超温报警器模拟设计.docx

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超温报警器模拟设计

超温报警器模拟设计

课程设计

课题:

超温报警电路设计

姓名:

张帅学号:

2009100350专业:

09自动化指导教师:

曾瑄

南昌工程学院

二?

一一年?

九月一四日

一、前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3二、任务分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4三、设计原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

3.1超温报警电器原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

3.2文字说明原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4四、各元器件的概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

4.1LM324芯片„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

„„„„„„„„„„„„„„„54.1.1LM324各结构介绍及原理

4.1.2LM324各参数介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

4.2热敏电阻„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

4.2.1热敏电阻的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„6

4.2.2热敏电阻的技术参数„„„„„„„„„„„„„„„„„6

4.3555振荡器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

4.3.1555振荡器结构介绍„„„„„„„„„„„„„„„„7

4.3.2555振荡器工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„8

4.4CD4511芯片„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

4.4.1CD4511结构介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

4.4.2CD4511工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

4.5发光二极管的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„12五、结语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13六、参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

超温报警电路

——罗磊（2009100347）

【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、电话自动类报警、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，在规定温度内正常工作，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。

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。

在电子课程设计中的主要思想:

1、达到课程要求;2、尽量应用所学知识。

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。

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。

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。

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集成电路内部各级比较器，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。

二、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。

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，R3、R4与R9、R10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范围内，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+

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?

脚输出经K21-1传递给IC3、IC2为振荡器，其振荡器频率由R12、R13、C6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，则IC3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R8、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”

四、各元器件的概况

4.1LM324芯片

4.1.1LM324各结构介绍及原理

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

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。

4.1.2LM324各参数介绍

LED的光学参数中重要的几个方面就是:

光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。

1发光效率和光通量

发光效率就是光通量与电功率之比。

发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。

2发光强度和光强分布

LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，由于LED在不同的空间角度光强相差很多，随之而来我们研究了LED的光强分布特性。

这个参数实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。

比如体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。

而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。

3波长

对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。

因为在许多场合下，比如交通信号灯对颜色就要求比较严格，不过据观察现在我国的一些LED信号灯中绿色发蓝，红色的为深红，从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。

4.2热敏电阻

4.2.1热敏电阻的工作原理

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一般可以用以下的近似关系式表示，即

Rt=Rt0[1+α（t-t0）]

式中，Rt为温度t时的阻值;Rt0为温度t0（通常t0=0?

）时对应电阻值;α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。

4.2.2热敏电阻的技术参数

1、零功率电阻

指在某一温度下测量PTC热敏电阻值时，加在PTC热敏电阻上的功耗极低，低到因其功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可以忽略不计。

额定零功率电阻指环境温度25?

条件下测得的零功率电阻值。

2、居里温度Tc

对于PTC热敏电阻的应用来说，电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的，我们将其定义为居里温度。

居里温度对应的PTC热敏电阻的电阻RTc=2*Rmin。

3、温度系数α

PTC热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化。

温度系数越大，PTC热敏电阻对温度变化的反应越灵敏。

α=（lgR2-lgR1）/lge（T2-T1）4、额定电压VN

额定电压是在最大工作电压Vmax以下的供电电压。

通常Vmax=VN+15%5、击穿电压VD

击穿电压是指PTC热敏电阻最高的电压承受能力。

PTC热敏电阻在击穿电压以上时将会击穿失效。

6、表面温度Tsurf

表面温度Tsurf是指当PTC热敏电阻在规定的电压下并且与周围环境间处于热平衡状态已达较长时间时，PTC热敏电阻表面的温度。

7、动作电流Ik

流过PTC热敏电阻的电流，足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度，这样的电流称为动作电流。

动作电流的最小值称为最小动作电流。

8、不动作电流INk

流过PTC热敏电阻的电流，不足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度，这样的电流称为不动作电流。

不动作电流的最大值称为最大不动作电流。

9、耗散系数H

指热敏电阻温度变化1?

所耗散的功率。

其大小与热敏电阻的结构、形状以及所处介质的种类、状态有关。

4.3555振荡器

4.3.1555振荡器结构介绍

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图，及管脚排列如图所示。

K,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5

2的等值电阻串联而成。

分压器为比较器、A提供参考电压，比较器的参考电压为，AAV121cc3

1加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同AV2cc3

、组成。

高电平触发信号加在的反相输入端，与同相输入端的参考电压的集成运放AAA121

_

比较后，其结果作为基本R--S触发器端的输入信号;低电平触发信号加在的同相输ARD2

_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触发器端的输入信号。

SD基本R--S触发器的输出状态受比较器、的输出端控制AA12

4.3.2555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12作波如图所示。

设电容的初始电压,,，t,,时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触Uc

_1发端,,,<,，比较器,输出为高电平，,输出为低电平，即，VVR,1,,1,DTHTL3

__

（1表示高电位，0表示低电位），触发器置,，定时器输出此时，u,1Q,0S,0RS,D0定时器内部放电三极管截止，电源经，R向电容,充电，逐渐升高。

当上升到VRuucc12cc

__1时，A输出由,翻转为,，这时，触发顺保持状态不变。

所以0

期间，定时器输出为高电平,。

u0

__2tt,时刻，u上升到，比较器A的输出由,变为,，这时，，VS,1R,0RS,D1c1ccD3

触发器复,，定时器输出。

u,00

_

期间，，放电三极管,导通，电容,通过放电。

按指数规律下降，Rttt,,uQ,1122c

__2当时比较器输出由,变为,，,,,触发器的，,的状态不变，u,AVS,1R,Dc1ccD3

的状态仍为低电平。

u0

_1时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R---S触发器的1，Att,uVR,D2ccc23

_

0，触发器处于1，定时器输出。

此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。

u,1S,0D

通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不u,1u,00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，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。

4.4CD4511芯片

4.4.1CD4511结构介绍

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CMOS电路能提供较大的拉电流。

可直接驱动LED显示器。

CD4511是一片CMOSBCD—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300Ω的限流电阻。

用CD4511实现LED与单片机的并行接口方法如上图所示

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。

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

4.4.2CD4511工作原理

（1）.CD4511的工作真值表如表3-2

（2）.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“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

（3）.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B、C进行组合，得出、、、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。

（4）.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==（C+B）D+BI。

如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D

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。

输入输出

LEBILIDCBAabcdefg显示

XX0XXXX11111118

X01XXXX0000000消隐

011000011111100

011000101100001

011001011011012

011001111110013

011010001100114

011010110110115

011011000111116

011011111100007

011100011111118

011100111100119

01110100000000消隐

01110110000000消隐

01111000000000消隐

01111010000000消隐

01111100000000消隐

0111111000000消隐

111XXXX锁存锁存

表3-2CD4511的真值表

4.5发光二极管的工作原理

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?

-?

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。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数um以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度,g有关，即λ?

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

课程设计需要的是活学活用所涉及的知识。

在两周与小组同学的交流中，我认识到合作的重要性。

在本次的课程设计中通过自己选题，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。

在让我体会到设计电路艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。

这次设计所用的的工具是Proteus7,由于我们正在学习这种软件，所以画图和仿真就比较方便，使设计的质量得到了保证。

本次课程设计提高了我的综合动手能力和工程设计能力，它使我的理论知识得到了综合应用，培养我综合运用所学理论的能力和解决较复杂的实际问题的能力。

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的理解，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