温度报警器的设计教学案制作.docx
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温度报警器的设计教学案制作
电子技术综合课程设计
课程：
电子技术综合课程设计
题目：
温度报警器
所属院（系）专业班级
姓名学号：
指导老师
完成地点
2010年9月20日至10月8日
课程设计任务书
温度报警器的设计与制作
一、任务和要求：
设计并制作一个温度报警器，要求如下：
1、用压电陶瓷蜂鸣器作为电声元件；
2、当温度在10℃至30℃范围内（允许误差±1℃）时报警器不发声响，当温度超过这范围时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即：
（1）当温度高于30时，报警器发出两种频率交替的“嘀—嘟”声响，即加到蜂鸣器上的电压波形如资料中3D
（2）当温度低于10时，报经区发出单频率声响，如资料中附录3D。
3、温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv；
4、设计并制作电路所用直流电源。
前言
电子技术综合课程设计是大学生必须掌握的重要实践，是针对模拟电子技术，数字逻辑电路及电路分析课程的要求，对我们进行综合性实践训练的实践学习环节，它包括选择课程、电子电路设计、组装。
调试和编写总结报告等实践内容。
通过课程设计实现以下三个目标:
第一，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。
即学生根据设计要求和性能参数，查阅文献资料，收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标；第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。
毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。
第三，培养勤于思考的习惯，同时通过设计并制作电子产类品，增强学生这方面的自信心及兴趣。
本课程设计介绍的是数字逻辑电路中以TTL集成电路为基础的数显，声响倒计时器，以电路的基本理论为基础，着重介绍电路的设计装调及性能参数的调试方法.本课程设计应达到如下基本要求：
（1）综合运用电子技术课程中所学的理论知识独立完成一个数显、声响倒计时器的设计。
（2）通过查阅手册和参考文献资料，培养独立分析和解决实际问题的能力。
（3）熟悉常用电子元器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则。
（4）掌握电子电路的安装和调试技能。
（5）熟悉的使用各类数字电子仪器。
（6）学会撰写课程设计论文。
（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
2.4报警器电路的设计…………………………………………………………14
三、电路仿真分析…………………………………………………………………17
3.1仿真软件简介（Proteus）…………………………………………………17
3.2报警器电路的仿真………………………………………………………17
四|、电路的装调和分析……………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………21
一、方案的论证和选择
1.1方案的构思
首先，根据其题目的要求要有电源的提供，即直流电源电源部分设计。
任务书上要求是当温度在10℃至30℃范围内时报警器不发声响，当温度超过这范围时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低。
温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv；所以要把直流小电源放大到所需求的范围，可见要有比较器和放大器的组成部分，且需要用蜂鸣器来报警，还需要有报警电路，根据所学的知识就可以使用555定时器的功能，则迎刃而解。
1.2方案一：
1.3方案二：
由设计任务与要求，所设计的温度报警器应该可以对温度变化进行比较，当温度在10℃～30℃范围内不报警，在此范围外报警。
有实验要求，温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0℃为0mv，温度每上升1℃递增2mv，在实验过程中，20mv～60mv这个范围几乎无法用手去调节，因此直流信号源必须要经过一级放大电路才可以为下一级报警电路提供驱动，为了区分，直流信号源的不同，报警电路必须有两种报警电路，当低于20mv时发出单频的报警信号，当高于60mv时发出双频的报警信号。
综上所述，总体电路应分为四大部分：
电源电路，放大电路，比较电路和报警电路。
其中报警电路分为单频报警电路和双频报警电路。
1.4方案的选择
方案一：
优点：
电路图简单，理论上可以实现报警功能。
缺点：
比较电路需从直流电源直接取样，所取电压的范围大小不满足对温度变化所对应的电压变化范围。
结论：
不可行
方案二：
优点：
通过放大电路的作用，能把对应的小电压放大到需要的电压范围，可行性强。
缺点：
相对于方案一电路较复杂
结论：
可行
二、单元电路设计
在各个单元电路与总体电路设计过程中，需要计算电路中各元器件的参数，以及估算电路的性能指标等，从而把各电路元器件与电路确定下来，为单元电路和总体电路的设计试验做好准备。
2.1电源电路的设计（本人所设计部分）
2.1.1设计任务和要求
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下：
2.1.2设计原理
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，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑，理想情况下，应将交流分量部分全部滤掉，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，对于稳定性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。
2.1.3设计方案
电源模块
电源模块的设计
根据提出的方案：
电源模块采用220-18变压器降压，1A／50V桥式整流堆进行整流，RCπ型滤波器进行滤波。
本次电源电路的输出端设计为+5V与-5V两电压值，输出端的+5V电压值作为比较电路中上限基准电压，+5V与-5V两电压值分别作为窗口比较器中两集成运放的工作电压，具体如下：
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网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。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电
（3）滤波电路：
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。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是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。
220V电网电压经过通用变压器T1降压至25V，25V交流电压经VD1-4组成的全桥整流、C1的滤波作用后变成直流电压供给集成三端稳压器7805（见附录A），经过7805降压、稳压后变成所需的+5V直流电压。
集成三端稳压器输入端的瓷片电容能消除自激振荡，输出端所连的瓷片电容能滤出高频杂波作用，都是为了进一步滤波稳压以改提高和改善12V电源的品质，有助于电源的稳定和带负载能力。
相类似的，220V电网电压经过通用变压器T1降压至25V，25V交流电压经VD1-4组成的全桥整流、C2的滤波作用后变成直流电压供给集成三端稳压器7912，经过7912降压、稳压后变成所需的-12V直流电压。
但注意的是，电解电容的正端是接地，负端连接的是全桥整流的负端。
方案一：
（1）降压电路
降压电路用变压器直接变压，采用220-18变压器输出18V交流电。
（2）整流电路
采用1A／50V进行桥式整流。
（3）滤波电路
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，采用RCπ型滤波器进行滤波。
（4）稳压电路
采用集成稳压器型稳压电路进行稳压。
方案二：
（1）降压电路
采用干电池电源。
（2）整流电路
采用半波整流整流。
（3）滤波电路
采用电容滤波
（4）稳压电路
采用稳压二极管型稳压电路。
固定输出集成电路稳压电源
2.1.4方案选择
此方案是固定输出集成电路稳压电源，在稳压部分采用三个集成稳压器W7812和W7805，使得电路结构变得非常简单，不易出现混乱，并使得输出电压为+12V和+5V，供电路使用，所以，从电路结构、安装难易、成本计算等方面考虑最佳选择此方案。
2.1.5参数计算及元器件选择
1、变压器采用16×2的规格
2、整流桥堆的选择
整流桥堆有两根输入交流线和两根输出直流线。
市电经过整流桥堆一极经过正极MC7812经过稳压、滤波可提供一个+12V电压；+12V电压再经过MC7805后，经过稳压、滤波就可以提供一个+5V的电压。
这样就可以给后面的系统提供工作电压了。
一般情况下，允许电网电压有±10%的波动，因此在选择二极管时对于最高反向工作电压VRm和最大整流平均电流IF应至少有10%的余地，以保证二极管安全工作，即：
VRm>55V
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、电容的选择
①电容C1、C2的选择：
C1=1000UF的电解电容，C2=10UF.
②电容C3和C4的选择：
C3=C4=10UF。
4、参数计算
（1）稳压器型号，输入电压和输入电流
要求UO=+5V,故选用7805型号;稳压器压差UI-UO≥2V,取3V,整流桥上的压降为2×0.3=0.6V.故输入电压UI=5+3+0.6=8.6V;滤波电路的负载电流I´O=IO（max）+IQ=100+8=108mA.
电源变压器的副边电压有效值:
U2=
所以变压器的输出电压取7.5V
整流滤波电路的等效负载：
（2）滤波电容：
取C=3300μF
电容器耐压：
取
≥25V，故电容器参数C：
3300μF/25V
其它电容根据经验可选用：
0.33μF/25V，0.01μF/25V
2．2放大器的设计
2.2.1方案的论证即选择
设计一个10℃～30℃以外的温度报警器，需要用电压来代表温度，设1℃用2mv代替，那么在10℃～30℃则表示成20mv～60mv，即电源供的电压在20mv～60mv范围以外的电路报警，而电源提供的电压为12V，与所取电压相差很大，这时需要将所取电压放大100倍，即2V～6V以外的电压电路报警，在电路的选择中，我们组选用的是用芯片LM324组成的同相比例放大电路。
下面的电路是同乡比例放大电路.根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即UP=UN=UI.说明集成运放具有共模输入电压。
得到
（1）
得到
上式表明uo与ui同相且uo大于ui。
2．3比较器的设计
2.3.1设计任务和要求
将温度10℃与30℃转换成2V与6V，使报警器在2V与6V之外报警，比较器应具有电压比较功能，输出电压低于2V的经比较器与报警器相连发出间歇式声响，电压在2V与6V之间的不报警，在6V以上的经比较器与报警器相连发出两种频率交替的声响。
2.3.2方案选择及参数计算
根据设计要求，当比较器输入电压大于6V或小于2V时产生报警，即在UI=6V或UI=2V时输出电压产生跳变，所以选择用窗口比较器。
实际电路图如下：
R1,R2,R3,R5起分压作用。
将+6V和+12V所分的电压比较起的两个阈值电压.
1）当输入UI﹥6V时，输出UO1为高电平，UO2为低电平。
2）当输入UI﹤2V时，输出UO1为低电平，UO2为高电平。
3）当输入2V﹤UI﹤6V时，输出UO1与UO2均为低电平。
2.4报警电路的设计
2.4.1方案设计
根据任务与要求，要有两种不同的报警声音，因此我们设计两种报警电路，单频报警电路和双频报警电路。
音频报警电路的制作可以用NE555和电阻、电容组成，我们选用555集成定时器来制作多谐振荡器从而做出音频电路。
若占空比大于50%，报警发声频率可由
求得2.4.2单频报警电路
工作原理：
图中555定时器和R1、R2及C2构成低频振荡器，音频振荡器，当控制端R为低电平时，低频振荡器不振荡，它的输出端Q为低电平，因此，高频振荡器也不振荡，蜂鸣器不发出声音。
当控制端R为高电平时，低频振荡器产生矩形波周期为秒数量级，这个矩形波的占空比q可通过调节R1、R2来实现，当D1为高电平时，音频振荡器产生方波，使蜂鸣器发出声音。
2.4.2双频报警电路
工作原理：
两种频率交替的音响电路用555集成定时器组成，图中的555（I）组成低频振荡电路,555（Ⅱ）组成音频振荡器，由于前者的输出（管脚3）经过电阻接到后者的控制输入端（管脚5），因此当前者的输出为高低电平时，后者可输出两种不同频率的方波，而且555定时器的输出最大电流可达200mA，所以可直接驱动蜂鸣器，当然，只有当控制端R为高电平或悬空时，蜂鸣器才发出“滴～嘟”，“滴～嘟”的声音，当R为低电平时，555（Ⅱ）定时器处于复位状态，蜂鸣器不会发出声音。
三、电路仿真分析
3.1仿真软件简介（Proteus）
概述
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
3.2电源电路的仿真
四、电路的装调和分析
4.1电源的装调
电源对于整个电路是非常重要的，它的稳定性直接影响着整个电路。
看似简单，但要把它做好，弄懂，也必须要下一些功夫。
为了省电容，开始只在稳压芯片的输入端接了一个电容，用直流电压表侧了一下电源的输出电压，是5.03V，作为这个电路的电源应该是没问题的，就没管它了。
等剩下的整个电路连接并调试好后，接上这个电源，电路却不能正常工作，而接上实验室的直流稳压电源却一切正常。
问题应该就出现在电源上，用示波器测了一下，发现电源输出中有很多纹波，为了解决这个问题，就在稳压芯片输出端再接一个电容，这下输出中的纹波明显减少了。
在接入整体电路，一切正常。
4.2电源的调试
通过更换电容，稳定了所需电压示数。
4.3整体电路的调试
当所有的模块都检测没问题后，把他们接入整体电路，由于整体电路受各部分电路影响，导致报警不明显，通过调节555定时器所接电容，最终调节出所设计的单双频报警的范围。
5、实验结果分析
项目
理论值
测量值
7812
12V
11.976V
7805
5V
5.007V
相对误差为：
{（12-11.976）/12}*100%=0.2%<10%在误差范围内；
{（5.007-5）/5}*100%=0.14%<10%在误差范围内。
六、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，譬如电路的电源电路还有稳定电路等等。
电路中比较难的部分就是报警电路部分，因为需报警器发出两种频率交替的声响进而要反复的进行调节。
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，以及上一级的学长们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proteus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、无法控制单频和双频的报警、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。
在这次课程设计过程中我学到了很多知识，同时增强了我的动手能力，让我意识到理论与实践的重要性，也开阔了眼界了解了许多与专业有关的知识，在此过程中也加深了对有关知识的了解，锻炼了我们的思维，同时也增强了我们对专业课的兴趣，为我们将来发展打下坚实的基础。
最后，感谢老师对我们的耐心指导与帮助，以及同学们的热心帮助，在此过程中老师为我们的课程设计提出了很多宝贵的意见和建议并且在实现操作上给我们了很多的建议，感谢系上为我们提供良好的实验环境，使我们的课程设计得以顺利的开展、改进，进而最终促使我完成了课程设计任务。
此外还有那些关心我们的同学，他们给我们提供了许多有用的资料以及见解供我们参考，谢谢你们！
参考文献
[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础.四版.北京：
高等教育出版社，2006.
[2]阎石.数字电子技术基础.五版.北京：
高等教育出版社，2006.
[3]何碧华.数字电子技术实验指导书.电工电子实验指导中心，2009.
[4]《电子技术基础（课程技术资料）》陕西理工学院电信工程系编
[5]《电子元器件应用手册》人民邮电出版社
附录A整体电路图
附录B元器件清单
名称
规格
数量
备注
变压器
220－18V
1
整流桥堆
1
电阻
1k
5
电阻
2k
1
电阻
3k
1
电阻
10k
3
电阻
60K
1
滑动变阻
50k
3
滑动变阻器
1k
1
电阻
30k
1
滑动变阻器
100K
1
电解电容
1000u
1
电容
1u
1
电容
10u
4
电容
0.01u
2
集成稳压器
7805
1
集成稳压器
7812
1
集成运放
LM324
3
5.1V稳压管
2
蜂鸣器
2
555定时器
3
附录C芯片的管脚图
（1）7805的管脚图
其中1为输入，2为接地，3为输出。
（2）7812的管脚图
其中1为输入，2为接地，3为输出。
（3）LM324
LM324资料：
LM324为四运放集成电路，采用14管脚双列直插塑料封装。
，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。
电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源
LM324引脚图
±1．5V～±15V工作。
它的输入电压可低到地电位，输出电压范围为0～Vcc。
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相位相反；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。
（4）555定时器的管脚图
555定时器的管脚图
1——地GND
2——触发
3——输出
4——复位
5——控制电压
6——门限（阈值）
7——放电
8——电源电压Vcc
555定时器原理图
555定时器的电路如图所示。
它由三个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。
分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。
如5端悬空，则比较器C1的参考电压为
，加在同相端；C2的参考电压为
，加在反相端。
是复位输入端。
当
=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端U0为低电平;正常工作时，
=1。
U11和U12分别为6端口和2端口的输入电压。
当U11>
，U12>
时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即
=0，
=1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。
当U11<
，U12<
时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，
=1，
=0，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。
当U11<
，U12>
时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
综上所述，可得555定时器功能如表所示。
定时器功能表
输入
输出
复位
u11
u12
输出u0l
晶体管T
0
×
×
0
导通
1
>
>
1
导通
1
<
<
1
截止
1
<
>
保持
保持
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