超温报警电路设计说明.docx

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超温报警电路设计说明

一、前言4

二、任务分析5

三、设计原理6

3.1超温报警电器原理图6

3.2文字说明原理6

3.3555振荡器工作原理8

3.4CD4511工作原理9

四、各元器件的概况10

4.1LM324芯片10

4.2热敏电阻11

4.3555振荡器12

4.4CD4511芯片12

4.5发光二极管14

五、结语15

六、参考文献15

超温报警电路

【中文摘要】随着科学技术的发展，人类对自动控制线路的开发不断深入，对各种控制线路的保护意识也逐渐增强。

其中的超温报警电路是在实际应用中相当广泛的安全保护电路。

所有电路均按基本功能分类编排，包括车辆类报警、有害气体类报警、无线遥控类报警、定时提醒类报警、设备故障类报警、自动类报警、电源安全及其他类报警应用电路。

这些电路既有简单易制的家用防盗报警器电路，也有电路复杂的多功能报警器电路。

在现实生活中，常有一种工程技术，即自动温度补偿的设备，在规定温度正常工作，设备温度一旦超出上限，便立即切断电源报警。

本次设计主要运用基本的模拟电子技术基础和传感器原理的知识，从基本的元器件出发，实现了超温报警电路的设计。

超温报警电路是采用

LM324温度传感器设计的，报警温度超过设定温度时会发出光报警信号。

本电路主要由低功耗四运算放大器LM324热敏电阻、LED发光二极管等元器件组成，并利用热敏电阻的阻值随着温度的升高而增大这个原理改变四运算放大器LM324比较器的比较电压，使其输出产生

变化，从而引起发光二极管发出可见光，从而起到温度指示的作用。

在实际应用中，利用发光二极管的温度指示作用来判断环境温度的变化，从而减少不必要的损失。

关键词：

超温报警、热敏电阻、自动控制原理

一、前言

温度测量与控制电路广泛应用于生产生活中的各个方面，特别是在工业生产中，温度自动控制已经成为一个相当成熟的技术。

本次课程设计给我们创造了良好的学习机会：

一是查阅资料将自己所学的数字电子技术，模拟电子技术，以及传感器的相关知识综合运用，二是系统了解温度监测的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。

同时经过查资料、撰写设计报告等，加强在电子技术方面解决实际问题的能力，基本掌握常用模拟电子线路的相关知识，提高模拟电子线路的制作、调试和测试能力。

在确定课设题目，经仔细分析问题后，我们发现实现课题要求——温度控制的基本原理是采用简单芯片构成电路。

在了解单元电路的基本构成后，我们总结出电路实现的基本原理，即通过将热敏电阻受温度影响所产生的输出电压送至LM324集成电路部各级比较器，从而输出与温度相对应的显示值。

通过电阻分压，，做温度控制开关，从而达到控制温度的作用。

本应用具有温度报警功能，当发热体靠经热敏电阻时，热敏电阻阻值变大，使得LM324同相输入大于发相输入，输出端输出高电平，LED发光二极管依次点亮达到温度指示和报警功能。

由于缺少实践经验，并且知识有限，所以本次设计中难免存在缺点和错误，敬请老师批评指正。

、任务分析

1、当线路正常时，要使数码显示器正常工作，必须通过“变压器降压、桥式整流、滤波、稳压”流程，将我们的市电220V交流电压转换为12V直流电压

2、通电后，电路周而复始按顺序显示“0—1—2—4—8—0—8—4—2—1—0”。

由此可知，电路需要用一个555振荡器产生方波脉冲，用一个CD4017编码器、CD4511译码器、数码显示器，实现电路要求。

3、当温度过高时，温控电路开始工作，首先切断发热件电源，红管亮。

由此可知，须要用一个电压比较器控制输出的高低电频，从而达到超温切断电烙铁。

4、1秒后再切断数显电源，并同时发出断续的报警声。

由此可知，再用一个RC电路做延时效果，这后再用一个放大器来防止后面电路影响RC电路，延时后，切断显示电路。

5、整个设计中，温度传感部分是由热敏电阻构成的温度传感器，控制部分由滑动变阻器和11个固定电阻组成，而光报警主要用LM324集成芯片和8个LED发光二极管组成。

三、设计原理

3.1超温报警电器原理图

3.2文字说明原理

交流220V经熔断丝F给电源变压器供电，变压器次级输出约

12V交流电，经VD2-VD5桥式整流，C1滤波，7809稳压后得到稳定的9V直流供电路工作。

IC1A、IC1B为电压比较电路，R3R4与R9R10分别为IC1A、IC1B的反相端提供比较基准电压。

当工作件温度在规定围，相当于电烙铁远离热敏元件R5,R5阻值较大，IC1A同相端电压VR6较低，使V+vV-（同相端电压低于反相端电压），IC1A的⑦脚亦为低电平，三极管VT1、VT2截止，继电器K1、K2的线圈无电流通过，它们的动接点不动作。

交流电经K1-1给单相电流插座供电，让插在其上的电烙铁得电DC9V经K22-1给IC3、IC4及数码管供电，IC2的③脚输出经K21-1传递给IC3、IC2为振荡器，其振荡器频率由R12、R13C6决定，IC3为十进制计数/分记器，IC2的振荡波型

（矩形波）输至IC3的CP端,IC3对矩形脉冲计数，其输出经VD8-VD15至译码器CD4511数码管按顺序“0—1—2—4—8—0—8—4—2—1—0”显示。

若将发热的电烙铁靠近热敏电阻R5,几秒钟后热敏电阻感受到较高温度，其阻值突然下降，使VR5下降，VR6上升，贝SIC3的V+>V-（同相端电压大于反相端电压），IC1A的1脚输出高电平，这电压一路输给VT1的基极，另一路经延时电路R&C4输给IC1B的同相端电压大于反相端电压。

于是VT1、VT2的基极都得到高电平而导通，使电磁继电器的线圈有电流通过，动接点动作，K1的动接点脱开K1-1而与K1-2接通，单相电插座得电，红色发光二极管得电发光。

K2的

两组动接点都动作，其中K21的动接点脱离K21-1而与K21-2接触，IC2的振荡输出给有源讯响器又发出断续报警声，在K21动作的同时，K22的动接点也动作，脱离K21-1,使IC3的CP端无输出脉冲的同时，IC3、IC4及数码管失去工作电源，不显任何笔划。

，随后，将电烙铁支离R5,则R5感受的温度降低，阻值又变大，VR6变小，导致VT1、VT2截止，K1、K2的线圈失电无电流流过，它们的动接点复位，K1动接点回到K1-1;电烙铁重新得电，红色发光管熄灭K21的动触点回到K21-1,K22r动触点回到K22-1,讯响器停止报警，数显电路重新工作，接顺序周而复始地显示“0—1—2—4—8—0—8—4—2—1—0”

3.3555振荡器工作原理

由555定时器组成的多谐振荡器如图（C）所示，其中R、R和电容C为外接元件。

其工作波如图所示。

-+

设电容的初始电压Uc=0,t=

0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以咼、低触发端Vth=VTL=0<1Vcc，比较器A1输出为咼

电平，A2输出为低电平，即Rd1,Sd0（1表示咼电位，0表示低

Uo

电位），RS触发器置1,定时器输出uo1此时Q0,定时器部放电

三极管截止，电源Vcc经R1,R2向电容c充电，Uc逐渐升高。

当Uc上升到1Vcc时，A2输出由0翻转为1,这时RdSd1,RS触发顺保持

3

状态不变。

所以0

tt1时刻，Uc上升到2Vcc,比较器A1的输出由1变为0,这时Rd0,

3

Sd1,RS触发器复0,定时器输出U00。

titt2期间，Q1，放电三极管T导通，电容c通过R2放电。

Uc按指数规律下降，当Uc|Vcc时比较器A1输出由0变为1,R—S触

3

发器的RdSd1,Q的状态不变，Uo的状态仍为低电平。

tt2时刻，Uc下降到-Vcc，比较器A2输出由1变为0,R---S触

3

发器的Rd1，Sd0，触发器处于1，定时器输出Uo1。

此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出Uo1，电容放电时，Uo0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。

多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，

3.4CD4511工作原理

（1）锁存功能译码器的锁存电路由传输门和反相器组成，传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。

当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“T电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

（2）译码CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据BC进行组合，得出、、、四项，然后将输入的数据AD一起用或非门译码。

（3）消隐BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。

消隐控制电路如图3-4所示。

消隐输出J的电平为J二二（C+BD+BI。

如不考虑消隐BI项，便得J二（B+CD

据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。

四、元器件说明

4.1LM324芯片

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的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如图所示的符号来表示，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

管脚连接图

讨｝输入斗

12丿

3VgE-Gnd

一可输出3

由电压比较器的原理可知：

当同相输入端（正端）电压高于反相输入端（负端）电压时，比较器输出高电平；反之，则输出低电平。

LM324中，当同相输入端3脚输入电压高于反相输入端2脚时，1脚输出高电平；当同相输入端5脚输入电压高于反相输入端时，7脚输出高电平。

4.2热敏电阻

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系

数热敏电阻器（PTC和负温度系数热敏电阻器器（NTC。

热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。

正温度系数热敏电阻器（PTC在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

在本课程设计中，我们选用的是随温度升高阻值变大的热敏电阻，即正温度系数热敏电阻简称PTC。

热敏电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的电阻值和温度可以用以下的近似关系式表示即

Rt=Rt0[1+a（t-to）]

式中，Rt为温度t时的阻值；Rto为温度to（通常to=oC）时对应电阻值；a为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t

式中Rot为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。

4.3555振荡器

它由分压器、比较器、基本R--S触发器和放电三极管等部分组成。

分压器由三个5K的等值电阻串联而成。

分压器为比较器Ai、A2提供参考电压，比较器A的参考电压为2Vcc，加在同相输入端，比较

3

器A2的参考电压为1Vcc，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放A、A2组成。

高电平触发信号加在Ai的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R--S触发器Rd端的输入信号；低电平触发信号加在A2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器Sd端的输入信号。

基本R--S触发器的输出状态受比较器Ai、A2的输出端控制

4.4CD4511芯片

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器BCD码—七段码译码器，特点：

具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMO电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

CD4511是一片CMOS3CD-锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图3.1所示。

其中abcd为BCD码输入，a为最低位。

LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。

BI为消隐

功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，B1端应加高电

平。

另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9（1001）时，显示字形也自行消隐。

LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。

a〜g是7段输出，可驱动共阴LED数码管。

另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观图3是CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只CD4511和LED数码管即可。

所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地。

限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Q的限流电阻。

CD4511引脚图

其功能介绍如下：

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE:

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD451啲部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

4.5发光二极管它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为

LED发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

发光二极管是由皿-W族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区发光的，所以光仅在靠近PN结面数um以产生。

理论和实践证明，光的峰值波长入与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即入~1240/Eg（mm式中Eg.的单位为电子伏特（ev）。

若能产生可见光（波长在380nm紫光〜780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26〜1.63eV之间。

比红光波长长的光为红外光。

现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。

五、结语

在本次的课程设计过自己选题，找材料，分析、设计等，也掌一些软件的操作方法，这为以后的学习做了铺垫。

整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问题的转变。

通过本次的课程设计，我最大的收获就是提高了自身的动手能力，培养了我的寻求解决问题的能力和团队精神也增强了我其它方面的能力。

在设计中，我充分应用我们所学的知识，例如：

集成电路、三极管、二极管、定时器555等元件的应用。

这次实践使我受益匪浅，在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我的设计思维，增强了我的实际操作能力。

课程设计的自主设计、学习和研究过程中，通过写课程设计的总结报告，初步训练我的书面表达能力。

组织逻辑能力，这些技能应用性强，对我的将来就业和进一步发展帮助较大。

同时也加强了对课本知识理解，使我们做到理论和与实际的联系，收获很大。

并且我也深深地体会到自己所学知识的不足，激发了我的自学能力和应对挑战的能力。

为今后学习打下了良好的基础，也培养了我们严谨务实的作风。

六、参考文献

【1】王港元电工电子实践指导，科学技术，2005年2月

【2】新德，淑华•看图学电子元器件选用、检测与查用100问[M]..机械工业，2009.10

【3】吉雷.Protel99..电子科技大学，2000.10

【4】何社成，实用报警电路图集，中国电力，2009年08月