电子信息系统综合设计.docx
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电子信息系统综合设计
温度检测报警电路设计及实现
第一章设计要求
§1.1课程设计要求
1、设计任务和要求
①检测温度范围为0º~100º，采用箔电阻、精密电阻及电位器组成测量电桥作为温度传感器；
②可设定报警温度上限值0º~100º，我们选的是超过60摄氏度的时候报警；
③ 当检测温度超过设定上限值时，发出蜂鸣器报警声，要求报警声喃喃间断发声，频率约1Hz；
2、任务分配：
将该温度检测系统分为五个模块，由五个人分别完成一个独立模块。
第二章系统组成及工作原理
§2.1温度采集和放大
首先，通过温度传感器（PT100,I<35MA）将温度模拟信号转化成一定的电信号，由于这个信号是一个相对较小和变化相对缓慢的信号，此时就需要一个对该信号放大的电路，考虑到有一定的干扰信号，而又要避免对干扰信号的放大，所以我们将采取差分放大电路，通过理伦计算当温度100的时候，对应的电信号最大，约等于0.15，所以我们的差分放大倍数在30-100内可调节。
§2.2信号的过滤
信号采集和放大处理好了，我们知道任何一个信号的采集都会夹杂着一些干扰信号，所以这个时候要对这个信号进行过滤了，而我们需要的信号是一个变化很缓慢的信号，所以我们选择2阶低通滤波器，上限频率约为100HZ，根据fh=1/2piRC，于是我们取R=5.1k，C=0.33uF.
§2.3信号的控制
如图所示我们用到的是最普通的比较器，通过设定相应的阈值（0-5.6V可调），然后与采集到的信号做比较，当大于设置的信号时输出低电平，当小于设置的信号输出高电平。
其中跟随器是输出电压稳定，增加带负载的能力。
§2.4蜂鸣器的驱动
根据设计要求当超过一定的温度时蜂鸣器要以1HZ的频率响，因此我们选了一个周期为1秒的方波振荡器，根据公式我们选R3=1.39M，C=0.33uF.当温度超过设定的温度时，比较器输出低电平，有方波产生，蜂鸣器响，反之不响。
第三章信号的采集及报警电路的设计
方案一：
1.电路图
图3-2方案一原理图
2.参数的选择
由上图可知PT100的在100-200之间变化，而通过PT100的电流不能大于35MA，所以我们选1K的电阻来限流。
3.工作原理和调试方法
（1）、调试方法：
当温度是0摄氏度的时候，调节200欧姆电位器，使从1、2出来的电压差为0，并保持这个阻值不变。
（2）、工作原理：
随着温度升高，pt100的阻值也会随着温度的升高而增大，根据分压原理，从1出来的电势势必会比1处高，形成一定的压差，这样就把温度信号转化了电信号了。
方案二：
1.电路图
图3-3方案二原理图
2.参数的选择
选取电阻R1为200欧姆，输入的信号为直流电源5伏。
3.工作原理
当外界温度改变的时候，PT100的阻值R也会随着改变，根据U0=-5R/R1可知此时输出的电压也随着温度的变化而发生了变化，这样就把变化的温度转化了可变的电压。
方案的比较和选择
1.方案一
（1）、PT100总会存在一定的误差，理论上0摄氏度的是对应的阻值是100欧姆，而实际上是有误差的，我们在边上加一个可调电阻可以通过调节减少这个误差。
（2）、电路只有电阻组成因此造价便宜。
而且又能很好的实现电路的效果。
2.方案二
（1）、外围电阻的构造简单，直观而且不需要进行任何调试就能实现一定的效果。
（2）、由于运放会因为输出电压过大而工作在非线性区，所以检测温度的范围比较小，同时方案二不能像方案一通过可调电阻去减少误差，所以最后的误差会大于方案一的误差。
（3）、通过比较我们最终选择了方案一。
§3.2蜂鸣器驱动模块
1.设计原因
该系统是温度检测报警系统，当温度超过某个温度时，要通过一定去告知人们现在处于超温状态，所以我们通过去驱动蜂鸣器发出报警的声音来告知人们。
2.设计原理
当运放的反相端输入高电平，由于这是个比较器电路因此输出的是就是低电平，这个时候（温度没有超过设定的温度），三极管工作在截止区，蜂鸣器不会响，当反相端输入的是低电平，输出高电平，通过给电容充电，然后放电产生方波，这个时候在半个周期工作在截止，在另外半个周期工作在饱和，从而控制了蜂鸣器以1HZ的频率报警。
3.参数的选择
如上面的仿真电路图1.3，产生的方波，周期接近一秒，根据公式T=2R3Cln（1+R2/R1）,所以我们选择了R1=R2=10K,C=0.33UF,R3=1.39M。
如图1.4蜂鸣器的驱动部分，其中二极管是防止基电极和射极电压过高的，我们选了放大倍数为100倍的三极管9013，电阻选10k都是为让三极管不在截止状态时工作在饱和区。
4.芯片资料
LM324是常见的一种常见的集成运算放大器，它具有14个管脚，其引脚图见图3-2，具体相关介绍见附录2。
图3-4LM324管脚图
实验中的电路如图3-5所示
图3-5蜂鸣器报警电路图
5.报警模块元器件清单
序号
名称
数量
规格
1
电阻
3
10kΩ
2
电阻
1
1MΩ
3
电阻
1
390KΩ
4
电容
1
0.33UF
5
运算放大器
1
LM324
6
三极管
1
IN9013
7
蜂鸣器
1
8
二极管
1
IN4007
6.仿真模块
图3-5仿真
第四章电路及系统调试
4.1组装调试
为了验证实验系统的合理性和可行性,需要对系统进行组装调试。
本次课设五人一组，各尽其能，分了五个模块，有直流电源电路，温度检测放大电路，滤波电路，控制比较电路和蜂鸣器驱动报警电路。
大家一起合作完成了五个模块的组装调试，最后一起进行了整个系统的调试。
调试仪器：
主要用到的是万用表。
1:
温度转换电路
两个1K电阻，两个电位器，组成分压电路，首先调到两边电压相等，让后改变一边电位器阻值，使产生电压差，来代替温度变化。
使温度变化转换成电信号。
2.温度检测放大电路的装调
选用一个PT100，两个1kΩ电阻和一个200Ω电位器组成测量电桥作为温度传感器；选用一个LM324中的三个集成运放，两个1kΩ、两个390Ω、两个20kΩ电阻和1个10kΩ电位器组成放大电路。
问题组装过程中由于LM324管脚多，易于弄错，有接错管脚的现象发生。
故障排除仔细核对检查各管脚所对应的集运放和输出电路，并用万用表测试其输入和输出电压。
最后，通过改变电位器数值至最大阻值10kΩ，经万用表的测量，放大倍数约为60。
3.滤波电路的装调
选用两个5.1kΩ、一个1kΩ电阻，两个0.33μF电容和一个LM324中的一个集成运放，组成一个二阶低通滤波电路。
滤波电路起到对信号过滤作用，其所用元器件较少且电路连接较为简单，基本上没什么问题。
4.控制比较电路的装调
选用一个510Ω、一个1kΩ电阻，LM324中的两个集成运放，一个10kΩ电位器，一个5.6V稳压管和一个发光二极管，接好比较电路。
这部分电路连接也较为简单。
最后，通过改变放大电路中10kΩ的电位器阻值，并用万用表测得电压跟随器的输出电压在0~5.6V变化；通过改变与比较器相连接的10kΩ电位器阻值，控制电压值来控制报警温度。
5.驱动报警电路的装调
选用三个10kΩ、一个1MΩ、1个390kΩ电阻，一个0.33μF电容，LM324中的一个集运放，一个IN4007二极管，一个IN9013三极管和一个蜂鸣器，连接好驱动蜂鸣器电路。
问题连接上比较麻烦，管脚易接错。
故障排除通过个管脚接线的标示明朗化，使得各个管脚所对应的连线明确。
由于这是系统的最后一个部分，也可以通过对整个电路的调试来发现其问题所在，同样可以对其它部分加以检验。
4.2总系统调试
在各个部分都连接完成后，进行整个系统的调试工作。
问题1整个系统共地连接时，有一处疏忽使得系统不能正常工作。
故障排除仔细查看电路板并用万用表对各处电压进行校验，发现一处需要接地的地方未接地。
将该处接上地，使得系统工作正常，这处遗漏的接地花费了不少时间发现。
图4-1系统电路图
实验现象：
当从R1和R2出来的电压相同时，此时无电压差，等效于无温度变化。
此时运放输入电压小于稳压电压，运放反向输出高电平，使二极管正向导通，二极管亮。
三极管工作在截止区，蜂鸣器不会响。
反之改变电位器2，使从R1和R2出来处产生压差，此时运放负端输入电压大于稳压电压，经反向输出低电平，二极管不亮，三极管正常工作，电容充放电，产生方波，这个时候在半个周期工作在截止，在另外半个周期工作在饱和，从而控制了蜂鸣器以1HZ的频率报警。
参考文献
[1]华成英.模拟电子技术基本教程.北京:
清华大学出版社,2006
[2]邱关源,罗先觉.电路.5版.北京:
高等教育出版社,2006
[3]邓谦,刘清平,张琦,黄丽贞.电子技术实践2－《低频电子线路》实验指导书.南昌:
南昌航空大学信息工程学院电子实验实践中心（自编）,2010
附1元器件清单：
序号
名称
规格
数量
1
电阻
1MΩ
1
2
电阻
390kΩ
1
3
电阻
20kΩ
2
4
电阻
10kΩ
4
5
电阻
1kΩ
6
6
电阻
510Ω
1
7
电位器
10kΩ
2
8
电位器
200Ω
1
9
电容
1000μF
2
10
电容
100μF
2
11
电容
0.33μF
5
12
电容
0.1μF
1
13
二极管
IN4007
1
14
稳压二极管
5.6V
1
15
发光二极管
2
16
三极管
IN9013
1
17
桥堆
IN4007
1
18
稳压芯片
LM7812
1
19
稳压芯片
LM7912
1
20
稳压芯片
LM7805
1
21
温度传感器
PT100
1
22
运算放大器
LM324
2
23
变压器
1
24
蜂鸣器
1
25
万用板
2
附2部分元件介绍：
1.lm324简介：
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1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的引脚排列见图3-4。
2.参数描述：
运放类型
低功率
放大器数目
4
带宽
1.2MHz
针脚数
14
工作温度范围
0°Cto+70°C
电源电压最大
32V
电源电压最小
3V
型号
324
低偏置电流
最大100nA
输入偏移电压
最大7mV
额定电源电压
+15V
变化斜率
0.5V/μs
3.78系列集成稳压芯片（输出为固定电压值）
附3整体电路图：
附图3-1直流电源电路
附图3-1温度检测报警电路
电路板焊接：
班级：
12信本
学号：
123621069
123621063123121024
123621070
姓名：
左孝念刘玉佩杨仙李盼
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