温度报警器的设计.docx

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温度报警器的设计

湖南工学院

《模拟电子技术》课程设计说明书

温度报警器

学生姓名:

专业:

电气工程及其自动化

班级:

学号:

完成时间:

2015年7月

《模拟电子技术》课程设计任务书

学院:

电气与信息工程学院

适应专业:

自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程

指导教师

学生姓名

课题名称

温度报警器

内

容

及

任

务

一、设计任务

利用集成温度传感器、集成运放等设计一个温度报警装置。

当被测温度达到测量上限值时,可通过LED或蜂鸣器实现声（光）报警。

电路设计方案自行确定。

二、设计内容

1、电路设计方案比较;

2、电路参数分析计算与选择; 

3、单元电路设计并进行分析;

4、实物制作;

5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）;

6、撰写设计报告。

三、设计要求及技术指标

1、检测范围:

室温～50℃;

2、被测温度达到50℃时,指示灯亮（熄灭）或蜂鸣器工作;

3、测量精度±1℃;

四、扩展要求与指标

1、用数字电压实现温度显示,电压表满刻度对应50℃;　

主

要

参

考

资

料

[1]康华光编、模拟电子技术（第5版）、北京:

高等教育出版社,2012

[2]童诗白编,模拟电子技术基础（第4版）、北京:

清华大学出版社,2009

[3]华成英编,模拟电子技术基础（第4版）、北京:

清华大学出版社,2011

教研室

意见

教研室主任:

（签字）

年月日

《模拟电子技术》课程设计任务书

学院:

电气与信息工程学院

适应专业:

自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程

指导教师

学生姓名

课题名称

直流稳压电源

内

容

及

任

务

一、设计任务

设计一个直流稳压电源,当输入为有效值220V的交流电压时,能产生±12V、±5V三组直流电压输出。

二、设计内容

1、电路设计方案比较;

2、电路参数分析计算与选择; 

3、单元电路设计并进行分析;

4、实物制作;

5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）;

6、撰写设计报告。

三、设计要求及技术指标

1、要求输入电压为有效值220V、50HZ的市电交流电压,电源输出电压为±12V、±5V。

2、最大输出电流为Iomax=500mA,纹波电压△VOP-P≤5mV,稳压系数Sr≤5%。

四、扩展要求与指标

1、能显示电源输出电压值,00、0-12、0V;

2、要求有短路过载保护。

主

要

参

考

资

料

[1]康华光编、模拟电子技术（第5版）、北京:

高等教育出版社,2012

[2]童诗白编,模拟电子技术基础（第4版）、北京:

清华大学出版社,2009

[3]华成英编,模拟电子技术基础（第4版）、北京:

清华大学出版社,2011

教研室

意见

教研室主任:

（签字）

年月日

摘要

随着技术的不断开发与应用,电子技术的发展十分迅速,不断运用到生活的各个方面。

设计结合温度传感器技术,集成运算放大器,以及电压比较器,与发光二极管组成的非常灵敏的温度报警器。

设计采用热敏电阻作为温度传感器,相比传统的热传感器更具抗干扰能力,利用电压比较技术,更加强了电路的稳定性。

附带LED发光二极管报警技术,使报警效果更明显,在被测温度大于50度时,发光二极管被点亮,可实现其报警功能,完全能满足设计要求。

稳压直流电源采用变压器降压电路,二极管整流桥整流,滤波电路与稳压电路组成,可稳定输出+5V与-5V,+12V与-12V的直流电压。

关键词:

热敏电阻;集成运算放大器;二极管整流桥;二极管报警

1温度报警器的设计

1、1温度报警器的设计方案

设计一个温度在室温至50℃范围内时不报警,当温度超过50℃时,报警器能精确报警的温度报警器。

温度传感器应将温度的变化转化为电压的变化,集成放大电路将得到的电压信号进行放大,电压比较器电路将放大的电压信号与参考电压进行比较,然后再接报警电路。

报

警

电

路

电

压

比

较

器

放

大

电

路

热

敏

电

阻

直流稳压电源供电

图1温度报警器的方案图

电路采用热敏电阻作为温度传感器,把变化的温度转化为电压信号,再经过集成运算放大电路,把得到的电压信号放大,再经电压比较器的比较,把得到的电压信号输给发光二极管报警电路从而实现温度的报警。

1、2热敏电阻传感电路的设计

设计一个当温度大于50℃时报警的温度报警器,需要用电压变化来代表温度的变化,设计的原理如图2所示:

在热敏电阻传感电路里,选择（在室温下）电阻值为10k的热敏电阻R1作为温度传感器,在25度时,电源电路输出给集成运放放大器的电压为454mv,温度每升高1度,该热敏电阻阻值就下降256Ω,输出电压下降11、2mv,因此,当温度从25度升高到50度时,温度报警器的电阻降为3、6k,经计算,理论输出电压从454mv降为174mv。

R8选用10k的电位器,便于电路的调节;R6选用100k的电阻,就是为了得到输出为毫伏级的电压;R1就是热敏电阻（电阻值随温度的升高而降低）。

图2热敏电阻传感器电路

1、3放大电路的设计

为了得到更大的电压,把热敏电阻采集到的电压信号加到电压放大倍数为28倍的正向比例放大器（如图3）,经过放大,可以得到输出电压12、7v～4、9v。

（R4取25k,电位器R7取10k,便于增益的调节,结合电路的需要,最后把R7调到2k左右,R2取1k;增益Au=R2+（R7+R4）/R2=1+（2+25）/1=28）

图3放大电路

1、4比较电路与报警电路的设计

然后把放大的电压加到选择电压为5v的反向电压比较器上面去（如图4）,当温度到50度时,比较器输入电压4、9v（4、9v<5v）,比较器翻转,比较器输出电压为5v,点亮发光二极管。

为了保护发光二极管不被烧坏,在二极管前面串联了一个760Ω的保护电阻。

图4比较电路与报警电路

选择NE5532P集成运放芯片作为电路放大与电压比较器,NE5532P为8脚双运放,用一个运放供电电压为+5V与-5v,用两个运放供电电压为+12v与-12v。

电压放大增益Av=1+Rf/R2=28,电压信号放大后,可以得到比较器输入电压（12、7v～4、9v）,与比较电压5v进行比较,从而实现精确报警。

二极管保护电阻取760Ω的理由:

由于二极管的导通电压为1、5v-2、5v,电流范围为5mA-18mA,保护电阻R3的取值范围为12V/18=666Ω到12v/5=2400Ω,为了使报警效果更明显,R3取760Ω。

2直流稳压电源的设计

在各个单元电路与总体电路设计过程中,有3个模块需要直流稳压电源供电,因此,需要制作一个具有稳定输出的直流稳压电源。

2、1设计方案与原理

在电子电路设备中,一般都需要稳定的直流电源供电,而平常生活中用到的都就是频率为50HZ,有效值为220V的单项交流电压,因此需要将它转换为幅值稳定,输出电流较小的直流电压。

在一般情况下,所需直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大,因此需要通过电源变压器降压后,再对交流电压进行处理。

在温度报警器电路中,需要用5～12V的直流电源供电,因此需要设计一个输出为±12V与±5V的稳压直流电源,直流电压的设计方案图如图5所示

图5直流稳压电源的设计图

在电路中输入220V（50HZ）的交流电压,通过电源变压器降压（变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要）然后变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压,即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压,为了减少电压的脉动,需通过滤波电路滤波,使输出电压平滑,因此应将部分交流分量或者全部滤掉,使滤波电路输出电压仅为直流电压,然而,由于滤波电路为无源电路,所以接入负载后会影响其滤波效果,对于要求不高的电子电路,整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源,但当电网电压滤波或者负载变化时,其平均值也将随之变化,稳压电路的功能就是使输出直流电压基本保持,不受电网电压波动与负载电阻变化的影响,从而获得足够高的稳定性。

2、2电源模块的设计

根据方案与原理:

电源模块采用220-16V变压器降压,再经桥式整流堆（型号为2w10）进行整流,滤波电容进行滤波,再经过稳压芯片,就能稳压输出+12v,-12v与+5v,-5v的直流电压。

（1）变压器:

型号为220v/16v的降压变压器,它将220V交流电压变换成符合需要的交流电压,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定,降压电路如图6所示。

图6降压电路

（2）整流电路:

利用（单向导电元件）二极管组成的整流桥（2w10）,把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电,整流电路图如图7所示。

图7整流电路图

（3）滤波电路与稳压电路:

滤波电路采用双电容并联结构,可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除,从而得到比较平滑的直流电压。

稳压电路采用稳压芯片78xx系列,则使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压与负载的变化而变化,电路图如图8所示。

图8滤波与稳压电路图

2、3直流稳压电路整体图

图9直流稳压电路整体图

220V电网电压经过通用变压器T1降压至12V,12V交流电压经整流桥整流、电容的滤波作用后变成直流电压供给集成三端稳压器7812,经过7812稳压后变成所需的+12V直流电压。

然后再经过一级电容,将电压送至稳压器7805稳压后,就可得到+5v较稳定的直流电压了,同理可得到-12v,与-5v的直流电压。

2、4元器件选择及计算

1）变压器采用双12v降压变压器,规格I/P:

220vAC50HZ

2）整流桥堆的选择

整流桥堆选用规格为2W10,与选用单个二极管整流的优势在于,可利用波形在负半轴的电压,提高电源的利用率。

一般情况下,允许电网电压有±10%的波动,因此在选择整流桥的二极管保证二极管安全工作。

3）滤波电容的选择

电路中C2,C10应选用较大的电容进行滤波,选择电容稍大一些,则输出电压中得到的纹波成分越小,为了得到平滑的负载电压。

てd=RLC>=（3-5）T/2

（1）

T=1/f=0、02s

（2）

RL=VL/IL=12V/500MA=24Ω（3）

C=（3-5）T/2*RL=1250uf～2083uf（4）

考虑到电网电压的波动,则电容器承受的最高电压VCM

VCM=

*（12/1、2）*1、1=15、5V

根据计算数据可取,C2=C10=2200uf,C1=C3=C7=C8=0、1uf（就是为了防自激）。

4）整流桥与稳压管的选择

稳压管正向输出选择LM7812与LM7805系列,反向输出选择LM7912与LM7905系列,因为三端固定式集成稳压管W7812与W7805的最大输出电流IOMAX为1、5A,因此每个二极管流过的平均电流ID=0、5Iomax=0、5×1、5=0、75A,整流管的参数IF应该比平均值ID大（0、5～2）倍,在此选择1A∕50V的整流桥堆。

3电路的仿真（Multisim）

图10±12v直流稳压源仿真输出电压波形图

图11±5v直流稳压源仿真输出电压波形图

图12温度为50度时发光二极管发光电路图

4实物测试与调试

图13温度报警器调试图

图14温度报警器测试图

图15+12v输出电压

图16+5v输出电压

图17+5v输出电压

图18-12v输出电压

表一直流稳压电源数据

理论值

实测值

误差

+12v

+12、06v

0、005

-12v

-12、08v

0、006

+5v

+4、98v

0、004

-5v

-4、96v

0、008

误差均小于0、01,因此,在误差允许的范围内,直流稳压电源符合设计要求。

5设计总结与体会

通过为期三周的努力,我们设计的温度报警器终于完成了,在此次课程设计过程中我们遇到了许多问题也了解了许多知识,同时我发现有很多知识都就是老师曾经在课上讲过的,比如电路的电源电路还有稳压电路等等。

在解决问题的过程中,我意识到自己知识的不足以及团队合作的重要性,通过理论与实践的比较,更让我意识到实践的重要性。

刚开始我们通过图书馆,网络,以及上一级的学长,了解与收集到了本次设计需要的资料,从而我们对本次设计有了初步的了解方案。

首先大家的任务就就是认识面包板及其布局,元器件的功能及管脚图,接着我们采用分块连接电路,以便于检测,把部分电路连好后在电脑上用multism进行仿真记录相关数据,最后把部分电路整合连成整体电路进行仿真瞧就是否报警,就是否符合要求。

在操作过程中遇到许多问题,例如测的数值不符合要求、正负电源接反导致电容烧坏、实际电路的电阻选择、电路中某段没有电压,电路不工作等等,最后在老师与同学的帮助下我们都一一解决了。

设计基本能满足任务要求,设计的不足之处在于我们为了追求更简单,没有采用蜂鸣器报警电路,没有采用LED显示屏去显示被测温度。

设计的优点在于,稳定性较高,灵敏度好。

参考文献

[1]康华光、模拟电子技术（第5版）［Ｍ］、北京:

高等教育出版社,2012、454~463、

[2]童诗白、模拟电子技术（第4版）［Ｍ］、北京:

清华大学出版社,2009、430~433、

致谢

这次课程设计的完成,要感谢伍麟珺老师与同学,感谢学校给了我们这样一个学习的机会,这次课程设计不仅仅使我们学到了很多新知识,也使我们认识到了自己还有很多的不足。

从这次课程设计的开始到完成的整个过程,我们遇到了很多意想不到的困难,但在自己的努力下,以及伍老师的指导与帮助下,我们基本完成了设计要求,这次课程设计使我们受益匪浅,老师与同学给了我们很多关于设计方面的资料与建议,使我们学到了很多新的东西与道理,相信在我们以后的工作与生活中都会受用,借此机会向老师与帮助我的每一个人同学表示真挚的谢意。

附录

附录A直流稳压电源原理图（见尾部）

附录B温度报警器原理图（见尾部）

附录C直流稳压电源pcb图

图21直流稳压电源pcb图

附录D温度报警器的PCb图

图22温度报警器PCB图

附录E直流稳压电源与温度报警器实物图

图23实物图

附录F直流稳压电源元件清单

序号

编号

名称

型号

数量（个）

1

1

变压器

220V/16V

1

2

2

开关

1

3

3

整流桥

2w10

1

4

R1、R2

电阻

760

2

5

C2、C10

电容

2200uf

2

6

C4、C14、C15、C16

电容

470uf

4

7

C1、C3、C7、C8

电容

0、1uf

4

8

D1、D2、D3、D4、D5

发光二极管

5

9

7812

三端集成稳压器

L7812CV

1

10

7805

三端集成稳压器

L7805CV

1

11

7912

三端集成稳压器

L7912CV

1

12

7905

三端集成稳压器

L7905CV

1

13

USB接口

1

14

排针

40

15

R3、R4

电阻

240

2

16

电源线

1

17

单面板

10*15mm

1

附录G温度报警器的元件清单

序号

编号

名称

型号

数量（个）

1

1

温度传感器

NTC396

1

2

2

集成运放

NE5532P

1

3

R

电位器

10k

1

4

R1

电阻

100k

1

5

R2

电阻

15K

1

6

R3

电阻

1K

1

7

R4

电阻

760

1

8

3

排针

若干

9

4

单面板

10*15mm

1

10

5

红色LED

1

11

6

集成运底座

IC8P

1