模电课程设计温度报警器文档格式.docx
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成
绩
定
备
注
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设计思路…………………………………………………………1
2.2设计方案……………………………………………………………1
2.3方案论证与比较……………………………………………………2
三、单元电路设计
3.1窗口比较器电路………………………………………………3
3.2555多谐振荡器电路…………………………………………3
3.2三极管基本开关电路……………………………………………4
四、整机电路
4.1整机电路图……………………………………………………5
4.2元件清单………………………………………………………7
五、性能指标的测量与分析………………………………………7
5.1电路测试………………………………………………………………7
5.1.1测试使用的仪器………………………………………………7
5.1.2指标测试步骤、测量数据与分析…………………………7
5.1.3故障分析及处理………………………………………………8
六、课程设计总结…………………………………………………9
七、参考文献………………………………………………………………10
一、选题背景
设计制作一个测温电路,能够根据环境温度的变化产生相应的反应。
若外界温度t1,测温装置感所应的温度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或者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的变化。
要实现的功能:
假设常温为t1、经加热后的温度为t2,当测温装置感所应的温度t:
t1<
t2,电路以指示灯闪亮,闪烁频率为0.5Hz,但扬声器不报警;
t>
应解决的主要问题:
为完成上述课题所要求的功能,重点在于:
如何将不同区间的温度转化成我们所需要的电压或电流信息,进而通过这些信息实现不同温度区间的功能的实现;
对扬声器和电路指示灯不同频率的控制。
应达到的技术要求:
对温度信号的准确获取;
对扬声器和电路指示灯的频率的准确控制;
各电路模块的整体配合。
本课题在于检测环境中的温度变化,可准确地运用于环境温度的检测。
2.1设计思路
使用窗口比较器进行对电压信号的筛选,使用555振荡器控制蜂鸣器和指示灯的闪烁频率,使用反相器对高低电平进行转换。
2.2提出方案
满足上述设计功能可以实施的方案很多,现提出以下几种方案:
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
通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,另一部分通过反相器接555以及指示灯,使之满足一下条件。
当t1<
t2时,比较器输出低电平,使用三极管的基本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555的RD’端为低电平,不工作。
当t<
t2时,比较器输出高电平,接入555的RD’端,蜂鸣器响;
而指示灯所接555的RD’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
先将温度变化转化成的电压变化输入555多谐振荡器,在555多谐振荡器的输出端使用窗口比较器,对输出信号进行判断,并选择使蜂鸣器工作或者指示灯工作。
2.3对各方案进行可行性分析、比较,选出最佳方案。
方案一在实行起来可以分步完成每个部分的电路,最后再一起进行调试。
先使用窗口比较器,可以准确区分电压的不同,并使用两个555多谐振荡器进行频率的设定,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,但是由于指示灯和蜂鸣器的频率要求不同,在之后的电路中难以达到频率要求,将窗口比较器接在多谐振荡器的输出部分也比较复杂。
因此,选择方案一进行实验。
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能说明
窗口比较器具有两个门限电平,可以检测输入模拟信号的电平是否处在给定的两个门限电平之间。
在元件选择与分类,或对生产现场进行监视与控制时,窗口比较器(图3)是很有用的。
当输入电压uI>
URH时,uI>
URL,所以集成运放A1的输出uO1=+UOM,A2的输出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的输出uO1=-UOM,A2的输出uO2=+UOM。
使得二极管D2导通D1截止,电流通路如图所标注,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分别为比较器的两个阈值电压,设URH和URL均大于零,则传输特性如图4所示。
图3窗口比较器图4传输特性
3.1.2窗口比较器电路元件的选取与计算(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。
因此取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能说明
由555定时器构成的多谐振荡器如图5所示,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的连接处,将放电端(7脚)接到R1,R2的连接处。
由于接通电源瞬间,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,故高电平触发端与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这段时间内电路的状态称为第一暂稳态,其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。
充电时间常数T充=(R1+R2)C。
由于放电管VT导通,电容C通过电阻R2和放电管放电,电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关,放电时间常数T放=R2C0随着C的放电,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。
不难理解,接通电源后,电路就在两个暂稳态之间来回翻转,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之间变化。
x图6所示为工作波形。
图5555多谐振荡器图6振荡器波形
3.2.2多谐振荡器电路元件的选取与计算(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。
3.3三极管基本开关电路
3.3.1三极管基本开关电路及其工作原理或功能说明
负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间,而位居三极管主电流的回路上,输入电压则控制三极管开关的开启与闭合动作,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,使集电极流过更大的放大电流,因此负载回路便被导通,而相当于开关的闭合,此时三极管乃工作于饱和区,集电极电压接近0;
当输入电压为低电压时,三极管呈闭合状态,由于基极没有电流,因此集电极亦无电流,致使连接于集电极端的负载亦没有电流,而相当于开关的开启,此时三极管乃工作于截止,集电极电压接近电源电压。
图7三极管基本开关电路
3.3.2三极管基本开关电路元件的选取与计算(元件标号见整机电路)
在输入高电平的时候,三极管导通,为了使输出为低电平,应该使压降足够大,因此R4要足够大,我选取R4=62kΩ。
为了防止R3分压太大,影响高电平,因此R3应该选取较小的电阻,我选取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=8.2kΩC1=10nF
R2=mf58热敏电阻C2=100nF
R3=1kΩC3=10uF
R4=62kΩC4=100nF
R6=3kΩD1二极管
R7=1.1kΩD35.1V稳压管
R8=2kΩD43V稳压管
R10=1kΩD5二极管
R11=47kΩD65.1V稳压管
R12=47kΩ
R15=100kΩ
R16=100kΩ
R18=1kΩ
此外,还有Lm3241个,三极管90141个,5552个,蜂鸣器1个,绿色发光二极管1个,以及8V电源。
五、性能指标的测量与分析
对研究过程中所获得的主要的数据、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测试使用的仪器
直流电压源,示波器,万用表。
5.1.2指标测试步骤、测量数据与分析
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
0.022V
蜂鸣器
响
不响
指示灯
不闪烁
闪烁
频率
1.1khz
0.54hz
表1
结果分析:
正常温度下,窗口比较器输出低电平,经过反相器之后变成高电平,灯
光闪烁模块启动;
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,音频报警模块启动,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
工作频率1.1kHz,工作周期0.909ms。
5.1.3故障分析及处理
在调试时发现窗口比较器输出高电平时,指示灯和蜂鸣器都在工作,用万用表测量,发现反相器的输出电压有0.3V,使555多谐振荡器工作了,为了让反相器输出电压接近0,增大集电极电阻的阻值,最终使用了62kΩ的电阻,使输出接近0。
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