超限温度报警器电路设计.doc

超限温度报警器的电路设计内容摘要： 利用热敏电阻器的温度传感特性，通过其电阻随温度变化而变化，从而在电路中产生电压变化，使其从温度信号转变为电信号，电信号通过集成运放放大，让电压与预设电压进行比较，再通过一个或门电路使输出是否产生电压信号，产生的电信号控制三极管产生开关效应控制报警器报警设计指标： 当外界环境温度高于或低于人体温度10度时，发出报警声音 温度传感器只能用热敏电阻系统框图：方案设计：方案一：如图所示，电路通过热敏电阻的传感效应，产生的电压变化与预设电压进行比较，再通过或门电路与三极管构成开关电路控制报警器发声。方案二：改进方案一电路图，如下：对方案一的修改说明：1：将或门电路改换成两个二极管，从而同样达到了开关效果，这样可以不用或门，从而节约或门，因为此处只用一个或门中的一个电路，不能把或门器有效的利用，而且二极管比或门便宜很多，从而节约成本！2：对方案一中的固定电阻换成两个电位器，从而可以方便的调整电路的参数，使其适用于不同的环境，这就提高了报警器的适用性！各单元电路设计,电路原理,及元器件选择1.热敏电阻热敏电阻是一种半导体材料制成的敏感元件,当温度变化时热敏电阻值将发生显著变化，如果在热敏电阻两端加上电压，则流过热敏电阻的电流将随温度变化，即将温度的变化转化为电信号。热敏电阻通常分为正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数（NTC）热敏电阻、临界温度系数热敏电阻、开关型热敏电阻四种。平时常用的是PTC和NTC两种热敏电阻正温度系数热敏电阻器（PTCpositive temperature coefficient thermistor）结构用钛酸钡（BaTiO3）、锶（Sr）、锆（Zr）等材料制成的。属直热式热敏电阻器特性电阻值与温度变化成正比关系，即当温度升高时电阻值随之增大。在常温下，其电阻值较小，仅有几欧姆几十欧姆；当流经它的电流超过额定值时，其电阻值能在几秒钟内迅速增大至数百欧姆数千欧姆以上。作用与应用广泛应用于彩色电视机消磁电路、电冰箱压缩机启动电路及过热或过电流保护等电路中、还可用于电驱蚊器和卷发器、电热垫、暖器等小家电中。负温度系数热敏电阻器（NTCnegative temperature coefficient thermistor）结构用锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、铝（Al）等金属氧化物（具有半导体性质）或碳化硅（SiC）等材料采用陶瓷工艺制成的。特性电阻值与温度变化成反比关系，即当温度升高时，电阻值随之减小。作用与应用广泛应用于电冰箱、空调器、微波炉、电烤箱、复印机、打印机等家电及办公产品中，作温度检测、温度补偿、温度控制、微波功率测量及稳压控制用。该设计中采用的是负温度系数电阻；其电阻随温度变化曲线如图示：如图所示： 当温度T变化时，R2的阻值将发生变化，从而电压发生变化。这样便达到温度的变化转化为电压的变化的传感特性。2.电压的放大电路：集成运算放大电路是一种具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出电阻的直接耦合放大。电路在线性应用时，要加深度的负反馈电路才能工作。理想运放电路线性应用的分析依据：（1）“虚短”概念； （2）“虚断”概念。负反馈电路对放大电路的影响 负反馈使放大电路的电压放大倍数降低，但使放大电路的工作性能得到了提高和稳定。负反馈可改善非线形失真，展宽通频带等。输出电压与输出电流得到稳定电压负反馈具有稳定输出电压的作用；电流负反馈具有稳定输出电流的作用。对输入电阻和输出电阻的影响串联负反馈使输入电阻ri增大；并联负反馈使输入电阻ri减小。电压负反馈可使输出电压基本稳定，致使输出电阻ro减小；电流负反馈可使输出电流基本稳定，致使输出电阻ro增大。下面介绍由集成运放组成的比例运算电路有反相输入和同相输入两种基本电路：1） 反向比例运算放大电路如图所示： R1为输入回路电路电阻，Rf为反馈电阻，该电路也属于并联负反馈放大电路。Rp为直流平衡电阻，其作用是使集成运放输入端对地直流电压电阻相等，从而避免运放输入偏置电流在两输入端之间产生附加的差模输入电压，要求Rp=R1Rf。根据反向比例运算放大的输入电压与输出电压特性，可得电压增益为。 2） 同向比例运算放大电路如图所示：电路构成深度电压串联负反馈，Rp为平衡电阻，其应该满足Rp=R1Rf，根据同向比例运算放大的输入电压与输出电压的关系，电压增益为：同相比例运算放大电路与反相比例运算放大电路比较，同相输入方式具有电压增益总是大于1，输入电阻高等优点，但由于运放同相端电压与反相端电压等于输入电压，因此输入端有较大的共模信号，故要求集成运放有较高的共模抑制比和较大的共模信号输入电压范围。而反相输入方式电压增益可以小于1也可以大于1，同相与反相输入端电压几乎为零，没有共模电压，但输入电阻等于输入回路电阻，其值比较小。3电压比较触发电路电压比较通常为信号幅度比较。信号幅度的比较就是将以各模拟量的电压信号和一格参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跳变。通常用于越界报警、模数转换和 波形变换等场合。常用的幅度比较器有过零比较器、具有滞回特性的过零比较器、双限比较器（又称为窗口i比较器）如图所示为一得意的电压比较电路：该设计实验采用LM324。它是由运放集成电路。由四组完全相同的运运算放大构成。除电源以外四组运放皆两两相互独立。它有多种用途，如作运算放大电路（交流或直流），电压比较电路，当它用作电压比较电路时灵敏度高。当电压V+V1+0.04v时，该运放便会在输出端产生动作。当采用单电源供电时，其工作电压范围为3v30v。若采用双电源供电，其工作电压范围为：+-1.5v+-15v。该电路工作原理为：当输入端的电压V1V2则运放A2的输出端V30，当输入端电压V1V2，则运放A3的输出端电压V40。比较电路与二极管D1,D2构成或门电路。当V30时,V4必然小于0。A3与D2断路。V00有输出。当V40时，V3必然小于0。A2与D1断路。V00有输出。当V2ViV1时。电路断路，V00没有输出。4.声音报警电路报警电路采用振荡电路,如图所示为一个文氏电桥振荡电路:它是由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节四部分组成文氏电桥振荡器又称正弦波振荡器，为克服RC移相振荡器的缺点，常采用RC串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路。它是由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节四部分组成。目前广泛采用集成运算放大器中的两级放大电路来构成RC桥式振荡器。这种振荡器的优点是：不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。1) 实际使用中还常采用三相振荡电路,其电路图如图所示:2） 由于试验直接提供蜂鸣器。因此电路设计简化了不少。电压式蜂鸣器的工作原理为：振荡器有晶体管集成电路构成，当蜂鸣器两端接通电源（1.515V）,振荡器起振，输出音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣发声。采用压电蜂鸣器，构成声音报警电路。电路如图所示：电路中三极管采用9013，其在电路中具有开关作用，当Vi0V时，三极管处于截至状态。蜂鸣器两端没有电压，不发声。 当Ic迅速增大，发射级正偏，集电极也正偏。三极管Vi由0变大时，工作于饱和区。蜂鸣器两端有电压开始发声。当Ib继续增大三极管发射级正偏，集电极反偏。三极管处于放大状态。Ic增大，三极管导通，蜂鸣器发声增强。总原理图及参数计算总原理图为:原理为： 当温度升高，Rt下降，Vb下降，该电压经运放A，放大后成Vc，当VcVf时，D2导通，Vm0从而三极管导通，从而蜂鸣器发声。当温度降低时，同理可得。由于试验中给的热敏电阻参数除了阻值最大为1k外，其余参数都未知。测量参数的温度计也缺少，故电路的计算与试验要求存在定量的误差。选取电阻：R1=20k,R2=R4=1k,R3=Rf=10k,Rw1与Rw2范围为（01k），在试验中通过改变Rw1与Rw2的大小及Rt，在高于人体温度10度和低于人体温度10度时，来确定。Ve与Vf。由.1.2由1，2式可确定Ve和Vf如设高于常温10度时，Rt1=0.7k，低于常温10度时Rt2=0.9k，所以可以通过对Rw1与Rw2的调整使Vf=1.86，Ve=2.37这样就可以满足试验的设计要求了。组装与调试: 将所选参数的电子器件在电路板上焊接，用数字万用表测试电路参数，通过对Rw1与Rw2的调整使其与实际环境的电压电阻变化范围一致。用到的主要仪器设备有：万用表，直流电源，毫伏表，电烙铁等。调试的步骤分为单元测试再联调测试：温度检测与放大电路测试：先在常温下用万用表测出运放正相输入端电压，然后测出输出端的电压，测试运放的放大倍数。改变热敏电阻的温度，再测运放输入端电压，观察温度变化对输入电压的影响。电压比较电压解发电路的测试：在电路的输入端输入一个较高电压（约2.37V）,调节电位器Rw1,使二极管刚好发光,此时的输入电压即为Q2的基准电压；现输入一个较低电压（约1.86V），调节电位器Rw2，使相应二极管发光，此时的输入电压即为Q3的基准电压。再改变输入电压的值（约在1.86V至2.37V之间）,二极管不发光，当大于2.37V时，二极管绿亮，当低于1.86时二极管红亮。说明比较电路工作正常。声音报警电路测试：在输入端加上高电平，蜂鸣器发出报警声，输入低电平，不发声，说明电路工作正常。联调：在前3部分工作正常的情况下，对总电路进行测试，观察电路是否工作正常以及是否满足设计要求。元器件清单:元器件 型号主要参数数量集成运放LM324 工作电压3V30V1个三极管9013最大功率0.625w集电极电流0.5A1个变阻器102变化范围01k2个Rt（热敏电阻）102常温时为1k1个电阻R1，R2，R3，R4，RfR1=20k，R2=R4=1k Rf=R3=10k各1个发光二极管D1，D2各一个导线若干 该电路设计的优点及改进：优点：1 在温度允许的范围内，电路对温度的反应比较灵敏，误差较小，基本达到实验的预期目的。2 温度的测试范围可以通过改变变位器根据自己的需要而设定，简单易操作。3 该电路设计简单，成本较低改进：在试验的电源端可加一个发光的开关器件，使接入电源正确时灯亮，从而可以对电路起到保护作用。其还可以在输出端加一个数字式温度显示计，当发出报警时，同时显示当时温度.试验心得体会: 通过对整个电路的详细设计过程，基本理解了对产品的开发流程；体会了对产品器件的参数选择，以及对电路的调试；提高了实际动手能力,学会了基本的焊接技术，当然对以后的学习，提供了一种思路；总的说来对电路的理解和设计能力有了很大的提高。不过感觉需要学习的东西还很多，当然要对基本的元器件搞清楚，还需要对一些基本的问题进一步的熟悉研究。参考文献: 电子基础教学中心编著 电子技术基础实验 四川大学出版社,2005 胡宴