溫度報(bào)警器設(shè)計(jì)

溫度報(bào)警器設(shè)計(jì)第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六前言綜合電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐是集電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及電路實(shí)驗(yàn)、模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)等課程之后的一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)性課程。它的開展是為了提高和增強(qiáng)學(xué)生對電子技術(shù)知識的綜合分析與應(yīng)用能力。這對于提高學(xué)生的電子工程素質(zhì)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ浅Ｖ匾请娮蛹夹g(shù)人才培養(yǎng)成長的必由支路。這次課題的設(shè)計(jì)任務(wù)要求是完成一個(gè)溫度報(bào)警器的制作，并實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度高于30℃時(shí)發(fā)出雙音報(bào)警，溫度低于10℃時(shí)發(fā)出單音報(bào)警的功能要求。本設(shè)計(jì)中充分展示了模擬電子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用放大電路、窗口比較器進(jìn)行溫度的判定，再結(jié)合數(shù)字電子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，充分利用單元電路的功能來實(shí)現(xiàn)報(bào)警，將模電、數(shù)電緊密結(jié)合，綜合應(yīng)用，不但對知識有了更進(jìn)一步的掌握，也極大地提高了動(dòng)手能力，并讓學(xué)生對于實(shí)際電子產(chǎn)業(yè)有了初步的認(rèn)識，對于以后的就業(yè)打下一定的基礎(chǔ)。第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六一、任務(wù)和要求1、用壓電陶瓷蜂鳴器作為電聲原件；2、當(dāng)溫度在10℃至30℃范圍內(nèi)（允許誤差±1℃）時(shí)報(bào)警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過這個(gè)范圍時(shí)，報(bào)警器發(fā)出聲響，并根據(jù)不同音調(diào)區(qū)分溫度的高低。即：⑴當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，報(bào)警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀---嘟”聲響。⑵當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，報(bào)警器發(fā)出單頻率聲響。3、溫度傳感器輸出電壓可由直流信號源模擬，以0℃為0mV，溫度每上升1℃，遞增2mV。4、設(shè)計(jì)并制作本電路所用直流電源。第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六二、設(shè)計(jì)方案及思路1.1整體電路構(gòu)思本次溫度報(bào)警電路的設(shè)計(jì)我們用壓電陶瓷蜂鳴器作為報(bào)警電路的電聲元件，通過電壓的變化來模擬溫度的高低，以0℃為0mV，溫度每上升1℃，遞增2mV；由于變化的電壓值較小，所以我們采用放大電路對其進(jìn)行放大100倍，然后通過后級比較電路對電壓進(jìn)行比較，當(dāng)溫度在10℃至30℃范圍內(nèi)（允許誤差±1℃）即電壓在20mV至60mV時(shí)報(bào)警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過這個(gè)范圍時(shí)，即當(dāng)接收到的輸入電壓（前級放大器的輸出）小于2V（10℃時(shí)放大器的輸出為2V）或者大于6V時(shí)（30℃時(shí)放大器的輸出為6V），輸出高電平以驅(qū)動(dòng)后級的發(fā)生報(bào)警電路，報(bào)警器發(fā)出聲響，并根據(jù)不同音調(diào)區(qū)分溫度的高低，即當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，報(bào)警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀---嘟”聲響；當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，報(bào)警器發(fā)出單音頻率聲響。電路所需的直流電壓由5V和12V直流電源提供。第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六二、設(shè)計(jì)框圖第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)整體構(gòu)思，說設(shè)計(jì)電路分為四個(gè)模塊：直流電源、信號放大電路、比較電路和報(bào)警電路。其中直流電源由變壓器、整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓器組成；放大器的設(shè)計(jì)采用集成運(yùn)放放大；比較器采用窗口比較器，通過電壓的變化可以模擬實(shí)現(xiàn)高溫低溫的變化；報(bào)警電路有單雙頻之分，選用555定時(shí)器件做成多諧振蕩器，以分別實(shí)現(xiàn)單雙頻報(bào)警。第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六

三、單元電路設(shè)計(jì)1、直流電源電路設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓5V、12V電源的設(shè)計(jì)，輸入交流電220V（峰值312V），50Hz。穩(wěn)定直流電源設(shè)計(jì)的一般思路是讓輸入交流電壓220V（峰值312V）50Hz先通過變壓器（降壓到合適的數(shù)值，如16V），再通過整流電路（將正弦波交流電壓轉(zhuǎn)換為直流脈動(dòng)電壓，即交直流成分均有），然后經(jīng)過濾波電路（減小電壓的脈動(dòng)），最后經(jīng)過穩(wěn)壓電路（使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻的影響）。采用整流橋?qū)崿F(xiàn)整流的目的，以2200uF的大電解電容作為濾波電路，采用固定式三端集成穩(wěn)壓器7805、7812來穩(wěn)定輸出電壓。如下圖所示，220V（峰值311V）50Hz交流電經(jīng)變壓器220:16輸出兩組獨(dú)立的16V交流電，經(jīng)整流橋、大電容濾波后分別經(jīng)過集成穩(wěn)壓塊7812和7805作用得到+12V、+5V的直流輸出電壓。穩(wěn)壓電源組成框圖如圖1所示：第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六W7805、W7812管腳圖第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六

2.2、放大和比較電路的設(shè)計(jì)

1.放大電路放大電路圖：此電路是同相比例運(yùn)算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。根據(jù)反饋放大電路工作在深度負(fù)反饋的狀態(tài)下：Uid≈0URV1=UR2UR2=(Uo／(R3+R2))×R2Uo=(1+R3∕R2)URV1電路放大倍數(shù)為：A=(1+R3∕R2)第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六LM324的管腳圖第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六LM324是四運(yùn)放集成電路，LM324工作電壓范圍寬，可用電源3V～30V，或正負(fù)雙電源±1.5V～±15V工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為0～VCC。它采用14腳雙列，它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。每一組運(yùn)算放大器可用上圖左示的符號來表示。第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六R1處加一個(gè)+12V的直流電壓（即7812的輸出端），通過滑動(dòng)電位器RV1來改變放大器的輸入電壓URV1.。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求（當(dāng)溫度在10℃至30℃范圍內(nèi)且允許誤差±1℃）時(shí)報(bào)警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過這個(gè)范圍時(shí)，報(bào)警器發(fā)出聲響。以0℃為0mV，溫度每上升1℃，遞增2mV，即低于20mV報(bào)警（單頻），20mV—60mV不報(bào)警，高于60mV報(bào)警（雙頻）。URV1經(jīng)過LM324放大100倍后，就變?yōu)?—1.9V報(bào)警（單頻），2V—6V不報(bào)警,大于6v報(bào)警（雙頻）。再經(jīng)過窗口比較器。注意事項(xiàng)：R1與RV1要取合適的值，RV1應(yīng)盡量小點(diǎn)，以提高電路的靈敏度。第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六

2.3窗口比較器電路窗口比較器電路圖：第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六由LM324中的兩個(gè)運(yùn)放組成1個(gè)窗口比較器，以12V為電源電壓，通過調(diào)節(jié)電位器RV2、RV3來確定窗口比較器的兩個(gè)基準(zhǔn)電壓，使分別為2V、6V，調(diào)節(jié)好后使其穩(wěn)定不再變化。放大器的輸出電壓UO與兩個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，若UO小于2V，則B運(yùn)放輸出為高電平，輸出端接一個(gè)保護(hù)電阻經(jīng)過D1(5V穩(wěn)壓管)使輸出電壓穩(wěn)定在5V；若UO在2V與6V之間，則運(yùn)放B與C輸出都為低電平，即電壓為0；若UO大于6V，則運(yùn)放C輸出為高電平，輸出端接一個(gè)保護(hù)電阻經(jīng)過D2（5V穩(wěn)壓管）使輸出電壓穩(wěn)定在5V。第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六2.4、溫度報(bào)警電路

注意事項(xiàng)：穩(wěn)壓管D1、D2的作用是穩(wěn)定窗口比較器的輸出電壓，但前提是窗口比較器的輸出電壓必須大于穩(wěn)壓管D1、D2的穩(wěn)壓值。運(yùn)放輸出端所加保護(hù)電阻不應(yīng)過大，否則穩(wěn)壓管將不起作用。根據(jù)任務(wù)與要求，要有兩種不同的報(bào)警聲音，因此我們設(shè)計(jì)兩種報(bào)警電路，單頻報(bào)警和雙頻報(bào)警電路。音頻報(bào)警電路的制作可以用555和電阻、電容組成，我們選用555集成定時(shí)器來制作多諧振蕩器從而做出音頻電路。多諧振蕩器是在Vc大于Vt-時(shí)充電，小于Vt+時(shí)放電。第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六555的管腳圖第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六555定時(shí)器的電路如上圖所示。它由三個(gè)阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電管V1、與非門和反相器組成。分壓器為兩個(gè)電壓比較器C1、C2提供參考電壓。如5端懸空，則比較器C1的參考電壓為2/3Ucc，加在同相端；C2的參考電壓為1/3Ucc,加在反相端。Rd’是復(fù)位端，當(dāng)Rd’=0時(shí)，基本RS觸發(fā)器被置0，晶體管V1導(dǎo)通，輸出端UO為低電平。正常工作時(shí)，Rd’=1。設(shè)U11和U12分別為6端和2端的輸入電壓。當(dāng)U11>2/3Ucc,U12<1/3Ucc時(shí)，C1輸出為低電平，C2輸出為高電平，即Rd’=0,Sd’=1,基本RS觸發(fā)器被置0，晶體管V1導(dǎo)通，輸出端UO為低電平。第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)U11<2/3Ucc，U12<1/3Ucc時(shí)，C1輸出為高電平，C2輸出為低電平,Rd’=1,Sd’=0,基本RS觸發(fā)器被置1，晶體管截止，輸出端U0為高電平。當(dāng)U11<2/3Ucc,U12>2/3Ucc時(shí)，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。綜上所述，可得555定時(shí)器功能如表所示。第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六555應(yīng)用電路分類第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六555多諧振電路相關(guān)參數(shù)計(jì)算用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)自由多諧振蕩器要求振蕩周期T=1~10S，選擇電阻、電容參數(shù)，并畫出連線圖。最小振蕩周期要求振蕩周期T=1~10S，選擇電阻、電容參數(shù)，并畫出連線圖。解電路如圖9-4所示，其振蕩周期C)RR(.T21270+=。如果選擇R1min=R2=3.9kΩ,C=100uF.則T=0.7(R1+R2)C=0.7×(3.9+R+2×3.9)×100=1~10S最小振蕩周期：Tmin=0.7×(3.9+2×3.9)×100=819ms第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六1、低溫報(bào)警電路第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六此電路中4端口接窗口比較器的D1穩(wěn)壓輸出，4端口為一個(gè)復(fù)位端，當(dāng)D1為高電平（溫度低于10℃即放大電路輸出電壓小于2V）時(shí)，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出單頻聲音報(bào)警。充放電時(shí)間為τ=RC充電時(shí)間為

T1=(R4+R5)·C4·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))放電時(shí)間為

T2=R4·C4·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))

此振蕩電路的振蕩周期為T=T1+T2=(R5+2R4)·C4·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))=(R5+2R4)·C4·㏑2

占空比：

q=T1/T=(R4+R5)／（R5+2R4）第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六2、高溫報(bào)警電路第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六高溫報(bào)警采用雙頻報(bào)警，該部分用到了兩片555定時(shí)器。U5的作用是控制高低音的持續(xù)時(shí)間，高電平持續(xù)時(shí)間即為電容C的充電時(shí)間，低電平持續(xù)時(shí)間即為電容C的放電時(shí)間；U6的作用是將高音與低音轉(zhuǎn)換成合成頻率輸出。對于U5振蕩電路的充電時(shí)間為：T1=(R7+R8)·C5·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))放電時(shí)間為：

T2=R8·C5·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))占空比為：q=T1/T=(R7+R8)/(R7+2R8)第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六當(dāng)U5輸出為高電平時(shí)對于U6振蕩電路的振蕩頻率為：設(shè)閾值電壓為VT1+、VT1-根據(jù)555的內(nèi)部電路有：C6的充電閾值為：放電閾值為：充電電路為：第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六根據(jù)電路列寫UC（t）的表達(dá)式：充電時(shí)間為TH：放電時(shí)間為TL：則振蕩周期TO為：第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六低音頻率為：

當(dāng)U5輸出低電平時(shí)對于U6的振蕩頻率為：設(shè)C6的閾值為VT2+、VT2-則第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六高音振蕩頻率為：fH=1/T根據(jù)參數(shù)、計(jì)算公式可得，雙頻的高低音持續(xù)時(shí)間以及高低音頻率只與和555外部連接的電容C和電阻R有關(guān)，因此我們可以通過改變555外部電路的電容和電阻的大小來控制多諧振蕩電路的振蕩周期，從而控制蜂鳴器發(fā)出聲音的高低和頻率。U6的4端接D2端穩(wěn)壓輸出電壓，當(dāng)D2為高電平（溫度高于300C即放大電路輸出電壓大于6V）時(shí)，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出“嘀---嘟”的雙頻聲音報(bào)警。第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六三、電路仿真分析3.1仿真軟件簡介本次電路仿真用的是Protues軟件，Protues軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Protues軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能時(shí)：（1）原理布圖（2）PCB自動(dòng)或人工布線（3）SPICE電路仿真革命性的特點(diǎn)（1）互動(dòng)的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如RAM,ROM,鍵盤，馬達(dá)，LED,LCD,AD/DA,部分SPI部件，部分IIC器件。（2）仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。3.2電路仿真通過用Protues軟件進(jìn)行仿真，將各個(gè)模塊連接好后進(jìn)行仿真。電路圖如下：第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六

仿真結(jié)果：當(dāng)溫度低于10℃時(shí)發(fā)出單頻報(bào)警輸出波形如下：

當(dāng)溫度高于30℃是發(fā)出雙頻報(bào)警輸出波形如下:第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六四、電路的裝調(diào)和分析本次課設(shè)四人一組，各盡其能，我們分了四個(gè)模塊，有直流電源電路，放大電路，窗口比較器，單蜂鳴器報(bào)警電路以及雙蜂鳴器報(bào)警電路。大家一起完成了四個(gè)模塊的電路裝調(diào)。4.1電源的裝調(diào)選用22V~16V的變壓器，一個(gè)LM7812，一個(gè)LM7805,220uF電解電容一個(gè)，小電容若干個(gè)，接好電源電路。在接電源的過程中遇到了如下問題：用萬用表測量從LM7812輸出的電壓值沒有達(dá)到12V。故障排除：經(jīng)過仔細(xì)的檢查發(fā)現(xiàn)電路接通后LM7812發(fā)熱，最后判斷該三端穩(wěn)壓器是壞的，不能使用。更換LM7812后正常。第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期六4.2放大和比較電路的裝調(diào)選用1個(gè)LM324中的3個(gè)運(yùn)放，1個(gè)1k、2個(gè)10k，2個(gè)100k的電阻，還有三個(gè)10k的可調(diào)電位器，2個(gè)5V穩(wěn)壓二極管。在這部分電路的裝調(diào)過程中遇到如下問題：問題1：接通電源后改變電位器比較輸出電壓無變化。故障排除：仔細(xì)檢查電路發(fā)現(xiàn)由于面包板插孔密集而使一條導(dǎo)線沒能聯(lián)通，調(diào)整后輸出正常。問題2：當(dāng)改變電位器時(shí)比較輸出高低電平不穩(wěn)定。故障排除：由于電位器自身電阻的不穩(wěn)定性和面包板插孔導(dǎo)線接觸不良導(dǎo)致。問題3：輸出端穩(wěn)壓輸出電壓沒有高電平。故障排除：經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)輸出端穩(wěn)壓管前端所接保護(hù)電阻阻值太大而導(dǎo)致其分壓較多，所以穩(wěn)壓管沒有起到穩(wěn)壓作用