33温度报警器

2015模拟电子技术课程设计说明书温度报警器学院：电气与信息工程学院学生姓名：刘拓指导教师：龙卓珉职称/学位：硕士讲师专业：通信工程班级：通信1301班学号：1330440104完成时间：2015年6月前言本设计介绍了温度报警器的设计。系统的电源采用自行设计并制作的±12v，+5v直流稳压电源。根据模拟电子技术所学知识及课程设计的要求，综述了变压、整流、滤波、稳压四个过程，对各种实施方案进行了比较，并进行电源各参数的设计和制作。温度报警器，它是一种简易温度测量电路，以温度传感器AD590,运算放大器uA741为核心元件，由电压跟随器，同相比例放大电路，差分放大电路，电压比较器四个基本电路构成。经测试证明，当测试温度达到50时，LED(LightEmittingDiode,发光二极管)灯亮报警，实现了设计要求的预期目标。目录1设计方案论证与选择…………………………………………………1.1电源模块的论证与选择………………………………………1.2温度传感器的论证与选择…………………………………………1.3报警设备的论证与选择…………………………………………1.4显示器模块的论证与选择…………………………………………1.5温度传感器的论证与选择…………………………………………2设计框图及各单元电路功能设计…………………………………………2.1直流稳压电源的设计…………………………………………2.1.1整流电路…………………………………………2.1.2滤波电路…………………………………………2.1.3稳压电路…………………………………………2.2直流稳压电路参数确定…………………………………………2.2.1三端集成稳压器的选择…………………………………………2.2.2整流电路参数选择…………………………………………2.2.3确定变压器容量和次级电压…………………………………………2.2.4滤波电容容量和耐压的选择…………………………………………2.3设计温度报警器的系统框图…………………………………………………2.4温度报警器的各单元电路设计及参数确定…………………………………2.4.1温度传感器……………………………………………………………2.4.2温度—电压转换电路的设计………………………………………2.4.3产生2.73v基准电压…………………………………………………2.4.4差分放大电路的设计…………………………………………………2.4.5电压比较器的设计……………………………………………………2.4.6驱动报警电路的设计…………………………………………………3.温度报警器的仿真………………………………………………………………4.3PCB的制作与封装………………………………………………………………5电路安装与调试及测试结果………………………………………………5.1温度报警器的制作…………………………………………………5.2温度报警器的调试…………………………………………………5.3温度报警器的调试结果………………………………………………5.4调试过程中遇到的问题…………………………………………………5.5结果及误差分析………………………………………………………………参考文献……………………………………………………………………………….致谢……………………………………………………………………………………附录……………………………………………………………………………………11设计方案论证与选择1.1电源模块的论证与选择方案一：采用干电池供电。干电池价格低廉、携带方便、运用灵活，但不能循环使用，并且对土壤、水体污染严重，有悖于低碳环保，因此不用该方案。方案二：用直流稳压源供电，因为直流稳压源可直接输出,与+电压。这种方法用电方便，排针与电子线束配套使用引入温度报警器的电压输入端，可以不间断的供电，并且直流稳压源可以循环使用。综合比较以上两种方案选择低碳、环保的方案二，使用直流稳压源供电。1.2温度传感器的论证与选择方案一：采用美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器AD590。这种传感器可随被测温度的变化实时变化，它是一种电流型二端器件，其内部已作修正，具有良好的互换性和线性。且灵敏度高、稳定性好、价格便宜、对温度外的物理量不敏感、不易发生化学反应。方案二：采用由NationalSemiconducoter生产的电压输出型LM35温度传感器，其输出电压为摄氏温标。综合比较以上两种方案选择方案二，这里采用市面上较常见、性能较好的温度传感器AD590集成温度传感器。1.3报警设备的论证与选择方案一：采用LED灯发光报警，这种报警方式比较直观，利用LED不同的状态就可以判别出此时的温度处于的状况。方案二：采用蜂鸣器发声报警，这种报警方式可以使工作人员在一定距离范围内监测到温度异常进行及时处理。综合比较以上两种方案发现两种方案各有优势，为节省设计成本，选择较直观的方案一，采用LED灯发光报警。1.4显示器模块的论证与选择方案一：不使用显示设备，直接利用LED灯发光报警。这种方案可以使系统大大简化，但是温度值不能直观的读出，如若报警系统出现故障就不能被使用者及时的发现，有可能会照成大量的经济损失，因小失大故不可取。方案二：用数字电压表实现数值的显示。数字电压表相对来说比较直观、明2亮，用起来比较方便，且方便检查。综合比较以上两个方案选择方案二，可直接显示电压，方便检查。2设计框图及各单元电路功能设计2.1直流稳压电源的设计2.1.1整流电路整流电路是把经50w的变压器变换后的交流电压1U转换成脉动的直流电压2U。此处我们选用单相桥式整流电路，它效率较高，使用比全波整流方便，变压器无需抽头，其原理图见图1。整流二极管承受的最大反向电压为整流二极管承受的最大反向电压为22U（2U为ab端电压的有效值），整流输出电压的平均值20.9LUU。整流二极管是两两轮流导通的，所以流过每只二极管的平均电流为12/45.0RUID,电压电流波形图见图2。图1单相桥稳压电路原理图2.1.2滤波电路滤波电路是用于整流输出的纹波，一般由电抗元件组成。由于该直流稳压源输出电流不需很大，且负载几乎没什么变化，所以我们选用结构较简单的电容滤波电路，电容滤波电路简单，负载直流电压LV较高，纹波也较小。滤波电容C应满足：式中T为输入交流信号周期；R为整流滤波电路的等效负载电阻。整流滤波电路原理图如图3所示。(3~5)2TCR3图2单相桥整流电路电压、电流波形图图3整流滤波电路原理图2.1.3稳压电路稳压二极管：稳压电路可以利用稳压二极管的反向击穿特性。由于反向特性都只，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。三端集成稳压器：三端集成稳压器是一种串联式调整式稳压器，内部设有过热、过流和过压保护电路。将整流滤波后的不稳定的直流电压接到三端集成稳压器输入端，经三端稳压器后在输出端得到某一值的稳定的直流电压。集成运放只需固定的12V和+5V电源即可，因此选用固定三端稳压器。2.2直流稳压电路参数确定2.2.1三端集成稳压器的选择因为要得到12V和+5V的输出电压，输出电流的最大值Iom=500mA即可，所有选择的稳压芯片为LM7812、LM7912、LM7805。稳压器的输入电压LV即滤波电路的输出电压。LV太低则稳压器性能将受到影响，甚至不能正常工作；LV太4高稳压器功耗增大，会导致电源效率下降。LV最低必须保证输入、输出电压之差大于2-3v。同时考虑电网电压下浮10%时，滤波电容上的电压也会下浮10%。综合考虑以上因素，稳压器输入电压取LV=18V。2.2.2整流电路参数选择在含稳压器LM7812、LM7912的电路中的二极管选择:由于二极管最大瞬时反向工作电压Urm1.414U2=12×1.414=17V在含稳压器LM7805的电路中的二级管的选择:由于二极管最大瞬时反向工作电压Urm1.414×U2=15×1.414=21VIN4001的反向击穿电压vURM50,额定工作电流I=1AIom.故整流二极管选用IN4001.2.2.3确定变压器容量和次级电压滤波电容上电压的平均值应取变压器次级电压的1.2倍，前面分析中稳压器输入电压取18v，故变压器次级电压应为:稳压器输出功率12v*500mA=6w；稳压器自身功率（18v-12v）*500mA=3w；小功率变压器效率可达90%，则变压器容量为（6w+3w）/90%=10w。2.2.4滤波电容容量和耐压的选择滤波电容上的峰值电压为变压器上次级电压的峰值。由于变压器次级电压取15v，则其峰值电压约为21.21v。由于电解电容容易损坏，一般应使用其耐压值的80%，故滤波电容上的耐压应达到26.5v。再考虑电网上波动，故滤波电容耐压值取30v。因为,而312,15,5,310OioppVUvUvUmvS所以滤波电容为max3846CoiiItICFUU,电容C的耐压应大于2221.21Uv,故取4700uF的电解电容作为滤波电容。18v=15v1.2IIoOVUUUUS5152.08123oppiiOVUUUVUS52.3设计温度报警器的系统框图温度测量过程介绍：将AD590置于空气中，接上电源以后，将会产生相应大小的电流，电流经过Ro，在Ro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一个差分放大电路以达目的，即减去一个2.73V的电压，且将电压放大十倍，实现数字电压表显示，可以利用运放电路来提供所需要的2.73V电压。之后可将电压跟随器的输出电压与由同相比例放大电路的产生的2.73V接至差分放大电路的两端。在差分放大电路作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。在端接一数字电压表，即可读的温度值。比如空气温度为12℃，则电压表的示数为1.2V。完成了电压的读取，还需进行电压比较以达到报警的目的。在前面已经讨论了比较器的原理。设计所要求的报警温度为50℃，即比较电压为5V。所以应该在比较器比较短输入5V恒压源。当输出电压小于5V时，0。此时二极管截止。当输出电压大于5V时，0。此时二极管导通,LED发光，报警过程完成。设计系统框图如图4所示。图4温度报警器的系统框图2.4温度报警器的各单元电路设计及参数确定2.4.1温度传感器AD590的灵敏度为。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。注意R的阻值不能取得太大。其元件符号图如图5。被测对象转换电路+电压放大电路产生2.73V基准电压驱动报警电路数字电压表电压比较电路6图5AD590的元件符号2.4.2温度—电压转换电路的设计该课程设计中采用AD590集成温度传感器进行温度～电流转换。它是一种电流型二端器件。设计如图6所示的温度-电压转换电路，AD590通过感应温度产生电流，电流通过电阻，得到一个电压，再通过一个电压跟随器进行缓冲稳压得到，实现温度-电压的转换。图6温度—电压转换电路由图6可得：；取，则。72.4.3产生2.73v基准电压因为AD590的温控电流值是对应绝对温度K，而在设计中需要采用，所以需要产生一个2.73v的基准电压，作为下一级的差分放大电路的输入。设计电路图7所示。图7产生2.73v基准电压由图7可得:取得由虚短和虚断可得取得2.4.4差分放大电路的设计8图8差分放大电路为了使数字电压表显示的温度是，且经过变换得到的电压值较小，所以设计一个差分放大电路，同时实现变换与电压放大，使其输出满足，便于电压读数与电压比较。所以设计图如图8所示。由于是差分放大电路，为了简化公式，我们使由虚短和虚断可得这里我们取放大倍数为10，所以可取得2.4.5电压比较器的设计图9电压比较器9图9是一个反相迟滞比较器，它是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。由于前期温度已转换成电压（1℃相当于0.1V的电压），所以，此处设定为5V（即50℃）。电压与比较,当大于时，为低电平；反之，则为高电平。作为泄流电阻