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温度报警器设计

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、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。

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，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

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：

①当温度高与30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀—嘟”声响；

②当温度低于10℃时，报警器发出单频率声响；

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；

（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，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），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所需的交流电压。

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

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分别为6端和2端的输入电压。

当U11>2/3Ucc,U12<1/3Ucc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U11<2/3Ucc，U12<1/3Ucc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U11<2/3Ucc,U12>2/3Ucc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

图2.6低温报警电路原理图

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τ=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

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的充电阈值为：

放电阈值为：

充电电路为：

根据电路列写UC（t）的表达式：

充电时间为TH：

放电时间为TL：

则振荡周期TO为：

低音频率为：

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

高音振荡频率为：

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，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Labcenterelectronics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，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22V~16V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。

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

16V

15.974V

不带负载的变压器输出

16V

16.607V

带负载的变压器输出

16V

16.112V

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

2.447v

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：

{（12-12.052）/12}*100%=0.56%<10%在误差范围内；

{（5.081-5）/5}*100%=0.86%<10%在误差范围内。

6.总结

经过为期三周的课程设计，我们终于完成了温度报警器的设计与制作。

本次课程设计棋的流程大体为：

课程设计动员大会、指导老师分配小组课设任务、各小组进行审题分析并设计电路，指导老师审图通过后领取元器件、试验测试调试、指导老师检验实验结果。

本次课程设计加深了我们对所学理论知识的理解，并能将其熟练应用，做到理论与实际相结合。

也提高了动手和处理问题的能力，增强了战胜困难的毅力和信心。

我们经过理论设计，然后逐个模块链接电路，因为每个人的思路都不同，我们就讨论用最佳方案，使其连线最少，电路美观。

连好之后，我们接上电源，发现报警器不响，经过仔细查找，查出是一根导线没插好，接触不良。

再经过反复的调试，最后使单双频响声都正常，完成电路的制作。

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。

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益匪浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

对于我来说，收获最大的是自己主动去解决问题，并在试验中总结解决方法，学会去分析问题出现的原因，以及应该从哪个部分去解决。

本次试验能够成功也体现了我们团队的协作能力，大家都很积极的参与，这减少了不必要的错误，同时加快了设计完成的时间，同样要感谢老师的指导和帮助，是我们能顺利完成课程设计。

总体来说，通过这次课程设计学习，让我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用绘图软件的使用，在平时的理论学习中遇到的问题都一一解决，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。

同时，让我明白：

这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解，才会有收获。

7.致谢

感谢老师对我们的耐心指导与帮助，以及同学们的热心帮助，在此过程中老师为我们的课程设计提出了很多宝贵的意见和建议并且在实现操作上给我们了很多的建议，感谢系上为我们提供良好的实验环境，使我们的课程设计得以顺利的开展、改进，进而最终促使我完成了课程设计任务。

此外还要感谢班里同学，他们给我们提供了许多有用的资料以及见解供我们参考，谢谢你们！

参考文献

[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础.四版.北京：

高等教育出版社，2006.

[2]阎石.数字电子技术基础.五版.北京：

高等教育出版社，2006.

[3]何碧华.数字电子技术实验指导书.电工电子实验指导中心，2009.

[4]《电子技术基础（课程技术资料）》.陕西理工学院电信工程系编

[5]《电子元器件应用手册》.人民邮电出版.

[6]李中发主编数字电子计时第一版,中国水利水电出版社，2001.

[7]章忠全主编电子技术基础实验与课程设计第一版,北京：

中国电力出版社，1997.

[8]华中理工大学电子教研室编康华光主编;电子技术基础（数字部分）.北京：

高等教育出版社，2000.

[9]清华大学电子学教研室编，余孟尝主编，数字电子技术基础简明教程第二版.北京：

高等教育出版社，1999.

[10]西安交通大学电子学教研室编何金茂主编电子技术基础实验.第二版.北京：

高等教育出版社,1991.

[11]长安大学信息工程学院电工及电子技术试验中心编。

电子及电子技术试验2003，第一版.

[12]《集成电路音响放大器》徐治邦编著新时代出版社1984.1

[13]《基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真》周润景，张丽娜.编著北京航空航天大学出版社2006.05.01.

[14]《实用电路300例》武义伟，汪河编著电子工业出版社1983.9.

[15]《实用电路手册.杨宝清编著机械工业出版社1985.6.

[16]《高稳定度电源》.倪本来编著人民邮电出版社1982.12.

[17]《模拟集成电路设计》（加）DavidA.Johns＆KenMartin著.（曾朝阳赵阳方顺等译）机械工业出版社2005.11.

[18]《新编线性直流稳压电源》王增福，李昶，魏永明.编著电子工业出版社2004.11.

附录

附录A.元器件管脚图及功能

1）W7812、W7805、7912管脚图

.

图A1图A2

图A3

将正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右三却分别是123脚。

它们的1、2脚是电压输入端，1接电源正，2接地。

它们的2、3脚为电压输出端，3接电源输出，2接地。

78xx系列稳压器的最大输出电流为1.5A，最大输入电压为40V。

2）LM324的管脚图：

LM324是四运放集成电路，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。

它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。

它采用14脚双列，它的内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上图左所示的符号来表示，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相位相反；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。

V-也可接地，即LM324可以单电源工作。

（3）555定时器

1——地GND5——控制电压

2——触发6——门限（阈值）

3——输出7——放电

4——复位8——电源电压Vcc

555定时器的电路如图所示。

它由三个阻值为5kΩ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、放电晶体管T、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

，加在同相端；C2的参考电压为

，加在反相端。

是复位输入端。

当=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。

正常工作时，

=1。

u11和u12分别为6端和2端的输入电压。

当u11>

，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<

，u12>

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

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

555

3

8

蜂鸣器

2

9

电解电容

1

1000μF

10

电容

1

100μF

11

电容

1

0.33μF

12

电容

1

0.22μF

13

电容

3

10μF

14

电容

2

0.1μF

15

电容

1

1nF

16

电阻

3

50KΩ

17

电阻

3

10KΩ

18

电阻

2

3KΩ

19

电位器

1

1KΩ

20

电位器

1

2KΩ

21

电位器

1

1KΩ

22

电源插头

1

23

导线

若干

24

电阻

1

100KΩ

25

电阻

5

1KΩ

附录C.总体电路图