温度报警器说明书 终极版.docx
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温度报警器说明书终极版
模拟电子技术课程设计说明书
题目
院、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
苏葳芮
专业：
电子与信息工程
班级：
电子1402班
指导教师：
雷美艳职称：
副教授
完成时间：
2016年6月23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
雷美艳
学生姓名
苏葳芮
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。
拟
达
到
的
要
求
或
技
术
指
标
一、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℃；
二、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℃；
进
度
安
排
起止日期
工作内容
2016.6.10-6.12
查找直流稳压电源和温度报警器资料
2016.6.13
确定方案
2016.6.14-6.16
仿真、画原理图
2016.6.18
购买元器件
2016.6.18-6.20
画PCB图，制作PCB板及元件的焊接
2016.6.21-6.22
进行实物的调试
2016.6.21-6.23
撰写说明书
主
要
参
考
资
料
[1]邱关源.电路分析（第五版）[M].北京：
高等教育出版社2006.5
[2]康华光.电子技术基础（模拟部分）（第五版）[M].北京：
高等教育出版2006.1
[3]杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京：
高等教育出2006.5
[4]童诗白.华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：
高等教育出版2007.11
[5]胡宴如.模拟电子技术（第二版）[M].北京：
高教教育出版社2004.5
[6]曹才开.电工电子技能训练[M].北京：
电子工业出版社2004.5
指导
教师
意见
签名：
年月日
教研室
意见
签名：
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
指导教师
雷美艳
学生姓名
苏葳芮
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、+3.3V、±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。
拟
达
到
的
要
求
或
技
术
指
标
二、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、+3.3V、±5V。
2、最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压△VOP-P≤5mV，稳压系数Sr≤5%。
二、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。
进
度
安
排
起止日期
工作内容
2016.6.10-6.12
查找直流稳压电源和温度报警器资料
2016.6.13
确定方案
2016.6.14-6.16
仿真、画原理图
2016.6.18
购买元器件
2016.6.18-6.20
画PCB图，制作PCB板及元件的焊接
2016.6.21-6.22
进行实物的调试
2016.6.21-6.23
撰写说明书
主
要
参
考
资
料
[1]康华光．电子技术基础（模拟部分）（第五版）．高等教育出版社,2006；
[2]邱关源．电路（第五版）．高等教育出版社,2006；
[3]LM339比较器芯片的中文资料；
[4]XX文库——温度报警器的设计。
[5]何希才．传感器及其应用电路．电子工业出版社,2001；
[6]郭培源.电子电路及电子元件[M].北京：
高等教育出版社，2000。
指导
教师
意见
签名：
年月日
教研室
意见
签名：
年月日
摘要
本设计介绍了温度报警器的工作原理，它是一种简易温度报警电路，主要是采用一些简单的电子元件组合而成，即它是由直流稳压电源，温度测量电路，比较电路和报警电路组成。
直流稳压电源由220V电源提供稳压电压；温度测量电路将温度转换为电压；比较器由LM339集成比较器芯片实现电压比较；报警电路由三极管、蜂鸣器和发光二极管构成，温度报警器能实现超温报警。
关键词：
直流稳压电源；温度报警器；温度测量电路；比较电路；报警电路
ABSTRACT
Thisdesignintroducestheworkingprincipleoftemperaturealarm,itisakindofsimpletemperaturealarmcircuitandismainlyusedinsomesimpleelectroniccomponentsandthatitisfromtheDCpowersupply,temperaturemeasurementcircuit,acomparisoncircuitandanalarmcircuit.DCregulatedpowersupplyiscomposedofa220Vpowersupplyprovidesavoltageregulator;temperaturemeasurementcircuitconvertstemperaturetovoltage;comparatorbyintegratedcomparatorLM339chiptorealizevoltagecomparison;alarmcircuitcomprisesatriodetube,buzzerandlight-emittingdiodetoconstitute,temperaturealarmcanrealizetheovertemperaturealarm.
Keywords：
DCregulatedpowersupply;temperaturealarm;temperaturemeasurementcircuit;comparisoncircuit;alarmcircuit
1绪论
电子技术是当今科技发展的热点，世界各国无不把它放在优先的发展的地位。
模拟电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，它更是是否学好电类专业的关键之一。
课程有许多的显著特点。
其一是它的实践性，其二是它的理论性强，其三是它的实用性。
要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是模拟电子技术教学中的重要环节。
通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。
我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，制作电路板，安装调试方面的体会。
一般来说，温度报警器大都采用集成温度传感器与其附加控制电路构成。
其利用温度传感器将温度变化转化为电信号，进而输出具体所需电信号。
由于理论值都设在理想情况下，因此，此类产品中测量误差偏大、功能单一。
例外，它的功耗相对较高。
随着科技的发展，可以采用单片机，实现灵活配置多种测温传感器，对温度进行高精度测量的低功耗便携式报警器。
本次课程设计的课题是温度报警器，本课程设计将就温度报警电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路仿真、电路调试等做详细的介绍和说明。
2设计方案的论证
2.1设计方案的比较
方案一：
直流电源
此方案原理框图如图1所示。
利用热敏电阻与电阻的组合实现电桥电路，当打破平衡时，用比较器进行比较，当符合要求时输出电压是继电器导通，驱使报警电路报警。
音频报警器
温度模拟信号
放大比较电路
图1方案一原理框图
每个框图作用如下：
直流电源：
提供±12V,±5V,+3.3V的直流电源；
温度模拟信号：
将温度信号转换成电压信号：
放大比较电路：
将输入电压放大,再进行比较，得到摄氏温度与输出电压的关系。
音频报警器：
当输出电压达到50℃，报警。
优点：
成本较低。
缺点：
电路复杂，实际制作中元件有误差，不便实现
方案二：
此方案的原理框图如图1所示，利用集成温度传感器元件AD590进行温度—电流的转换。
图2方案二原理框图
每个框图作用如下：
电压跟随器：
做缓冲级，缓冲输入阻抗。
K—T变换电路：
利用温度传感器获取被测量对象的温度，将温度转换为电压表示。
电压比较器：
运用差分放大电路原理将电压进行比较，得到摄氏温度与输出电压的关系。
报警设备：
当温度超过50摄氏度时，报警设备将会报警，如发光二极管亮或者蜂鸣器响。
优点：
温度测量精准，灵敏度高,可测出温度的值。
缺点：
成本比较高。
2.2设计方案的选择
从电路结构、安装难易、性能指标、优缺点等多方面考虑，最终我们选择了方案二作为本次课程设计的方案。
因为相对于方案一，方案二更容易实现。
方案二采用的是分模块化工作，运用UA741设计简单的运放电路，设计简单，操作调试方便，只需加一个电位器可以实现任意可调报警温度。
温度传感器精确度高，并能通过简易的数据传输来实现测温。
3温度报警器电路的设计
3.1总电路框图及原理分析
总电路框图如图3所示，其原理是将AD590暴露在空气中，将会产生相应大小的电流，电流经过一个电阻，在该电阻两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。
然而经过绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系。
于是在电压跟随器后接求差电路，即减去一个2.73V的电压再放大10倍。
利用稳压管和电位器电路来提供所需要的2.73V电压。
在放大器作用之后，将获得电压与温度的直接关系。
在U2输出端测量电压，即可读的温度值。
比如室温为28℃，则电压表的示数为3V。
完成了电压的读取，还需进行电压比较达到报警的目的。
设计所要求的报警温度为50℃，故比较电压为5V。
调节电位器调至所需报警温度5V。
当输出电压为低电平，二极管截止，LED不亮，蜂鸣器不工作。
当输出电压为高电平，二极管导通,LED发光，蜂鸣器工作，报警过程完成。
图3总电路框图
3.2单元电路的原理及元器件参数计算与选择
3.2.1温度测量电路设计
采用的是AD590和电阻组成的温度测量电路。
AD590是一个将输出电流比例转换成绝对温度的二终端集成电路温度变换装置，是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。
相关参数见表1，其主要特性如下：
（1）温度每增加1℃，其电流会增加1μA，不需要外围温度补偿和线性处理电路，便于安装调试。
（2）可测温范围-55℃至+150℃。
（3）供电电压范围4V至30V，电源电压可在4V～6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。
（4）可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
表1AD590参数表
项目工作电压（V）工作温度（℃）正向电压（V）反向电压（V）焊接温度（V）灵敏度（μA／K）
AD5904～30－55～＋＋44－203001
AD590输出阻抗达10KΩ，转换当量为1μA/K。
温度—电压转换电路。
如图3所示：
图3温度—电压转换电路
温度—电压转换分析：
如图2所示，当将AD590暴露于空气中时，根据室温将提供相应的恒流。
由于在U0输出端接入电压跟随器，缓冲输入阻抗，电流几乎全部流经电阻R0.
由AD590转换当量可知：
（1）
上式中，U1是AD590所产生的恒流，U0是输出端电压，T是绝对温度，R0是10K的电阻。
其中，绝对温度（T）与摄氏度（t）之间的关系为：
（2）
在实际应用中可取R=10KΩ，AD590的摄氏度（t）与电压（U1）的转换的关系为：
（3）
单元电路元器件选用参数说明：
1、
==10
（便于计算）。
2、在该电路中，利用了UA741作为电压跟随器。
电压跟随器的特性如下：
·隔离缓冲。
·电压跟随（保持输出信号极性不变）。
·电压放大倍数为一倍，只是改善输出量的输出质量，不改变输出值。
·隔离缓冲作用确保了AD590输出的电压值稳定。
3.2.2K-T转换减法电路设计
实现温度—电压转换后，不能直接测量，仍需将绝对温度转换为摄氏度，即实现K—T变换。
这里运用到电位器与稳压管提供2.73V的电压。
其电路图如图4所示：
图4K-T转换减法电路
利用减法电路要实现K—T变换，必有：
（V）（4）
上式中，U4是经过减法电路的输出电压。
单元电路元器件选用参数说明：
为了实现K-T的转换，原理是通过减法电路实现，如图5所示：
图5减法电路原理图
差分式减法器分析：
在理想运放的情况下，利用虚短与虚断。
有如下关系：
（5）
（6）
解式（5）与式（6）得：
（7）
所以，只要选取合适的R1,R2,R3,R4值，便可实现电压放大功能。
如取R4/R2=R3/R1,则有下式：
（8）
所以在原理图图4中，令R4=R7=10K，R1=R12=100K，R3_RPOTSM为可调电位器，设置参数为2.73V，作为基准电压。
根据式（8）可知，当原理图中的R7=10K，R12=100K，
（10）
将此放大后的电压接直流电压表，即可直接读的温度值。
3.2.3比较器电路设计
比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。
它是用来比较输入信号VI和参考电压Vref电路，输入信号VI加于运放的同相端，参考电压Vref加于运放的反相端，此时运放处于开环状态，具有很高的开环电压增益。
在本次课程设计当中，利用过零比较器的原理设计的一个比较器电路。
其电路图如图6所示：
图6温度报警器比较器电路
单元电路元器件选用参数说明：
电阻参数：
R5=10KΩ，R11=1K,用于稳定输入电压，决定系统精度；
为了满足报警温度为50℃的设计要求，将可调电阻R3_RPOTSM设置为5V,接通电源后，经过R5的电压与经过排针P2的电压进行比较，若R5的电压大于基准电压5V，正向饱和，启动报警电路。
3.2.4报警电路设计
报警电路可通过一个发光二极管的亮灭来报警或者通过蜂鸣器的声光报警。
其电路图的设计如图7所示：
图7报警电路
单元电路元器件选用参数说明：
电阻参数：
R10=1K,用于报警设备的输入电阻,用于控制输入电流的大小
当输出电压为低电平时，二极管截止，LED不亮，蜂鸣器不工作；当输出电压为高电平时，二极管导通,LED发光，蜂鸣器工作，报警过程完成。
4温度报警器的仿真
4.1Multisim仿真软件简介
Multisim是一个完成原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
它的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时可以新建或扩充已有的元器件库。
Multisim有较先进的电路分析功能，可以设计、测试和演示各种电子电路，可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障。
在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点所有数据。
它具有以下突出的特点：
（1）设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；
（2）设计和实验用的元器件，可以完成各种类型的电路设计与实验；
（3）可以方便的对电路参数进行测试和分析；
（4）可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；
（5）实验中不消耗实际的元器件，种类和数量不受限制，速度快，效率高；
（6）设计和实验成功的电路可直接在产品中使用。
4.2仿真电路的建立
使用multisim建立电路模型，由于没有AD590，故用一个恒流源代替AD590提供电流，比拟温度的采样，设计的仿真原理图如图8、图9、图10所示：
图
8温度报警器仿真图一
图9温度报警器仿真图二
图10温度报警器仿真图三
图11温度报警器仿真图四
4.3仿真结果分析
设置好电路以后，我们开始仿真。
仿真结果分析如下：
（1）取电流源电流值为313.2uA，转换为摄氏度为40℃。
电压表读数为3.990V,可见与理论值近似相同，此时温度比50摄氏度小。
比较器输出为负值。
二极管不导通。
图10二极管未发光。
（2）取电流源电流值为322.2uA，转换为摄氏度为49℃，电压表读数为4.935V,与理论近似相同，此时温度等于49摄氏度，比较器输出为负，二极管不导通，图11二极管不发光。
（3）取电流源电流值为323.2uA，转换为摄氏度为50℃，电压表读数为5.696V,与理论近似相同，此时温度等于50摄氏度，比较器输出为正，二极管导通，图9二极管发光。
（4）取电流源电流值为333.2uA，转换为摄氏度为60℃.电压表为5.791V,与理论近似相同，此时温度大于50摄氏度，比较器输出为正，二极管导通，图8二极管发光。
由此可见理论值与实际值基本相吻合。
温度能够测得，符合设计要求。
仿真电路模型见图12：
图12仿真电路原理图
5直流稳压电源的设计
5.1直流稳压电源的基本原理
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图13：
图13直流稳压电源基本框架图
各部分的作用：
（1）电源变压器：
将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
变压器副边与原边的功率比为
（2），式中η是变压器的效率。
（2）整流电路：
降压后的交流电压，通过整流电路变成脉动的直流电压，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）滤波电路：
脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）稳压电路：
滤波后的直流电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动）、负载、和温度的变化而变化。
因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。
5.2单元设计电路
5.2.1变压器设计
电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要电压值。
变压器的变比由变压器的副边电压确定，根据设计要求选用220V/12V的电源变压器进行变压，此时，根据整流元件参数的计算公式确定变压器的副边电流为,又副边电流=（1.5~2）,取==500mA。
5.2.2整流电路设计
本次设计采用桥式整流电路作为整流器。
桥式整流电路图如图14所示。
图14桥式整流电路原理
整流电路中二极管的选择：
∵变压器的副边电压=12V，
∴桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：
（15）
桥式整流电路中二极管承受的平均电流为：
（16）
由此可以得出整流桥堆应选2W10（2A,1000V）。
5.2.3滤波电路设计
（1）本设计中利用电容滤波，电容滤波电路是利用电容的充、放电作用使输出电压趋于平滑。
（17）
由式（17）可得滤波电容可等于式（18）
（18）
式中RL为C右边的等效电阻，应取最小值，T为市电流电源的周期为20ms，
，所以RL最小值可算出:
（19）
C==2083uf可见C容量较大，应选电解电容，滤波电容越大滤波效果越好，根据设计对纹波电压的要求，我们可以选择2200uf的电解电容，其耐压值为25V。
（2）消振电容：
消振电容靠近滤波器，起消振作用，一般选择消振电容电容值为0.1μF。
（3）旁路电容，当输出电压升高时，可进一步抑制纹波，防止纹波的放大，选择旁路电容电容值为470μF，其耐压值为25V和电容值470μF，其耐压值为35V。
5.2.4LED限流电路选择
由于输出的电压分别+12V-12V+5V-5V+3.3V发光二极管两端的电压在2V左右，所以与之串联的电阻分别为1200Ω，1200Ω，470Ω，470Ω，300Ω。
4.2.5三端稳压器选择
根据设计所要求的性能指标，稳压电路选择集成稳压器7812、7912、7805、7905和LM1117分别用于输出+12V、-12V、+5V、-5V和+3.3V电压。
因为在滤波电路部分的大容量电解电容有一定的绕制分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰，小电容根据经验值可选0.1uf的陶瓷电容。
5.3原理图
根据以上分析，利用AltiumDesignerSummer09软件，我们将设计完整的电路图，见附录：
5.4PCB板制作
在AD中，根据原理图绘制PCB图，见附录：
之后，通过转印纸将PCB图转印到PCB板上；然后，用
固体加热水熔解并腐蚀铜板，并用使用打孔机打好孔；最后，把元器件焊接到PCB板上。
焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要时可设计一些临时电路用于调试。
测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。
注意稳压器的输入输出管脚和桥式整流电路中二极管的极性，不应反接。
按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。
5.5实物调试
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、+3.3V测试结果如图所示。
直流稳压源的测量值和误差如下表1所示：
表1直流稳压源误差分析表
实测值理论值实验误差
+11.93V+12.0V0.05%
-12.08V-12.0V0.06%
+3.31V+3.3V0.01%
+5.04V+5.0V0.80%
-5.07V-5.0V1.38%
综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:
1、测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差；
2、电流表内阻串入回路造成的误差；
3、试验时间过长温度发生变化，使得一些元件的电阻发生变化；
4、万用表本身的准确度而造成的系统误差。
可以通过以下的方法去改进此电路:
1、减小接触点的微小电阻；
2、元器件安装前进行检测；
3、采用更高精确度的仪器去检测。
6温度报警器的制作、调试与测量
6.1PCB板制作
按照总原理框图图3和PCB图制作PCB板。
其制作流程如图15所示：
图15印制PCB电路板的过程
6.2温度报警器的调试与误差分析
6.2.1调试
由于所用的5V稳压管所提供的实际稳压值为4.7V左右，导致2.73V的基准电压处产生了很大的误差。
用50K的电位器对其进行调节使其达到2.73V。
在比较器的反相输入端接
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