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1、温度报警器的设计第 1 页 共 16 页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。它包括选择课程、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等实践内容。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。本课程设计任务要求是完成一个温度报警器的制作，并实现当温度高于30时发出双音报警，温度低于 10时发出单音报警的功能要求。本设计中充分展示了模拟电子技术的优点，利用放大电路、
2、窗口比较器进行温度的判定，再结合数字电子技术的优点，充分利用单元电路的功能来实现报警，将模电、数电紧密结合，综合应用，不但对知识有了更进一步的掌握，提高了动手能力，对于以后的就业打下了一定的基础。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
3、验的程序和实施方法。第三，培养勤于思考的习惯，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
4、成，所以培养团结协作能力尤为重要。在温度报警器电路的课程设计中，不仅得到了指导老师的关心和鼓励，而且得到了许多同学的无私帮助，在此表示衷心的感谢。同时，因设计者水平有限，设计论文中错误在所难免，恳请不吝指教。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 2 页 共 16 页任务书温度报警器的设计与制作一、任务和要求：设计并制作一个温度报警器，要求如下：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内时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即：(1)当温度高于30时，
5、报警器发出两种频率交替的“嘀嘟”声响，即加到蜂鸣器上的电压波形如资料中附录3D；(2)当温度低于10 时，报警器发出单频率声响，如资料中附录3D。3、温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0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、设计框图三、所需仪器设备1、数字万用表一块2、双踪示波器一台3、直流稳压电源一台4、剪刀、镊子各一把5、面包板一块温度模拟信号直流电源放大比较电路音频报警器名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 3 页 共 16 页目录1.设计方案及思路 41.1 设计任务 41.2 设计方案
6、 42.单元电路设计 42.1 直流电源电路的设计 42.2 放大器电路的设计 52.3 窗口比较器电路的设计 5 2.4 温度报警电路的设计 63.电路的仿真 83.1 仿真软件简介 83.2 电路仿真 94.电路的装调和分析 9 4.1 电源的装调 94.2 放大电路和比较电路的装调 9 4.3 报警电路的装调 94.4 整体电路的装调 9 5.实验结果分析 106.总结 117.致谢 11 参考文献 11 附录 12名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 4 页 共 16 页1.设计方案及思路1.1 整体电路构思（1）用压电陶瓷蜂鸣器
7、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：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；温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0为 0mv，温度每上升1，递增2mv；（3）设计并制作本电路所用直流电源。1.2 设计方案根据任务要求，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，
8、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。2.单元电路设计2.1 直流电源的设计直流电源电路设计直流稳压5V,12V,-12V电源的设计稳定直流电源设计的一般思路是让输入交流电压220V（峰值 312V）50Hz 先通过变压器（降压到合适的数值，如16V），再通过整流电路（将正弦波交流电压转换为直流脉动电压，即交直流成分均有），然后经过滤波电路（减小电压的脉动）
9、，最后经过稳压电路（使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻的影响）。采用整流桥实现整流的目的，以 1000uF 的大电解电容作为滤波电路，采用固定式三端集成稳压器 7805、7812 来稳定输出电压。如下图所示，220V（峰值 311V）50Hz 交流电经变压器220:16 输出两组独立的16V 交流电，经整流桥、大电容滤波后分别经过集成稳压块7812 和 7805 作用得到+12V、+5V 的直流输出电压。稳压电源组成框图如图1 所示：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 2.1 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
10、所需的交流电压。多输出放大窗口蜂鸣名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 5 页 共 16 页图 2.2 直流电源电路原理图2.2 放大器电路的设计此电路是同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈。图 2.3 放大器电路原理图2.3 窗口比较器电路的设计名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 6 页 共 16 页图 2.4 窗口比较器电路2.4 温度报警电路的设计根据任务与要求，要有两种不同的报警声音，因此我们设计两种报警电路，单频报警和双频报警电路。音频报警电路的制作可以用555 和
11、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。多谐振荡器是在Vc 大于 Vt-时充电，小于Vt+时放电。图 2.5 555 定时器的电路如上图所示。它由三个阻值为5k 的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和 C2、基本 RS 触发器、放电管V1、与非门和反相器组成。分压器为两个电压比较器C1、C2 提供参考电压。如 5 端悬空，则比较器 C1 的参考电压为2/3Ucc，加在同相端；C2 的参考电压为1/3Ucc,加在反相端。Rd是复位端，当Rd=0 时，基本 RS 触发器被置0，晶体管V1 导通，输出端UO为低电平。正常工作时，Rd=1。设 U11 和 U12
12、分别为 6 端和 2 端的输入电压。当U112/3Ucc,U121/3Ucc时，C1 输出为低电平，C2 输出为高电平，即Rd=0,Sd=1,基本 RS 触发器被置0，晶体管V1 导通，输出端UO为低电平。当 U112/3Ucc，U121/3Ucc时，C1 输出为高电平，C2 输出为低电平,Rd=1,Sd=0,基本RS 触发器被置1，晶体管截止，输出端U0 为高电平。当U112/3Ucc时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。2.4.1 低温报警电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 7 页 共 16 页图 2.6 低温报警电
13、路原理图此电路中4 端口接窗口比较器的D1 稳压输出，4 端口为一个复位端，当D1 为高电平（温度低于10即放大电路输出电压小于2V）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出单频声音报警。充放电时间为=RC 充电时间为T1=(R1+R2)C2(Vcc Vt-)(Vcc Vt+)放电时间为T2=R2 C2(Vcc Vt-)(Vcc Vt+)此振荡电路的振荡周期为T=T1+T2=(R1+2R2)C2(Vcc Vt-)(Vcc Vt+)=(R1+2R2)C2 2 占空比：q=T1/T=(R1+R2)（R1+2R2）图 2.7 高温报警电路原理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 1
14、5 页 -温度报警器的设计第 8 页 共 16 页高温报警采用双频报警，该部分用到了两片555 定时器。U5 的作用是控制高低音的持续时间，高电平持续时间即为电容C 的充电时间，低电平持续时间即为电容C 的放电时间；U6 的作用是将高音与低音转换成合成频率输出。对于 U5 振荡电路的充电时间为：T1=(R3+R4)C2 (Vcc Vt-)(Vcc Vt+)放电时间为：T2=R4 C2(Vcc Vt-)(Vcc Vt+)占空比为：q=T1/T=(R3+R4)/(R3+2R4)当 U5 输出为高电平时对于U6 振荡电路的振荡频率为：设阈值电压为VT1+、VT1-根据 555 的内部电路有：C6 的
15、充电阈值为：CCTVKRKKV5/101051放电阈值为：CCTVKRKKV5/10551充电电路为：根据电路列写UC（t）的表达式：6109)()()0()()(CRRtcccceuuutu充电时间为TH：11ln)(6109TCCTCCVVVVHCRRT放电时间为TL：1161000lnTTLVVCRT则振荡周期TO 为：1161011610900lnln)(TTTCCTCCLHOVVCRVVVVCRRTTT低音频率为：oLTf1当 U5 输出低电平时对于U6 的振荡频率为：设 C6 的阈值为 VT2+、VT2-则CCTVkRkkRV)10/(510/11112CCTVkRkkRV)10/
16、(5210/111122261022610900lnln)(TTTCCTCCLHVVCRVVVVCRRTTT高音振荡频率为：TfH1根据参数、计算公式可得，双频的高低音持续时间以及高低音频率只与和555 外部连接的电容名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 9 页 共 16 页C 和电阻 R 有关，因此我们可以通过改变555 外部电路的电容和电阻的大小来控制多谐振荡电路的振荡周期，从而控制蜂鸣器发出声音的高低和频率。U6 的 4 端接 D2 端稳压输出电压，当D2 为高电平（温度高于300C 即放大电路输出电压大于6V）时，此多谐振荡器工作
17、，蜂鸣器发出“嘀-嘟”的双频声音报警。3.电路的仿真3.1 仿真软件简介本次电路仿真用的是Protues 软件，Protues 软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Protues 软件具有其它EDA 工具软件（例：multisim）的功能。这些功能时：（1）原理布图（2）PCB 自动或人工布线（3）SPICE 电路仿真革命性的特点（1）互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM,ROM,键盘，马达
18、，LED,LCD,AD/DA,部分 SPI 部件，部分IIC 器件。（2）仿真处理器及其外围电路可以仿真51 系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。3.2 电路仿真通过用 Protues 软件进行仿真，将各个模块连接好后进行仿真。仿真结果：当温度低于10时发出单频报警输出波形如下：图 3.1 单频报警输出波形图当温度高于30是发出双频报警输出波形如下：图 3.2 双频报警输出波形4.电路的装调和分析本次课设四人一组，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，单蜂鸣器报警电路以
19、及双蜂鸣器报警电路。大家一起完成了四个模块的电路装调。4.1 电源的装调选用 22V16V 的变压器，一个 LM7912，一个 LM7812，一个 LM7805,1000uF电解电容一个，小电容若干个，接好电源电路。在接电源的过程中遇到了如下问题：用万用表测量从LM7912 输出的电压值没有达到12V。故障排除：经过仔细的检查发现电路接通后LM7912 发热，最后判断该三端稳压器是坏的，不能使用。更换LM7912 后正常。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 10 页 共 16 页4.2 放大电路和比较电路的装调1.发现放大电路的放大倍数
20、较小，不满足需求。解决：改变了滑动变阻器的数值，使放大倍数在50 左右。2.比较器输出端稳压管输出电压高电平太高。解决：经检查发现稳压管不满足电路要求，计算参数更换电容后输出高电平正常。4.3 报警电路的装调单频报警控制电路是由一块NE555 组成，双音频报警控制电路的主要元件是两块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。问题 1：电路连接好后调节温度模拟电位器超出30温度时高温双频不报警。解决：发现555 定时器是坏的，更换后正常报警。问题 2：高温报警发音与所要求的声音不同。解决：由于555 定时器振荡周期和频率有其外部所接的电阻和电容决定，所以通过计算后得到了更
21、合理的参数，更换了电阻与电容后正常。发出的声音即为“嘀-嘟”的报警声。4.4 整体电路的装调通过上面电路的的连接检查整体电路无误后接通电源，然后通过电位器模拟温度变化；1，当温度低于10时发出“嘀嘀”的单频报警：2当温度高于30时发出“嘀嘟”的双频报警总体电路图见附录C 5.实验结果分析表 5.1项目理论值测量值整流桥输出16 V 15.974 V 不带负载的变压器输出16 V 16.607 V 带负载的变压器输出16 V 16.112 V 表 5.2 放大器输入放大器输出窗口输出单频窗口输出双频单频蜂鸣器双频蜂鸣器0.069v 3.546v 0.899v 9.884v 不响响0.046v 2
22、.447v 0.899v 0.899v 不响不响0.015v 0.899v 9.884v 0.899v 响不响表 5.3 项目理论值测量值7812 12v 12.052v 7805 5v 5.081v 相对误差为：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 11 页 共 16 页（12-12.052）/12*100%=0.56%10%在误差范围内；（5.081-5）/5*100%=0.86%，u12时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即=0，=1，基本 RS触发器被置0，晶体管T 导通，输出端u0 为低电平。当 u11，u12 时，C1输
23、出为高电平，C2输出为低电平，=1，=0，基本 RS触发器被置 1，晶体管 T截止，输出端u0 为高电平。当u11时，基本 RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。综上所述，可得555 定时器功能如表所示。输入输出复位u11 u12 输出 u0l 晶体管 T 0 0 导通1 1 导通1 1 截止1 保持保持名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 14 页 共 16 页附录 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 3 6 LM7912 1 7
24、 555 3 8 蜂鸣器2 9 电解电容1 1000F 10 电容1 100F 11 电容1 0.33 F 12 电容1 0.22 F 13 电容3 10F 14 电容2 0.1 F 15 电容1 1nF 16 电阻3 50K17 电阻3 10K18 电阻2 3K19 电位器1 1K20 电位器1 2K21 电位器1 1K22 电源插头1 23 导线若干24 电阻1 100 K25 电阻5 1K名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 15 页 -温度报警器的设计第 15 页 共 16 页附录 C.总体电路图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 15 页 -