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3.7方案的比较与选择
3.8装置中元件的选择……………………………………………………………5
3.9制作与调试……………………………………………………………………5
第4章关键元器件的介绍………………………………………………………6
4.1有关直流稳压电源的知识……………………………………………………6
4.2比例放大器的知识……………………………………………………………8
4.2.窗口比较器的知识…………………………………………………8
4.2报警的知识………………………………………………………9
5总结与体会………………………………………………………………………10
6致谢………………………………………………………………………………11
参考文献……………………………………………………………………………12
附录:
元器件清单
电路图
管脚图
第一章绪论
温度是一个十分重要的物理量,对它的测量与控制有十分重要的意义。
随着现代工、农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测与控制温度。
温度控制电路在工、农业生产中有着广泛的应用。
日常生活中也可以见到,如电冰箱的自动制冷、空调器的自动控制、大棚种植温度的自动控制等等。
利用(模拟)温度控制开关和声响集成电路制作一个温度报警器,也可以演示自动控制电路的工作原理。
电路的触发端接在固定电阻器和微调电阻器的中间,改变电阻的分压,我们就模拟外界环境的温度变化或降低。
当电路的触发端电压降低到我们预设的低电压时(低温),触发声响集成单频电路工作。
当电路的触发端电压升高到我们预设的高电压时(高温),触发声响集成双频电路工作。
即达到了调节微调电阻器的阻值,改变电路以不同声响报警时的温度。
从而达到了以电压模拟温度变化的控制。
第二章温度报警器基本介绍
2.1温度报警器的功能
现代社会是信息化的社会,随着安全化程度的日益提高,无论是室内还是室外都必须做度预防火灾的准备。
其安全工作已成为重中之重,一旦发生火灾,将导致人身生命安全、巨大的财产损失和不良的社会影响,因此我们本次的课程设计就是设计一个会以不同声响报警的温度报警器。
以下介绍的是采用窗口比较器通过采样、电压比较控制、发出不同声响的温度报警器,当滑动变阻器改变阻值即改变分压时(模拟外界温度的改变),如果温度低于预定值,此时的报警单频开关即开启,连接报警器发出单频报警声,如果温度高于预定值,此时的报警双频开关即开启,连接报警器发出双频报警声。
2.2发展前景
目前我国人民生活水平有所提高,一些电器产品正深入到千家万户,据统计,我国目前有约13亿人口,几乎每个家庭都用过象热得快之类的烧水工具。
随之而来的便是由于使用不当或在使用的同时却忘了而发生的事故。
如果将本系统用于实际,可以有效遏制该类事故发生。
因此,如果实际的产品一旦投放市场,必将有很大的市场空间和广阔的发展前景。
本系统把一些连线以不同的方式连接时,可以发出不同的报警声。
第三章温度报警器的制作过程
整流桥堆有两根输入交流线和两根输出直流线。
市电经过整流桥堆一极经过正极LS7812经过稳压、滤波可提供一个+12V电压;
当整流桥堆另外一极经过负极LS7812经过稳压、滤波可提供一个-12V电压。
+12V电压再经过LS7805后,经过稳压、滤波就可以提供一个+5V的电压。
这样就可以给后面的系统提供工作电压了。
+12v
-12v
四类放大器的知识与工作特点:
A类扩音机的输出级中两个(或两组)晶体管永远处于导电状态,也就是说不管有无讯号输入它们都保持传导电流,并使这个电流等于交流电的峰值,这时交流在最大讯号情况下流入负载。
当无讯号时,两个晶体管各流通等量的电流,因此在输出中心点上没有不平衡的电流或电压,故无电流输入扬声器,当讯号趋向正极,线路上方的输出晶体管容许流入较多的电流,下方的输出晶体管则相对减少电流,由于电流开始不平衡,于是流入扬声器发声。
A类放大方式具有最佳的线性,每个输出晶体管均放大讯号全波,完全不存在交越失真,即使不采用负反馈,它的环路失真仍十分低,因此被认为是声音最理想的放大线路设计。
B类放大的工作方式是当无讯号输入时,输出晶体管不导电,所以不消耗功率,当有讯号时每对输出管各放大一半波形,彼此一开一关轮流工作完成一个全波放大,在两个输出晶体管转换工作时便发生交越失真,因此形成非线性。
纯B类扩音机较少,因为在讯号非常低时失真十分严重,因交越失真令声音变得粗糙。
C类放大不适合HI-FI用,C类(丙类)放大器较少听闻,因为它是一种失真非常高的放大器,只适合在通讯用途上使用。
A类输出晶体管百分之百时间都在工作,B类输出晶体管的工作时间占百分之50,AB灯超过百分之50换取较低的失真,C类输出晶体管的工作时间低于百分之50,效率特高,但不是HIFI放大所适用。
D类扩音机采用开关式供电,输出晶体管有如切换开关,不截流即通流,与其他放大的半通半截方式不同,这种设计亦称数码扩音机。
D类放大的晶体管一经开启即直接将其负载与供电器连接,电流流通但晶体管无电压,因此无功率消耗,当输出晶体管关闭时,全部电源供应电压即出现在晶体管上但却无电流,因此也不消耗功率,故理论上效率为百分之百。
这类扩音机必须利用宽度(PulseWidth)线路,它在每秒内将输入与输出讯号多次互相比较,这时会产生波,它的宽度和持续主相等于输入与输出之间的误差,如输出较高则波较宽,相反,波较窄。
在扩音机输出部分设有一个低通滤波器,将波平均重现输入讯号。
看起来十分复杂,但却可以做到,而且理论上经处理后输出讯号与输入讯号相同。
比例放大器的放大倍数A=(1+R7/R5)=(1+1.8×
104÷
2×
103)=10(倍)
窗口比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。
它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术,也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。
本次是要主要利用过零检测。
下面介绍一下其基本概念、工作原理及典型工作电路,并介绍一些常用的电压比较器。
什么是电压比较器
简单地说,电压比较器是对两个模拟电压比较其大小,并判断出其中哪一个是电压高,如图3.1所示。
图3.3.1(a)是比较器,它有两个输入端:
同相输入端(“+” 端)及反相输入端(“-”端),有一个输出端Vout(输出电平信号)。
另外有电源V+及地(这是个单电源比较器),同相端输入电压VA,反相端输入VB。
VA和VB的变化如图3.3.1(b)所示。
在时间0~t1时,VA>
VB;
在t1~t2时,VB>
VA;
在t2~t3时,VA>
VB。
在这种情况下,Vout的输出如图3.3.1(c)所示:
VA>
VB时,Vout输出高电平;
VB>
VA时,Vout输出低电平。
根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。
如果把VA输入到反相端,VB输入到同相端,VA及VB的电压变化仍然如图3.3.1(b)所示,则Vout输出如图3.3.1(d)所示。
与图3.3.1(c)比较,其输出电平倒了一下。
输出电平变化与VA、VB的输入端有关。
图3.3.2(a)是双电源(正负电源)供电的比较器。
如果它的VA、VB输入电压如图3.3.1(b)那样,它的输出特性如图3.3.2(b)所示。
VA时,Vout输出饱和负电压。
如果输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相比较,如图3.3.3(a)所示。
此VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。
如果这参考电压是0V(地电平),如图3.3.3(b)所示,它一般用作过零检测
比较器的工作原理
比较器是由运算放大器发展而来的,比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。
由于比较器电路应用较为广泛,所以开发出了专门的比较器集成电路。
图3.3.4(a)由运算放大器组成的差分放大器电路,输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端,VB通过输入电阻R1接在反相端,RF为反馈电阻,若不考虑输入失调电压,则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为:
Vout=(1+RF/R1)•R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。
若R1=R2,R3=RF,则Vout=RF/R1(VA-VB),RF/R1为放大器的增益。
当R1=R2=0(相当于R1、R2短路),R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时,Vout=∞。
增益成为无穷大,其电路图就形成图3.3.4(b)的样子,差分放大器处于开环状态,它就是比较器电路。
实际上,运放处于开环状态时,其增益并非无穷大,而Vout输出是饱和电压,它小于正负电源电压,也不可能是无穷大。
同相放大器电路如图3.3.5所示。
如果图3.3.5中RF=∞,R1=0时,它就变成与图3.3.3(b)一样的比较器电路了。
图5中的Vin相当于图3.3.3(b)中的VA。
其中在设计电路中窗口比较器的上下阀值计算如下:
UTL=(R9/R10)*UREF=200/104=0.02V
UTH=(R12/R11)*UREF=600/104=0.06V
3.4报警系统的工作原理:
单频报警系统:
(方案一)
将555定时器的两个输入端接成施密特触发器,然后再将输出经RC积分电路接回输入端即可改成多谐振荡器。
单频震荡器是由一片555定时器构成,555定时器构成了一个音频震荡器,当前者输入端子4的电压为高电平时,555定时器开始工作,产生周期性的方波。
驱动蜂鸣器发出单声响的声音。
当前者输入端子4的电压为高低平时,555定时器停止工作。
蜂鸣器不发出声音。
根据设计要求需要自制1秒信号源,占空比为50%,则由电路的振荡周期和输出脉冲的占空比公式得:
T=(R1+R2)C1㏑2
R1=R2
由T=1s,Ln2=0.69得
R1=R2≈72千欧
C1=10×
10-6F
占空比为:
q=(R1)/(R1+R2)=50%
备注:
为了可以得到想要的参数和减小误差我们可以把Rb换成滑动变阻器。
方案二:
若上图的蜂鸣器不能进行正常工作,有可能是前方输入的电流或电压不能达到555定时器或蜂鸣器的工作电压,则可以把上图中蜂鸣器的接地端接到两个与非门之间,这样可以增大分压电压,增大输入电压。
进而蜂鸣器报警。
(方案三)
方案三较方案一不同之处在于:
555定时器构成了一个单频震荡器,而与非门反向器构成了音频震荡器。
而且在输出端子3后加了一段放大电路。
即如果前方流入的电流不够大或者给入的电压不够大,驱动不了陶瓷蜂鸣器,我们可以把蜂鸣器的接地端接到两个与非门之间。
那样可以增加电流和电压以驱动蜂鸣器发声。
单频产生的波形:
端口4
555
蜂鸣器
双频报警器:
双频报警电路是由两个555定时器组成的,图中的5551组成低频震荡器,频率约为1HZ,5552组成音频震荡器。
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、低两种不同电频时,后者可输出两种不同频率的方波。
而且555定时器的输出电流最大可达200mA,所以可直接驱动陶瓷蜂鸣器,而且只有当控制端为高电频或者悬空时,蜂鸣器才能发出两种不同声响的声音。
若控制端处于低电频,定时器555处于复位状态,不发出声音。
双频产生的波形:
电路的选定:
直流稳压电源、比例放大器、窗口比较器的选定如上面所述。
单频报警器有三种方案:
经过理论计算和实践比较,最终选定方案一最合适。
整体电路参见附录
调试电路与问题处理:
在接单频报警器时先把方案二和方案三都试了,可就是蜂鸣器不响。
经过老师的指导和检查后才发现是有一个电阻管脚接错了。
所以给了我提示在下来接时一定注意管脚是否接的正确。
在接电路时经常得到的参数与想要的或者与实际计算的理论值不符,则许多的固定电阻都要换成是滑动变阻器。
以调节到所需要的电阻值。
3.3电路中元件的清单:
固定电阻:
R1:
1KR2:
1KR3:
120KR9:
200R12:
600R13:
10KR15:
10KR17:
10K
滑动变阻器:
R4:
1KR5:
2KR6:
1KR7:
18KR810KR10:
10KR11:
10KR14:
R16
3.4制作与调试
4有关元器件的介绍
4.1关于热敏电阻的知识
热敏电阻器是一种敏感元件,敏感元件的基本结构是:
敏感基体材料(电子陶瓷)、电极、电极外引线(部分型号的元件不需要外引线,如片式元件)、密封保护层。
它的最大特点是电阻值随温度的变化而显著变化,因而能够通过其电阻值的变化感知周围环境温度的变化。
显然,如果只有电子陶瓷制作的基片,而无法将陶瓷基片随温度变化的而引起的电学量的变化转换成便于测试的量时,那么这种基片将无法使用。
热敏电阻器是用在传感电路中电子元件,只有为基片加上电极,才能正常地用在电路中,通过热敏电阻器阻值的变化测量环境温度的变化。
可见,在热敏电阻器中,电极起着极为重要的作用。
电子器件对电极的共同要求是具有良好的导电性能、欧姆接触性能、易焊接性能、附着牢固性、耐环境性(包括耐腐蚀、耐氧化等)、易操作性、成本低。
电子陶瓷电极制作的方法有浆料法、化学法和电化学法。
比如用银浆、银钯浆制备电子陶瓷电极;
用镍酸盐为基片镀镍,作为电子陶瓷的电极;
电化学法因为工艺相对复杂,很少采用。
热敏电阻的物理特性用下列参数表示:
电阻值、B值、耗散系数、热时间常数、电阻温度系数。
电阻值:
R〔Ω〕电阻值的近似值表示为:
R2=R1exp[1/T2-1/T1]
其中:
R2:
绝对温度为T2〔K〕时的电阻〔Ω〕
R1:
绝对温度为T1〔K〕时的电阻〔Ω〕
B:
B值〔K〕
B值是电阻在两个温度之间变化的函数,表达式为:
B=InR1-InR2=2.3026(1ogR1-1ogR2)1/T1-1/T2
B:
R2:
耗散系数:
δ〔mW/℃〕
耗散系数是物体消耗的电功与相应的温升值之比
δ=W/T-Ta=I²
R/T-Ta其中:
δ:
耗散系数δ〔mW/℃〕W:
热敏电阻消耗的电功〔mW〕T:
达到热平衡后的温度值〔℃〕
Ta:
室温〔℃〕I:
在温度T时加热敏电阻上的电流值〔mA〕
R:
在温度T时加热敏电阻上的电流值〔KΩ〕
在测量温度时,应注意防止热敏电阻由于加热造成的升温。
热时间常数:
τ〔sec.〕
热敏电阻在零能量条件下,由于步阶效应使热敏电阻本身的温度发生改变,当温度在初始值和最终值之间改变63.2%所需的时间就是热时间系数τ。
电阻温度系数:
α〔%/℃〕
α是表示热敏电阻器温度每变化1º
C,其电阻值变化程度的系数〔即变化率〕,用
α=1/R·
dR/dT表示,计算式为:
α=1/R·
dR/dT×
100=-B/T²
×
100
α:
电阻温度系数〔%/℃〕
R:
绝对温度T〔K〕时的电阻值〔Ω〕
参考文献
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河海大学出版社。
[2]何希才.
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电子工业出版社。
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[7]朱立彬.传感器技术的最新进展和市场机遇.传感器技术2003.3。
[8]陆首群.振兴电子工业奔向信息化:
发展电子信息技术和产业问题的思
考.电子工业出版社。
- 配套讲稿:
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