温度报警器的设计

温度报警器的设计一、任务和要求：①将被测温度（0～100℃）转换为电压值；②小于10℃或大于30℃声、光报警（LED亮）；③可采用箔电阻组成测量电桥；二、设计框图温度模拟信号直流电源温度模拟信号直流电源放大比较电路音频报警器三、所需仪器设备1、模拟电子试验箱一台2、数字万用表一块3、双踪示波器一台4、直流稳压电源一台5、剪刀、平口起子、镊子各一把6、面包板一块一、设计方案及思路1.1整体电路构思本次温度报警电路的设计我们用压电陶瓷蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过电压的变化来模拟温度的高低，以0℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv；由于变化的电压值较小，所以我们采用放大电路对其进行放大100倍，然后通过后级比较电路对电压进行比较，当温度在10℃至30℃范围内（允许误差±1℃）即电压在20mv至60mv时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，即当接收到的输入电压（前级放大器的输出）小于2V（10℃时放大器输出为2V）或者大于6V时（30℃时放大器输出为6V），输出高电平以驱动后级的发生报警电路报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即当温度高与30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀—嘟”声响；当温度低于10℃时，报警器发出单频率声响；电路所需直流电源由5v和12v的直流电压提供。1.2设计方案电路框图如下：温度模拟信号直流电源温度模拟信号直流电源放大比较电路音频报警器根据整体构思，所设计电路分为四个模块：直流电源、信号放大电路，比较电路和报警电路。其中直流电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压器组成；放大器的设计采用集成运放放大；对于比较器我们选择窗口比较器，通过电压的变化可以模拟实现高温低温。报警电路有单双频之分，选用555定时器作成多谐振荡器，以分别实现单双频报警。二、单元电路设计1、直流电源电路设计直流稳压5V,12V电源的设计，输入交流电220v（峰值312v）50hz。稳定直流电源设计的一般思路是让输入电压交流电220v（峰值312v）50hz先通过电压变压器（降压到合适的数值，如16v），，再通过整流网络（将正弦波电压转换为直流脉动电压（直交流成分均有）），然后经过滤波网络（减小电压的脉动），最后经过稳压网络（使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻的影响）。采用整流桥实现整流的目的，以2200uF的大电解电容作为滤波电路，采用固定式三端集成稳压器7805、7812来稳定输出电压。如下图所示，220V（幅值311V）50Hz交流电经变压器220:16输出两组独立的16V交流电，经整流桥、大电容滤波后分别经过集成稳压块7812与7805作用得到+12、+5V的直流输出电压。稳压电源组成如图1所示：图1直流电源系统方框图电源变压器：将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。图Proteus模拟直流电源电路图2.2放大和比较电路的设计Ⅰ、放大器电路放大器电路图：此电路是同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈。该电路的放大倍数为：处加一个+12v的直流电压（即7812的输出端），通过滑动电位器来改变放大器的输入电压。根据实验设计要求（当温度在10℃至30℃范围内（允许误差±1℃）时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，报警器发出声响。以0℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv）即低于20mv报警（単频），20mv-60mv不报警，高于60mv报警（双频）。经过LM324放大100倍后，就变为0~1.9v报警（単频），2v~6v不报警，6.1v~10v报警（双频）。再经过窗口比较器…注意事项：与要取合适的值，应尽量小点，以提高电路的灵敏度。Ⅱ，窗口比较器电路窗口比较器电路图：由LM324中的两个运放组成1个窗口比较器，以12v为电源电压，通过调节电位器RV2、RV3来确定窗口比较器的两个基准电压，使分别为2V、6V，调节好后使其稳定不再变化。放大器的输出电压与两个基准电压进行比较，若小于2v，则B运放输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过D15v稳压管使输出电压稳定在5v；若在2v与6v之间，则运放B与C输出都为低电平，即电压为0；若大于6v，则运放C输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过D15v稳压管使输出电压稳定在5v。注意事项：稳压管D1、D2的作用是稳定窗口比较器的输出电压，但前提是窗口比较器的输出电压必须大于稳压管D1、D2的稳压值。运放输出端所加保护电阻不应过大否则稳压管将起不到稳压作用。2.3、温度报警电路根据任务与要求，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。Ⅰ，低温报警电路此电路中4端口接窗口比较器的D1稳压输出，4端口为一个复位端，当D1为高电平（温度低于10℃即放大电路输出电压小于2v）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出单频声音报警。此振荡电路的振荡周期为占空比：Ⅱ、高温报警电路高温报警采用双频报警，该部分用到了两片555定时器。U5的作用是控制高低音的持续时间，高电平持续时间即为电容C的充电时间，低电平持续时间即为电容C的放电时间；U6的作用是将高音与低音转换成频率然后输出。对于U5振荡电路的充电时间为：即高电平持续时间也就是低音的持续时间。放电时间为：即低电平持续时间也就是高音的持续时间。占空比：当U5输出为地电平时对于U6振荡电路的振荡周期为+高音振荡频率:当U5输出为高电平是U6振荡电路的振荡周期为：+低音振荡频率:根据参数计算公式可得，双频的高低音持续时间以及高低音频率只与和555外部连接的电容C和电阻有关，因此我们可一通过改变555外部电路的电容和电阻的大小来控制多谐振荡电路的振荡周期从而控制蜂鸣器发出声音的高低和频率。U6的4端接D2端稳压输出电压，当D2为高电平（温度高于30℃即放大电路输出电压大于6v）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出“嘀—嘟”的双频声音报警。三，电路仿真分析通过用Ptotues软件进行仿真，将各个模块连接好后进行仿真。电路图如下；仿真结果：1，当温度低于10℃时发出单频报警输出波形如下：2．当温度高于30℃时发出双频报警输出波形如下：四、电路的装调和分析本次课设三人一组，我们分了四个模块，有直流电源电路，放大电路，窗口比较器电路，单蜂鸣报警电路以及双蜂鸣报警电路。五、参考文献1）《数字电子技术基础》第五版主编：阎石高等教育出版社2）《模拟电子技术基础》第四版主编:童诗白华成英高等教育出版社3）《电子设计从零开始》主编：杨欣王玉凤刘湘黔清华大学出版社2005年六、附录附录A.元器件管脚图及功能1）W7805、W7812管脚图将正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右三却分别是123脚。它们的1、2脚是电压输入端，1接电源正，2接地。它们的2、3脚为电压输出端，3接电源输出，2接地。78xx系列稳压器的最大输出电流为1.5A，最大输入电压为40V。2）LM324的管脚图：LM324是四运放集成电路，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它采用14脚双列，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上图左所示的符号来表示，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。V-也可接地，即LM324可以单电源工作。（3）555定时器1——地GND5——控制电压2——触发6——门限(阈值）3——输出7——放电4——复位8——电源电压Vcc555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端和2端的输入电压。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。输入输出复位u11u12输出u0l晶体