模电课程设计 温度报警器

课程设计报告书温度报警器的设计学院电子与信息学院专业班级学生姓名学生学号指导教师课程编号课程学分起始日期教师评语教师签名：日期：成绩评定备注目录一、选题背景……………………………………………………………1二、方案论证(设计理念)……………………………………………11、设计题目要求……………………………………………………………12、总体设计方案……………………………………………………………12.1设计思路…………………………………………………………12.2设计方案……………………………………………………………12.3方案论证与比较……………………………………………………2三、单元电路设计3．1窗口比较器电路………………………………………………33．2555多谐振荡器电路…………………………………………33．2三极管基本开关电路……………………………………………4四、整机电路4.1整机电路图……………………………………………………54.2元件清单………………………………………………………7五、性能指标的测量与分析………………………………………75.1电路测试………………………………………………………………75.1.1测试使用的仪器………………………………………………75.1.2指标测试步骤、测量数据与分析…………………………75.1.3故障分析及处理………………………………………………8六、课程设计总结…………………………………………………9七、参考文献………………………………………………………………101温度报警器的设计一、选题背景设计制作一个测温电路，能够根据环境温度的变化产生相应的反应。若外界温度t1，测温装置感所应的温度t(tt1)，加热到t2：若t1tt2，电路以指示灯闪亮，但扬声器不报警；若tt1或者tt2，电路指示灯熄灭，同时扬声器报警，警报声频率为1kHz。二、方案论证(设计理念)1设计题目要求本课题要求设计制作一个测温器，检测并显示环境温度的变化。要实现的功能：假设常温为t1、经加热后的温度为t2，当测温装置感所应的温度t：t1tt2，电路以指示灯闪亮，闪烁频率为0.5Hz，但扬声器不报警；ttt2，电路指示灯熄灭，同时扬声器报警，警报声频率为1kHz。应解决的主要问题：为完成上述课题所要求的功能，重点在于：如何将不同区间的温度转化成我们所需要的电压或电流信息，进而通过这些信息实现不同温度区间的功能的实现；对扬声器和电路指示灯不同频率的控制。应达到的技术要求：对温度信号的准确获取；对扬声器和电路指示灯的频率的准确控制；各电路模块的整体配合。本课题在于检测环境中的温度变化，可准确地运用于环境温度的检测。2．1设计思路使用窗口比较器进行对电压信号的筛选，使用555振荡器控制蜂鸣器和指示灯的闪烁频率，使用反相器对高低电平进行转换。2．2提出方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出以下几种方案：2．2．1方案一①原理方框图（图1）2图1方案一原理图②原理通过窗口比较器使电路分为两部分，一部分直接连接555多谐振荡电路，控制蜂鸣器响应，另一部分通过反相器接555以及指示灯，使之满足一下条件。当t1tt2时，比较器输出低电平，使用三极管的基本开关电路输出高电平，，使振荡器工作，指示灯闪烁；而蜂鸣器所接555的RD’端为低电平，不工作。当tt1或者tt2时，比较器输出高电平，接入555的RD’端，蜂鸣器响；而指示灯所接555的RD’端为低电平，指示灯不工作。2．2．2方案二①原理方框图（图2）图2方案二原理图②原理先将温度变化转化成的电压变化输入555多谐振荡器，在555多谐振荡器的输出端使用窗口比较器，对输出信号进行判断，并选择使蜂鸣器工作或者指示灯工作。2．3对各方案进行可行性分析、比较，选出最佳方案。方案一在实行起来可以分步完成每个部分的电路，最后再一起进行调试。先使用窗口比较器，可以准确区分电压的不同，并使用两个555多谐振荡器进行频率的设定，比较方便。3方案二首先用555多谐振荡器将输入电压转化成频率，但是由于指示灯和蜂鸣器的频率要求不同，在之后的电路中难以达到频率要求，将窗口比较器接在多谐振荡器的输出部分也比较复杂。因此，选择方案一进行实验。三、单元电路设计3．1窗口比较器电路3．1．1窗口比较器电路及其工作原理或功能说明窗口比较器具有两个门限电平，可以检测输入模拟信号的电平是否处在给定的两个门限电平之间。在元件选择与分类，或对生产现场进行监视与控制时，窗口比较器(图3)是很有用的。当输入电压uIURH时，uIURL,所以集成运放A1的输出uO1=+UOM，A2的输出uO2=-UOM。使得二极管D1导通D2截止,稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。当输入电压uIURL时,uIURH,所以集成运放A1的输出uO1=-UOM，A2的输出uO2=+UOM。使得二极管D2导通D1截止,电流通路如图所标注，稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压uO=+UZ。URLuIURH时,uO1=uO2=-UOM，所以D1和D2均截止,稳压管截止,uO=0。URH和URL分别为比较器的两个阈值电压,设URH和URL均大于零,则传输特性如图4所示。图3窗口比较器图4传输特性3．1．2窗口比较器电路元件的选取与计算（元件标号见整机电路）R(20度)=12.2kΩR(70度)=2.0kΩ取R1=8.2kΩ，可得R6：R7：R8=3:1:2。因此取R6=3kΩ，R7=1.1kΩ，R8=2kΩ。3．2多谐振荡器电路3．2．1多谐振荡器电路及其工作原理或功能说明由555定时器构成的多谐振荡器如图5所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，4故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。x图6所示为工作波形。图5555多谐振荡器图6振荡器波形3．2．2多谐振荡器电路元件的选取与计算（元件标号见整机电路）T=C（R1+2R2）ln2；f=1/T.蜂鸣器：f1=1kHz；T1=1ms所以C1（R11+2R12）=1.44e-3，取C1=10nF，R11=R12=47kΩ。指示灯：F2=0.5Hz；T2=2s所以C3（R15+2R16）=2.88，取C3=10uF，R15=R16=100kΩ。3．3三极管基本开关电路3．3．1三极管基本开关电路及其工作原理或功能说明5负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上，输入电压则控制三极管开关的开启与闭合动作，当输入电压大于开启电压时，三极管呈开启状态时，有基极电流流动，使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃工作于饱和区，集电极电压接近0；当输入电压为低电压时，三极管呈闭合状态，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃工作于截止，集电极电压接近电源电压。图7三极管基本开关电路3．3．2三极管基本开关电路元件的选取与计算（元件标号见整机电路）在输入高电平的时候，三极管导通，为了使输出为低电平，应该使压降足够大，因此R4要足够大，我选取R4=62kΩ。为了防止R3分压太大，影响高电平，因此R3应该选取较小的电阻，我选取R3=1kΩ。四、整机电路4.1整机电路图6图8整机电路图74.2元件清单R1=8.2kΩC1=10nFR2=mf58热敏电阻C2=100nFR3=1kΩC3=10uFR4=62kΩC4=100nFR6=3kΩD1二极管R7=1.1kΩD35.1V稳压管R8=2kΩD43V稳压管R10=1kΩD5二极管R11=47kΩD65.1V稳压管R12=47kΩR15=100kΩR16=100kΩR18=1kΩ此外，还有Lm3241个,三极管90141个，5552个，蜂鸣器1个，绿色发光二极管1个，以及8V电源。五、性能指标的测量与分析对研究过程中所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。5.1电路测试5.1.1测试使用的仪器直流电压源，示波器，万用表。5.1.2指标测试步骤、测量数据与分析表1热敏电阻降温常温加热比较器输出7.9V0.011V7.5V集电极电压0.019V7.9V0.022V蜂鸣器响不响响指示灯不闪烁闪烁不闪烁频率1.1khz0.54hz1.1khz8结果分析：正常温度下，窗口比较器输出低电平，经过反相器之后变成高电平，灯光闪烁模块启动；当温度不在指定温度范围内时，比较器输出高电平，此时灯光闪烁模块停止运行，音频报警模块启动，蜂鸣器工作。指示灯工作波形仿真（图9）图9指示灯波形仿真分析：工作频率0.54Hz，工作周期1.85s。蜂鸣器工作波形仿真（图10）图10蜂鸣器波形仿真分析：工作频率1.1kHz，工作周期0.909ms。5.1.3故障分析及处理在调试时发现窗口比较器输出高电平时，指示灯和蜂鸣器都在工作，用万用表测量，发现反相器的输出电压有0.3V，使555多谐振荡器工作了，为了让反相器输出电压接近0，增大集电极电阻的阻值，最终使用了62kΩ的电阻，使输出接近0。发光二极管直接接多谐振荡器的输出，发现会烧坏二极管，因此查找了资料，绿色LED的工作电压为3V左右，所以选择3V的稳压二极管与1k的电阻串联，并将指示灯并联在稳压二极管两端。9三、课程设计总结这次的课程设计，让我扎实了自己的数字电子技术与模拟电子技术的知识。由于是第一次做这种课程设计，在开始看到题目的时候完全不知道从哪里入手，没有任何思绪，于是去网上找到了一些温度报警器的原理图，还有一些温度报警器电路的设计思路及方法。然后，我自己便有了一些对本电路的设计方案，再结合上学期学习的模电与数电课程，对于我想要达到的要求，参考课本找到了相应的电路。再分别对应不同的要求，比如频率要求，温度要求，来计算参数，最后将不同分工的电路连接在一起，在multisim上先进行了仿真，也让我更加熟悉了这个软件的使用。虽然电路图设计好了，但是在面包板上做的时候也出现了不少困难，首先，元件并不是完全按照要求的，因此测试的时候有很大的误差，为了达到要求，不得不更换元件，因此最后使用的元件与计算的值有部分不同。而实验时小的错误经常会被放大，时实验结果不正确，也让我知道了做每一步都要仔细和严谨。拼接电路也不是很顺畅，因为平时没有用过，做起来并不能得心应手，这次实验也提高了我的动手和实践能力。10参考文献[1]清华大学电子学教研组编.阎石主编.数字电子技术基础(第5版).北京：高等教育出版社，1983.4.1.[2]清华大学电子学教研组编.童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础(第4版).北京：高等教育出版社，1980.9.1.［3］模拟电子技术实验，华南理工大学电气信息及控制实验教学中心，2014.9.