温度检测报警系统2

1前 言随着人们生活水平的逐渐提高，人们在物质上的要求也越来越高，比如说每个人家中都有空调，热水器，电饭煲等等电器设备，而这些东西都因为跟电联系到一起，所以存在很大的安全隐患。而怎么解决这些安全安全是大家一直关心的问题，而要解决这些问题就必须在一定层面上实现这些电器的智能化。同时，现在流感非常的严重，为了防止疫情的进一步扩散，也为了能让患者能够及时接受治疗，对流动人口进行温度检测变得非常重要。基于 PT100 所测量的温度温范围能够满足我们的要求，而且它有测量温度准确的特点，最重要的是我们能定义它的报警温度，当温度超过一定的值时，我们能通过一定电路驱动报警器的报警，对于解决一些由于温度造成的安全的问题非常的有用。该电路的最主要的特点就是它制作简单，而且稳定性，有一定的抗干扰能力，与其他的数字电路相比较，他的最大的特点就是它造价简单，有很好的实用价值。 2第一章 设计要求1.1 课程设计要求1、设计任务和要求 检测温度范围为 0100 ，采用箔电阻、精密电阻及电位器组成测量电桥作为温度传感器； 可设定报警温度上限值 0100 ，我们选的是超过 60 摄氏度的时候报警； 当检测温度超过设定上限值时，发出蜂鸣器报警声，要求报警声喃喃间断发声，频率约 1Hz；2、任务分配：将该温度检测系统分为五个模块，由五个人分别完成一个独立模块。3第二章 系统组成及工作原理2.1 温度采集和放大首先，通过温度传感器(PT100,I35MA)将温度模拟信号转化成一定的电信号，由于这个信号是一个相对较小和变化相对缓慢的信号，此时就需要一个对该信号放大的电路，考虑到有一定的干扰信号，而又要避免对干扰信号的放大，所以我们将采取差分放大电路，通过理伦计算当温度 100 的时候，对应的电信号最大，约等于0.15，所以我们的差分放大倍数在 30-100 内可调节。2.2 信号的过滤信号采集和放大处理好了，我们知道任何一个信号的采集都会夹杂着一些干扰信号，所以这个时候要对这个信号进行过滤了，而我们需要的信号是一个变化很缓慢的信号，所以我们选择 2 阶低通滤波器，上限频率约为 100HZ，根据fh=1/2piRC，于是我们取 R=5.1k，C=0.33uF.2.3 信号的控制如图所示我们用到的是最普通的比较器，通过设定相应的阈值（0-5.6V 可调） ，然后与采集到的信号做比较，当大于设置的信号时输出低电平，当小于设置的信号输出高电平。其中跟随器是输出电压稳定，增加带负载的能力。2.4 蜂鸣器的驱动根据设计要求当超过一定的温度时蜂鸣器要以 1HZ 的频率响，因此我们选了一个周期为 1 秒的方波振荡器，根据公式我们选 R3=1.39M，C=0.33uF.当温度超过设定的温度时，比较器输出低电平，有方波产生，蜂鸣器响，反之不响。2.5 电源先通过变压器变压，然后通过整流，滤波，问呀，最终我们得到正负 12V 和 5V 的电压。4图 2-1 直流电源电路方框图第三章 信号的采集及报警电路的设计3.1 温度采集检测图 3-1 PT100 实物图pt100 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。 PT 后的 100 即表示它在 0 时阻值为 100 欧 姆 ，在 100时它的阻值约为 138.5 欧姆。它的工业原理：当 PT100 在 0 摄氏度的时候他的阻值为 100 欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。 PT100分 度 表温 度 /度 阻 值 /欧 姆 温 度 /度 阻 值 /欧 姆 温 度 /度 阻 值 /欧 姆0 100.00 40 115.54 80 130.9010 103.90 50 119.40 90 134.7120 107.79 60 123.24 100 138.51530 111.67 70 127.08 110 149.29表 3-1方案一： 1.电路图 图 3-2 方案一原理图2.参数的选择 由上图可知 PT100 的在 100-200 之间变化，而通过 PT100 的电流不能大于35MA，所以我们选 1K 的电阻来限流。3.工作原理和调试方法（1） 、调试方法：当温度是 0 摄氏度的时候，调节 200 欧姆电位器，使从 1、2 出来的电压差为0， 并保持这个阻值不变。（2） 、工作原理：随着温度升高，pt100 的阻值也会随着温度的升高而增大，根据分压原理，从 1出来的电势势必会比 1 处高，形成一定的压差，这样就把温度信号转化了电信号了。方案二：1.电路图6图 3-3 方案二原理图2.参数的选择 选取电阻 R1 为 200 欧姆，输入的信号为直流电源 5 伏。3.工作原理当外界温度改变的时候，PT100 的阻值 R 也会随着改变，根据 U0=-5R/R1 可知此时输出的电压也随着温度的变化而发生了变化，这样就把变化的温度转化了可变的电压。方案的比较和选择1.方案一（1） 、PT100 总会存在一定的误差，理论上 0 摄氏度的是对应的阻值是 100 欧姆，而实际上是有误差的，我们在边上加一个可调电阻可以通过调节减少这个误差。（2） 、电路只有电阻组成因此造价便宜。而且又能很好的实现电路的效果。2.方案二（1） 、外围电阻的构造简单，直观而且不需要进行任何调试就能实现一定的效果。（2） 、由于运放会因为输出电压过大而工作在非线性区，所以检测温度的范围比较小，同时方案二不能像方案一通过可调电阻去减少误差，所以最后的误差会大于方案一的误差。（3） 、通过比较我们最终选择了方案一。3.2 蜂鸣器驱动模块1.设计原因该系统是温度检测报警系统，当温度超过某个温度时，要通过一定去告知人们现在处于超温状态，所以我们通过去驱动蜂鸣器发出报警的声音来告知人们。72.设计原理当运放的反相端输入高电平，由于这是个比较器电路因此输出的是就是低电平，这个时候（温度没有超过设定的温度） ，三极管工作在截止区，蜂鸣器不会响，当反相端输入的是低电平，输出高电平，通过给电容充电，然后放电产生方波，这个时候在半个周期工作在截止，在另外半个周期工作在饱和，从而控制了蜂鸣器以 1HZ的频率报警。3.参数的选择如上面的仿真电路图 1.3，产生的方波，周期接近一秒，根据公式T=2R3Cln(1+R2/R1),所以我们选择了 R1=R2=10K,C=0.33UF,R3=1.39M。如图 1.4 蜂鸣器的驱动部分，其中二极管是防止基电极和射极电压过高的，我们选了放大倍数为 100 倍的三极管 9013，电阻选 10k 都是为让三极管不在截止状态时工作在饱和区。4.芯片资料LM324 是 常 见 的 一 种 常 见 的 集 成 运 算 放 大 器 ， 它 具 有 14 个 管 脚 ， 其 引 脚 图见 图 3-2， 具 体 相 关 介 绍 见 附 录 2。图 3-4 LM324 管脚图实验中的电路如图 3-5 所示8图 3-5 蜂鸣器报警电路图5.报警模块元器件清单序号 名称 数量 规格1 电阻 3 10k2 电阻 1 1M3 电阻 1 390K4 电容 1 0.33UF5 运算放大器 1 LM3246 三极管 1 IN90137 蜂鸣器 18 二极管 1 IN40076.仿真模块9图 3-5 仿真第四章 电路及系统调试4.1 组装调试为了验证实验系统的合理性和可行性,需要对系统进行组装调试。本次课设五人一组，各尽其能，分了五个模块，有直流电源电路，温度检测放大电路，滤波电路，控制比较电路和蜂鸣器驱动报警电路。大家一起合作完成了五个模块的组装调试，最后一起进行了整个系统的调试。调试仪器：主要用到的是万用表。1.直流电源的装调10选用一个变压器，一个 IN4007 桥堆，一个 LM7812，一个 LM7912，一个LM7805，1 个 1k 电阻，1 个发光二极管以及若干电容，接好直流稳压电源电路。问题 用万用表测量从 LM7812 和 LM7912 输出的电压值不对。故障排除 误以为 LM7812 和 LM7912 是同样的，导致电压值不对。通过对这两个稳压芯片的拆装，并不断用万用表在一旁测量，然后用万用表测得 LM7812 和LM7912 分别输出 12V 和12V，满足要求。最后，用万用表测量从 LM7812 输出的电压值约为 12V，从 LM7805 输出的电压值约为 5V，从 LM7912 输出的电压值约为12V 后，就完成了直流电源部分。2.温度检测放大电路的装调选用一个 PT100，两个 1k 电阻和一个 200 电位器组成测量电桥作为温度传感器；选用一个 LM324 中的三个集成运放，两个 1k、两个 390、两个 20k 电阻和 1 个 10k 电位器组成放大电路。问题 组装过程中由于 LM324 管脚多，易于弄错，有接错管脚的现象发生。故障排除 仔细核对检查各管脚所对应的集运放和输出电路，并用万用表测试其输入和输出电压。最后，通过改变电位器数值至最大阻值 10k，经万用表的测量，放大倍数约为 60。3.滤波电路的装调选用两个 5.1k、一个 1k 电阻，两个 0.33F 电容和一个 LM324 中的一个集成运放，组成一个二阶低通滤波电路。滤波电路起到对信号过滤作用，其所用元器件较少且电路连接较为简单，基本上没什么问题。4.控制比较电路的装调选用一个 510、一个 1k 电阻，LM324 中的两个集成运放，一个 10k 电位器，一个 5.6V 稳压管和一个发光二极管，接好比较电路。11这部分电路连接也较为简单。最后，通过改变放大电路中 10k 的电位器阻值，并用万用表测得电压跟随器的输出电压在 05.6V 变化；通过改变与比较器相连接的10k 电位器阻值，控制电压值来控制报警温度。5.驱动报警电路的装调选用三个 10k、一个 1M、1 个 390k 电阻，一个 0.33F 电容，LM324 中的一个集运放，一个 IN4007 二极管，一个 IN9013 三极管和一个蜂鸣器，连接好驱动蜂鸣器电路。问题 连接上比较麻烦，管脚易接错。故障排除 通过个管脚接线的标示明朗化，使得各个管脚所对应的连线明确。由于这是系统的最后一个部分，也可以通过对整个电路的调试来发现其问题所在，同样可以对其它部分加以检验。4.2 总系统调试在各个部分都连接完成后，进行整个系统的调试工作。问题 1 整个系统共地连接时，有一处疏忽使得系统不能正常工作。故障排除 仔细查看电路板并用万用表对各处电压进行校验，发现一处需要接地的地方未接地。将该处接上地，使得系统工作正常，这处遗漏的接地花费了不少时间发现。问题 2 蜂鸣器的声音不够响。故障排除 蜂鸣器顶部的粘有一张贴纸，堵住了发音孔。揭去顶部贴纸，蜂鸣器发声响亮许多。12图 4-1 系统电路图（1） 、将 PT100 放入冰水混合物中，调节电桥中的电位器使 U3 的电压为 0 伏，并一直保持 R1 的阻值不变。（2） 、将 PT100 放入刚加热完的热水中，保持 U4 的电压为 5.6 伏（可调的最大的电压） ，调节电位器 R2 使 U3 的电压为 5.6 伏。（3） 、我们的温度报警系统是在温度超过 60 摄氏度的时候报警，因此我们的调试过程是，先将温度加热到 60 摄氏度，调节电位器 R3 直至让蜂鸣器发声。温度（摄氏度） U1(V) U2(V) U3(V) U4(V)0 0.45 0.45 0 01360 0.45 0.55 4.4 5.0100 0.45 0.61 5.6 5.6总结1.通过这次实验我们得出了一下结论：LM324 可以放大信号。2.在设计的过程中，将系统模块化，更有利于我们去选择电路的参数，更有利我们去分析和调试电路。143.在设计的过程中我们用了自己的理论知识去分析和计算电路图，虽然将所学的知识运用到现实当中去了，但是我们从这次课设中总结的结论是，理论永远是理论知识，而实际往往和理论的有些偏差，因为我们不可能把实际当中的任何情况都能考虑进去，只有通过不断地去调试，理论与实际结合才能把系统顺利完成。4.通过这次课程设计过程，我觉得不能什么事都说成是理所应当是这样，我们这次试验中就以为 7912 和 7812 是同样的原理，结果导致我们出现了种种问题，浪费了很多的时间。5.我们对电路和低频这两本书有了更深层次的认识，掌握了如何运用书本的知识去做一个较简单的系统，最终，通过大家努力把温度检测报警系统设计出来了。6.但是，就实际情况而言，本电路还是其不足之处。首先，本电路所用的元器件以及整体构思都比较一般，并没有什么先进性。其次，元器件的精确度也不是很高，比如用 LM324 放大器，其精确度也是有限的。再有，自己所设计的放大部分的参数选取不够完美，问题考虑不周，并不是所有温度都能超限报警。然后，由于所学知识和能力有限，设计的电路还有不完善之处，许多地方仍然需要改进，从而减小误差，增加其实用性。这个可以当我们所学知识更加充分时去完善它。展望本次课设加深了对所学理论知识的理解，使自己得到了锻炼，也同样遇到了许多问题，实验的电路性能不是很完善。实验中需要将学到的知识熟练应用，做到理论与实际相结合。而用实际器件搭建电路，培养了我们学生分析问题、解决问题的实践能力。在做系统调试时，虽然知识运用于实践，但是实际往往和理论有所偏差。实际中存在着许多客观和人为的因素，比如仪器的精准与否，元器件的实际值等，这些都需要加以考虑，做到理论联系实际，才能有助于实验的成功。参考文献1华成英.模拟电子技术基本教程. 北京:清华大学出版社,20062邱关源,罗先觉.电路.5 版. 北京:高等教育出版社,20063邓谦,刘清平,张琦,黄丽贞.电子技术实践 2低频电子线路实验指导书. 15南昌:南昌航空大学信息工程学院电子实验实践中心(自编),2010附 1 元器件清单：序号 名称 规格 数量161 电阻 1M 12 电阻 390k 13 电阻 20k 24 电阻 10k 45 电阻 1k 66 电阻 510 17 电位器 10k 28 电位器 200 19 电容 1000F 210 电容 100F 211 电容 0.33F 512 电容 0.1F 113 二极管 IN4007 114 稳压二极管 5.6V 115 发光二极管 216 三极管 IN9013 117 桥堆 IN4007 118 稳压芯片 LM7812 119 稳压芯片 LM7912 120 稳压芯片 LM7805 121 温度传感器 PT100 122 运算放大器 LM324 223 变压器 124 蜂鸣器 125 万用板 2附 2 部分元件介绍：1.lm324简 介 ：LM324系 列 器 件 为 价 格 便 宜 的 带 有 真 差 动 输 入 的 四 运 算 放 大 器 。 与 单 电 源 应用 场 合 的 标 准 运 算 放 大 器 相 比 ， 它 们 有 一 些 显 著 优 点 。 该 四 放 大 器 可 以 工 作 在 低17到 3.0伏 或 者 高 到 32伏 的 电 源 下 ， 静 态 电 流 为 MC1741的 静 态 电 流 的 五 分 之 一 。共 模 输 入 范 围 包 括 负 电 源 ， 因 而 消 除 了 在 许 多 应 用 场 合 中 采 用 外 部 偏 置 元 件 的必 要 性 。 每 一 组 运 算 放 大 器 可 用 图 1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 的位 相