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、电路参数分析计算和选择；
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、电路参数分析计算和选择；
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和应用，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，和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，滤波电路和稳压电路组成，可稳定输出+5V和-5V，+12V和-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
目录
1温度报警器的设计1
1.1温度报警器的设计方案1
1.2热敏电阻传感电路的设计1
1.3放大电路的设计2
1.4比较电路和报警电路的设计2
2直流稳压电源的设计4
2.1设计方案和原理4
2.2电源模块的设计4
2.3直流稳压电路整体图6
2.4元器件选择及计算6
3电路的仿真（Multisim）8
4实物测试与调试10
5设计总结与体会14
参考文献15
致谢16
附录17
附录A直流稳压电源原理图17
附录B温度报警器原理图18
附录C直流稳压电源pcb图19
附录D温度报警器的PCb图20
附录E直流稳压电源和温度报警器实物图21
附录F直流稳压电源元件清单22
附录G温度报警器的元件清单22
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
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，是为了得到输出为毫伏级的电压；R1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比较电路和报警电路的设计
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比较电路和报警电路
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和-5v，用两个运放供电电压为+12v和-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设计方案和原理
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和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和±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，稳压电路的功能是使输出直流电压基本保持，不受电网电压波动和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
根据方案和原理：
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和+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）滤波电路和稳压电路：
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，不随交流电网电压和负载的变化而变化，电路图如图8所示。
图8滤波和稳压电路图
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，和-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（是为了防自激）。
4）整流桥和稳压管的选择
稳压管正向输出选择LM7812和LM7805系列，反向输出选择LM7912和LM7905系列，因为三端固定式集成稳压管W7812和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）
+12v直流电压输出
-12v直流电压输出
图10±12v直流稳压源仿真输出电压波形图
-5v直流电压输出
+5v直流电压输出
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，了解和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看是否报警，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，最后在老师和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，要感谢伍麟珺老师和同学，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，老师和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和道理，相信在我们以后的工作和生活中都会受用，借此机会向老师和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直流稳压电源和温度报警器实物图
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
升级会员 