．2 555多谐振荡器电路 ………………………………………… 3
3．2 三极管基础开关电路 …………………………………………… 4
四、整机电路
4.1 整机电路图 …………………………………………………… 5
4.2 元件清单 ……………………………………………………… 7
五、性能指标测量和分析 ……………………………………… 7
5.1 电路测试 ……………………………………………………………… 7
5.1.1 测试使用仪器 ……………………………………………… 7
5.1.2指标测试步骤、测量数据和分析 ………………………… 7
5.1.3 故障分析及处理 ……………………………………………… 8
六、课程设计总结 ………………………………………… ……… 9
七、参考文件 ……………………………………………………………… 10

温度报警器设计

一、选题背景
设计制作一个测温电路，能够依据环境温度改变产生对应反应。
若外界温度t1，测温装置感所应温度t(t>t1)，加热到t2：
若t1<t<t2，电路以指示灯闪亮，但扬声器不报警；
若t<t1或t>t2，电路指示灯熄灭，同时扬声器报警，警报声频率为1kHz。

二、方案论证(设计理念)
1 设计题目要求
本课题要求设计制作一个测温器，检测并显示环境温度改变。
要实现功效：假设常温为t1、经加热后温度为t2，当测温装置感所应温 度t：t1<t<t2，电路以指示灯闪亮，闪烁频率为0.5Hz，但扬声器不报警；t<t>t2，电路指示灯熄灭，同时扬声器报警，警报声频率为1kHz。
应处理关键问题：为完成上述课题所要求功效，关键在于：
怎样将不一样区间温度转化成我们所需要电压或电流信息，进而经过这些信息实现不一样温度区间功效实现；对扬声器和电路指示灯不一样频率控制。
应达成技术要求：对温度信号正确获取；对扬声器和电路指示灯频率正确控制；各电路模块整体配合。
本课题在于检测环境中温度改变，可正确地利用于环境温度检测。
2．1 设计思绪
使用窗口比较器进行对电压信号筛选，使用555振荡器控制蜂鸣器和指示灯闪烁频率，使用反相器对高低电平进行转换。
2．2提出方案
满足上述设计功效能够实施方案很多，现提出以下多个方案：
2．2．1方案一
① 原理方框图（图1）

图1 方案一原理图

② 原理
经过窗口比较器使电路分为两部分，一部分直接连接555多谐振荡电路，控制蜂鸣器响应，另一部分经过反相器接555和指示灯，使之满足一下条件。
当t1<t<t2时，比较器输出低电平，使用三极管基础开关电路输出高电平，，使振荡器工作，指示灯闪烁；而蜂鸣器所接555RD’端为低电平，不工作。
当t<t1或t>t2时，比较器输出高电平，接入555RD’端，蜂鸣器响；而指示灯所接555RD’端为低电平，指示灯不工作。

2．2．2方案二
① 原理方框图（图2）

图2 方案二原理图

② 原理
先将温度改变转化成电压改变输入555多谐振荡器，在555多谐振荡器输出端使用窗口比较器，对输出信号进行判定，并选择使蜂鸣器工作或指示灯工作。
2．3对各方案进行可行性分析、比较，选出最好方案。
方案一在实施起来能够分步完成每个部分电路，最终再一起进行调试。先使用窗口比较器，能够正确区分电压不一样，并使用两个555多谐振荡器进行频率设定，比较方便。
方案二首先用555多谐振荡器将输入电压转化成频率，不过因为指示灯和蜂鸣器频率要求不一样，在以后电路中难以达成频率要求，将窗口比较器接在多谐振荡器输出部分也比较复杂。
所以，选择方案一进行试验。

三、 单元电路设计
3．1窗口比较器电路
3．1．1 窗口比较器电路及其工作原理或功效说明
窗口比较器含有两个门限电平，能够检测输入模拟信号电平是否处于给定两个门限电平之间。在元件选择和分类，或对生产现场进行监视和控制时，窗口比较器(图3)是很有用。
当输入电压uI>URH时，uI>URL,所以集成运放A1输出uO1=+UOM，A2输出uO2=-UOM。使得二极管D1导通D2截止,稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。
当输入电压uI<URL时,uI<URH,所以集成运放A1输出uO1=-UOM，A2输出uO2=+UOM。使得二极管D2导通D1截止,电流通路图所标注，稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。
URL<uI<URH时,uO1=uO2=-UOM，所以D1和D2均截止,稳压管截止,uO=0。
URH和URL分别为比较器两个阈值电压,设URH和URL均大于零,则传输特征图4所表示。

图3 窗口比较器 图4 传输特征

3．1．2 窗口比较器电路元件选择和计算（元件标号见整机电路）
R(20度)=12.2kΩ
R(70度)=2.0kΩ
取R1=8.2kΩ，可得R6：R7：R8=3:1:2。
所以取R6=3kΩ，R7=1.1kΩ，R8=2kΩ。
3．2 多谐振荡器电路
3．2．1多谐振荡器电路及其工作原理或功效说明
由555定时器组成多谐振荡器图5所表示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2连接处。
因为接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端和低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH长短和电容充电时间相关 。
充电时间常数T充=（R1＋R2）C。
因为放电管VT导通，电容C经过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL长短和电 容放电时间相关，放电时间常数T放＝R2C0伴随C放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。 为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。
不难了解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间往返翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间改变。x图6所表示为工作波形。

图5 555多谐振荡器 图6 振荡器波形

3．2．2 多谐振荡器电路元件选择和计算（元件标号见整机电路）
T=C（R1+2R2）ln2；f=1/T.
蜂鸣器：
f1=1kHz；T1=1ms
所以C1（R11+2R12）=1.44e-3，
取C1=10nF，R11=R12=47kΩ。
指示灯：
F2=0.5Hz；T2=2s
所以C3（R15+2R16）=2.88，
取C3=10uF，R15=R16=100kΩ。
3．3 三极管基础开关电路
3．3．1三极管基础开关电路及其工作原理或功效说明
负载电阻被直接跨接于三极管集电极和电源之间，而位居三极管主电流回路上，输入电压则控制三极管开关开启和闭合动作，当输入电压大于开启电压时，三极管呈开启状态时，有基极电流流动，使集电极流过更大放大电流，所以负载回路便被导通，而相当于开关闭合，此时三极管乃工作于饱和区，集电极电压靠近0；当输入电压为低电压时，三极管呈闭合状态，因为基极没有电流，所以集电极亦无电流，致使连接于集电极端负载亦没有电流，而相当于开关开启，此时三极管乃工作于截止，集电极电压靠近电源电压。

图7 三极管基础开关电路

3．3．2 三极管基础开关电路元件选择和计算 （元件标号见整机电路）
在输入高电平时候，三极管导通，为了使输出为低电平，应该使压降足够大，所以R4要足够大，我选择R4=62kΩ。
为了预防R3分压太大，影响高电平，所以R3应该选择较小电阻，我选择R3=1kΩ。

四、整机电路
4.1 整机电路图

图8 整机电路图

4.2 元件清单
R1=8.2kΩ C1=10nF
R2=mf58热敏电阻 C2=100nF
R3=1kΩ C3=10uF
R4=62kΩ C4=100nF
R6=3kΩ D1二极管
R7=1.1kΩ D3 5.1V稳压管
R8=2kΩ D4 3V稳压管
R10=1kΩ D5二极管
R11=47kΩ D6 5.1V稳压管
R12=47kΩ
R15=100kΩ
R16=100kΩ
R18=1kΩ
另外，还有Lm324 1个,三极管9014 1个，555 2个，蜂鸣器1个，绿色发光二极管1个，和8V电源。

五、性能指标测量和分析
对研究过程中所取得关键数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。
5.1 电路测试
5.1.1 测试使用仪器
直流电压源，示波器，万用表。
5.1.2指标测试步骤、测量数据和分析
热敏电阻
降温
常温
加热
比较器输出
7.9V
0.011V
7.5V
集电极电压
0.019V
7.9V
0.022V
蜂鸣器
响
不响
响
指示灯
不闪烁
闪烁
不闪烁
频率
1.1khz
0.54hz
1.1khz
表1

结果分析：正常温度下，窗口比较器输出低电平，经过反相器以后变成高电平，灯
光闪烁模块开启；当温度不在指定温度范围内时，比较器输出高电平，此时灯光闪烁模块停止运行，音频报警模块开启，蜂鸣器工作。
指示灯工作波形仿真（图9）

图9 指示灯波形仿真
分析：工作频率0.54Hz，工作周期1.85s。

蜂鸣器工作波形仿真（图10）

图10 蜂鸣器波形仿真
分析：工作频率1.1kHz，工作周期0.909ms。

5.1.3 故障分析及处理
在调试时发觉窗口比较器输出高电平时，指示灯和蜂鸣器全部在工作，用万用表测量，发觉反相器输出电压有0.3V，使555多谐振荡器工作了，为了让反相器输出电压靠近0，增大集电极电阻阻值，最终使用了62kΩ电阻，使输出靠近0。
发光二极管直接接多谐振荡器输出，发觉会烧坏二极管，所以查找了资料，绿色LED工作电压为3V左右，所以选择3V稳压二极管和1k电阻串联，并将指示灯并联在稳压二极管两端。

三、 课程设计总结
这次课程设计，让我扎实了自己数字电子技术和模拟电子技术知识。因为是第一次做这种课程设计，在开始看到题目标时候完全不知道从哪里入手，没有任何思绪，于是去网上找到了部分温度报警器原理图，还有部分温度报警器电路设计思绪及方法。然后，我自己便有了部分对本电路设计方案，再结合上学期学习模电和数电课程，对于我想要达成要求，参考书本找到了对应电路。再分别对应不一样要求，比如频率要求，温度要求，来计算参数，最终将不一样分工电路连接在一起，在multisim上优异行了仿真，也让我愈加熟悉了这个软件使用。即使电路图设计好了，不过在面包板上做时候也出现了不少困难，首先，元件并不是完全根据要求，所以测试时候有很大误差，为了达成要求，不得不更换元件，所以最终使用元件和计算值有部分不一样。而试验时小错误常常会被放大，时试验结果不正确，也让我知道了做每一步全部要仔细和严谨。拼接电路也不是很顺畅，因为平时没有用过，做起来并不能得心应手，这次试验也提升了我动手和实践能力。

参考文件

[1] 清华大学电子学教研组编. 阎石主编. 数字电子技术基础(第5版). 北京：高等教育出版社，1983.4.1.
[2] 清华大学电子学教研组编. 童诗白、华成英主编. 模拟电子技术基础(第4版). 北京：高等教育出版社，1980.9.1.
［3］ 模拟电子技术试验，华南理工大学电气信息及控制试验教学中心，.9.