A题 压力检测与报警系统

1、A题 压力检测与报警系统目 录1、设计任务22、设计摘要23、引言24、方案设计35、各组成部分说明35.1 5V直流稳压电源设计35.1.1 直流稳压电源设计思路35.1.2 稳压电路的设计45.1.3 整流滤波电路的设计55.2 放大滤波电路设计65.2.1 放大滤波电路设计思路65.2.2 OP07运算放大器参数75.2.3 二阶有源低通滤波器参数：75.2.4 三运放仪用放大器参数：95.3声光报警电路设计105.3.1 555定时器的电路结构及其功能105.3.2 声光报警电路原理及参数计算115.4数码显示电路设计126、结论147、附录157.1 压力检测与报警系统总电路图157

2、.2元器件清单列表167.3 参考文献16压力检测与报警系统1、设计任务设计并制作一个压力检测与报警系统。系统结构如图1所示。压力传感器输出为直流信号且变化频率小于10HZ，易受到50HZ及以上高频信号干扰。数码显示可以采用表头电路,要求达到0.5级表精度。声音报警不能采用现成的模块。图1 系统结构图压力传感器（输出为01.000mv）放大与滤波数码显示图声和光报警2、设计摘要工业生产中，为了有效地控制生产过程、保证生产安全、保证产品质量和提高生产效率，必须及时监测出生产过程中的有关参数。其中，压力就是工业生产的一项重要工艺参数。压力的检测与报警在自动化生产中具有特殊地位。压力传感器和检测仪表

3、是不可或缺的一部分，无论是对于单机自动化或作为大型自动化装置的一部分，都使工业设备的用途得到扩大。压力传感器应用于各行各业，发展迅速。我们这次设计的课题是压力检测与报警系统。整个系统先把压力传感器的输出电压信号进行放大滤波等处理，当处理过的电压信号大于所设定的阈值时便会触发声光报警电路，发出警报。同时，数码显示电路会显示出此时的压力大小。整个系统由5V直流稳压电源供电。系统整体构造及各部分具体结构在正文有详细介绍。关键词：压力 压力传感器 检测仪表 报警 显示3、引言题目要求设计并制作一个压力检测与报警系统。压力传感器输出为直流信号且变化频率小于10HZ，易受到50HZ及以上高频信号干扰。数码

4、显示可以采用表头电路,要求达到0.5级表精度。声音报警不能采用现成的模块。因要求的设计方案中不能使用单片机、可编程逻辑器件等可编程器件，故我们考虑通过电路设计来实现。可以使用的基本的元器件包括电阻、电容、运放、触发器以及其他一些集成模块等。可使用的基本电路包括整流电路、滤波电路、稳压电路、放大电路、转换电路等等。考虑到各个实现环节的综合特点，我们需要对相应器件的参数进行设定，从而选择合适的器件型号。整个设计方案简明易懂，实现比较容易。4、方案设计整个系统包括四个基本部分：直流供电电源、放大滤波电路、声光报警电路和显示电路。压力传感器输出01.000mv的电压信号以后，信号能量比较小，需要对其进

5、行放大处理。同时在放大处理的过程中，也将一些干扰信号进行了放大，其中也包括高次谐波的影响，因此需要对其进行滤波处理以得到较为稳定的输出电压信号。经滤波放大后的电压信号一路通过电压比较器接入声光报警电路，另一路通过比例环节接入表头电路显示压力大小。当电压信号超过设定的阈值（达到压力上限）时，触发器输出高电平，从而触发声光报警电路发出报警信号。在输出电压信号的处理中，我们有两种方案：第一，先放大再滤波再放大；第二，先滤波再放大。考虑到压力传感器输出的电压信号非常微弱，如果先滤波，会使信号噪声干扰比较大。因此选择使用第一种方案，通过两级放大来实现。5、各组成部分说明5.1 5V直流稳压电源设计5.1

6、.1 直流稳压电源设计思路图2 直流稳压电源结构图稳压电路滤波电路整流电路电源变压器1) 电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流5v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交流电压。2) 降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。3) 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) 滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出。图3 直流稳压电源总体电路图5.1.2 稳压电路的设计我们要得到一个比较稳定的5V输出电压，而芯片7805稳压电路的功能是

7、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。7805前面的字母可能会因生产厂家不同而不同。LM7805最大可意输出1A的电流，内部有限流式短路保护，短时间内，例如几秒钟的时间，输出端对地短路并不会使7805烧坏。虽然7805最大电流是一安培，但实际使用一般不要超过500mA,否则会发热很大，容易烧坏。一般负载电有200mA以上时需要散热片。电路中靠近引脚处接入电容、用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入短路时，防止两端电压击穿7805内部调整管而损坏。5.1.3 整流滤

8、波电路的设计 整流滤波电路部分的设计采用桥式整流、电容滤波电路，如图4所示。图4 整流滤波电路（1）整流电路输出电压和电流参数 由7805的参数表可知，当输出电压为5V时，输入输出电压差为23V，整流电路输出电压Vin =78V 考虑实际其他条件变化，取Vin =9V 整流电路输出电流（2）电源变压器参数 次级线圈电压： ，取U2 =8V. 次级线圈电流：（3）整流二极管参数 额定整流电流： 最高反向工作电压： （4）滤波电容参数 容量： 其中，T=20ms（输入交流电流的周期）； (整流滤波电路的负载) 耐压：和的容量耐压均取标称值。5.2 放大滤波电路设计5.2.1 放大滤波电路设计思路：

9、OP07放大器二阶有源低通滤波器仪用放大器图5 放大滤波电路整体框图由于收集到的传感器信号非常微弱，所以滤波效果不是很好，故先放大，再滤波。为了进一步提高共模抑制比，所以再次用仪用放大器放大，同时达到需要的放大倍数，得到需要的信号。1) 由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 宽的输入电压范围（最少

10、7;13V）与高达110dB（OP07A）的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同相电路阻态中提供了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。 2) 失调和增益对时间或温度变化的稳定性也是极好的。所以用OP07放大器进行第一阶放大。3) 二阶有源低通滤波器的运放为同相输入，具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点。滤波电路相当于一个电压源。它的优点是电路性能稳定，增益容易调节。所以在这里选用二阶有源滤波器。4) 三运放仪用放大器基本组成由两部分组成：前级为两个集成运放A1,A2构成的同相输入放大电路，具有输入阻抗高，增益调节灵活方便，共模抑制比高的特点；后级是标准的基本差动放大电路

11、，在外围电阻精确匹配的情况下，共模抑制比很高。所以用三运放仪用放大器再次放大。5.2.2 OP07运算放大器参数：图6 OP07内部结构图OPO7运算放大器内部结构如图6所示，OPO7运放具有以下特点： 超低失调电压10V 超低失调电压漂移0.2V/ 有长期的稳定性0.2V/月 宽共模输入范围±14.0V 宽的电源电压范围 ±3V±18V 不需要外部元件调整 典型增益为400倍。图7 OP07放大电路OPO7放大电路如图7所示。 5.2.3 二阶有源低通滤波器参数：图8 二阶有源低通滤波器电路原理图7传输函数：性能参数：Q=0.707(时电路稳定)表1 二阶有源低

12、通滤波器参数对照表12468101.4221.1260.8240.1670.5210.4625.3392.2501.5372.0512.2492.2.742开路6.7523.1483.2033.3723.56006.7529.44416.01223.60232.0390.33CC2C2C2C2C说明:1、增益容易调整，输入阻抗高，输出阻抗低。运放,输入端到地要有一直流通路。在处，运放的开环增益至少应是滤波器增益的50倍。2、电阻为参数K=1时的值，单位为。根据以上数据，取Av=2，C=2uF。5.2.4 三运放仪用放大器参数：图9 三运放仪用放大器电路原理图于是电压增益为：在仪用放大器中，通常

13、、和为给定值，用可变电阻代替，调节的值，即可改变电压增益。为了获得出色的抑制零漂的效果，A3外围电阻需要保持对称性。因为需要再次放大5倍，故=25，=12.50。的阻值误差为，考虑误差最大情况，则电路共模抑制比为：得：=5，5.3声光报警电路设计555定时器是一种结构简单、使用方便灵活、用途广泛的多功能电路。只要外部配接少数几个阻容元件便可组成施密特触发器、单稳态触发器、多谐振荡器等电路。555定时器还可以输出一定的功率，可驱动微电机、指示灯、扬声器等。555定时器声光报警电路是一种在异常情况时通过指示灯闪光和蜂鸣器鸣叫，同时进行报警的一种装置。它利用两个555定时器组成振荡电路，实现异步工作

14、，使两个振荡器间隙振荡，从而蜂鸣器就会发出间隙的声响，发光二极管闪烁。5.3.1 555定时器的电路结构及其功能图10所示为双极型5G555定时器的逻辑图。它的电压比较器C1和C2(包括电阻分压器)、G1和G2组成的基本RS触发器、集电极开路的放电管V和输出缓冲级G3三部分组成。图10 555定时器的电路结构C1和C2为两个电压比较器，当CO端悬空时，他们的基准电压为经3个5k的电阻分压后提供。比较器的基准电压，（阈值输入端）为其输入端。为比较器的基准电压，(触发输入端）为其输入端。CO为控制端，当外接固定电压时，则、。直接置0端，只要，输出便为低电平，正常工作时，端必须为高电平。555定时器

15、的各个引脚功能如下：1脚：GND(或VCC)源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：TR低触发端。3脚：OUT（或Vo）输出端。4脚：R是直接清零端。当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：CO(或VC)为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：D放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。电阻分压器由三个5k的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/

16、3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。8脚：VCC(或VDD)外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。表2 555定时器的逻辑功能表输 入输 出UI1UI2RDU0V状态XX

17、00导通>2/3VCC>1/3VCC10导通<2/3VCC<1/3VCC11截止<2/3VCC>1/3VCC1不变不变5.3.2 声光报警电路原理及参数计算声光报警电路原理图如图11所示。VREF是阈值电压信号。当经放大电路输出的电压信号Vo大于VREF时，电压比较器输出+5V电压进入由555(1)构成的单稳态触发器，由3端输出一正向脉冲给555(2)，同时发光二极管发出光信号进行报警。555(2)构成多谐振荡器。在触发555(1)的3端产生的正向脉冲脉宽持续期内，555(2) 多谐振荡，通过扬声器发出声音警报。元件参数计算：R1=910M , R2=611

18、 , R3=20k ，R4=2.4kC1=10F , C2=0.01F, C3=0.22F , C4=0.01F ，C5=5 F555(1)正向脉冲宽度：振荡周期为：故其振荡频率为：图11 声光报警电路5.4数码显示电路设计数码显示电路采用利用表头电路来实现。原理如下：压力传感器输出的电压信号经过放大滤波后的输出电压范围为04V，通过分压电阻使表头电路输入信号的电压范围控制在0200mV，信号表征的就是压力的大小。接入表头电路。MC14433作为数字表头A/D转换电路。电路中用MC14511直接驱动LED数码管的7段笔划。4位数码管的阴极接MC1413中的4只晶体管，在DS1DS4的控制下扫描

19、显示，各占1/4的时间，最大瞬态电流为7段电流之和。限流电阻根据需要选择，电流是从流入，不流入。当输入电压时，为“1”，控制“-”号的晶体管导通，接地，使显示屏的“-”旁路而熄灭。小数点由电阻供电。MC14433主要特性参数如下：·转换精度具有±1/1999的分辨率或读数的±0.05±1个字(相当于11位二进制数)；·电压量程分1.999 V和199.9 mV两档；·转换速度为310次/秒，相应的时钟频率变化范围为50150 kHz；·输入阻抗大于100 M；·基准电压取2 V或200 mV(分别对应量程为1.99

20、9 V或199.9 mV)；·具有过量程和欠量程输出标志；·片内具有自动极性转换和自动调零功能；·转换结束输出经过多路调制的BCD码；·工作电压范围为±4.5±8 V或916 V；·当电源为±5 V时，典型功耗为8 mW。图12 数码显示电路6、结论经过长时间努力，整体设计已经成形，题目中要求的基本部分已经完成，发挥部分还有待提高。最终压力大小：其中，F为实际压力大小，为LED显示屏显示电压大小，k为压力传感器的系数。 当然设计中还存在一些问题：在直流稳压电源的电容滤波电路中，如果电容过大会使电容充放电不完全，还会

21、存在高次谐波；在放大滤波电路中，觉得用二阶有源滤波器不能完全满足要求，可能得到的信号会有一些噪声；在数字显示电路部分，最终LED显示屏显示出的是电压数据而不是压力大小，还要通过公示换算，才能得出压力的大小；设计中压力传感器没有给出具体类型。在设计过程中，我们深刻认识到学好专业课的重要性。在以后的学习生活中，我们还要继续一如既往，努力学习，才能真正掌握好专业技能。在设计过程中，我们认识到要做好一件事要学会查资料，学会利用一切可以利用的资源，学会问有经验的师长。同时我们还认识到细节决定成败，如果设计的电路图中某一元件参数错误，那么整个设计就会有很大变化，牵一发而动全身。整个设计过程中，团队的协作也是非常重要的，只有当3个成员相互配合相互体谅，才能