电子课程设计-LM324温度指示器.doc

南昌航空大学 电子课程设计课题：LM324温度指示器学院：测试与光电工程学院班级：110813姓名：李中浩学号：11081316指导老师：金信鸿 二零一四年六月十三日 测控技术与仪器 系 110813 班 11081316号 学生：李中浩课题名称： LM324温度指示器 课题要求：1要独立完成设计任务，通过课程设计，锻炼自己综合运用所学知识的能力，并初步掌握电子技术设计的方法和步骤。2熟悉电子线路Protel 99 软件及电子线路仿真Proteus软件的使用方法。3学会查阅资料和手册，学会选用各种电子元器件。4掌握常用的电子仪器仪表使用，如直流稳压电源、直流电压、电流表、信号源、示波器等。5学会掌握安装电子线路的基本技能和调试方法，善于在调试中发现问题和解决问题。6能够写出完整的课程设计总结报告。课题进程：l 题目的选择及思路的确定 1 周l 电路的分析及仿真 1 周l 电路的焊接及调试 1 周 指导教师： 金信鸿 时间：2014年6 月 13日LM324温度指示器学生姓名：李中浩 班级：11081316指导老师：金信鸿摘要:当今社会各种家用电器种类繁多，可谓琳琅满目，各个电器系统组成也变的复杂且紧凑，无论电路简单与复杂，重要与否，它们都起到了不可替代的作用。我们日常生活中见到的冰箱、电饭煲以及电磁炉等等都是由很多基本的小单元组成，然而温度指示电路也成了其中很常见也必不可少的单元组件。 本电路是利用低功耗四运算放大器LM324设计的温度指示电路，利用所学过的模拟电子技术基础知识结合proteus仿真分析。此电路具有放大功能，低功耗特点，机构简单，设计灵巧，适合一些家用电器的指示电路。电路中有一个负温度系数热敏电阻，电阻所受温度升高，电阻阻值下降。此电路中起始温度为室温，温度每上升10，相应的指示灯LED点亮一个，由此可以指示电器实时温度情况。 关键词：LM324; 温度指示器； Proteus仿真 指导老师签字：目录前言11、课程设计的目的和要求 2 1.1课程设计的目的 2 1.2课程设计要求 22、工件原理简介 22、1 LM32422、2 热敏电阻42、3发光二极管工作原理63、课程设计理论准备 8 3.1、Proteus简介8 3.2、Proteus功能特点8 3.3、Proteus快捷键124、电路原理图 135、元件清单:14 5.1、原理图中元件清单156、仿真、手工焊PCB板并进行电路调试157、课程设计收获与心得19 8、致谢199、参考文献20LM324温度指示器前言现代检测技术已经应用到各行各业中，而温度传感器又是其中必不可少的部分，温度传感器的应用越来越频繁，促使温度传感器的技术进步，它的种类也越来越多，不同的温度传感器拥有不同的参数，满足于不同的条件，温度测量电路广泛应用于生产生活中的各个方面，特别是在工业生产中，温度自动控制已经成为一个相当成熟的技术。我们日常生活中见到的冰箱、电饭煲以及电磁炉等等都是由很多基本的小单元组成，然而温度指示电路也成了其中很常见也必不可少的单元组件。本次课程设计给我们创造了良好的学习机会：一是查阅资料将自己所学的数字电子技术，模拟电子技术，以及传感器的相关知识综合运用，二是系统了解温度监测的详细过程，为日后的学习和工作增长知识，积累经验。同时经过查资料、撰写设计报告等，加强在电子技术方面解决实际问题的能力，基本掌握常用模拟电子线路的相关知识，提高模拟电子线路的制作、调试和测试能力。LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的15V电源标准的5V电源电压。常见利用LM324设计电路有反相交流放大器、同相交流放大器、交流信号三分配放大器、测温电路、有源带通滤波器、比较器以及单稳态触发器等。本电路就是利用LM324做成的测温电路，温度传感部分是由热敏电阻构成的温度传感器，控制部分由滑动变阻器和11个固定电阻组成，而光报警主要用LM324集成芯片和8个LED发光二极管组成。 1、课程设计的目的和要求 1.1课程设计的目的 1. 通过本次课程设计使得自己对于LM324温度指示器的设计和制作有一定的了解。对于所涉及到的有关电路方面的知识有更多的了解和认识，从而提高自己对于所学知识的运用能力和加深对知识的掌握程度。 2.学会焊接电路板、熟练使用电烙铁、剪钳、万用电表等电子工具。3.熟悉电子线路Protel99 Multisim等软件的使用方法。 4.复习数电和模电知识并熟悉各电路部分的逻辑功能并掌握使用方法。1.2课程设计要求 1、 通过对本次课程设计制作的安装、焊接、调试了解电子产品的内部构造，训练动手能力掌握元器件的识别、简易测试以及整机调试工艺。2.初步掌握一般电子电路设计的方法，不断提高自己各方面的动手等能力。 3. 学会掌握安装电子线路的基本技能和调试方法，善于在调试中发现问题和解 问题。 4. 对照电路原理图，了解工作原理，图上符号，并与实物对照。5.按照电路图，将各元器件焊接在电路板上，再经检验是否有空焊、短路等情况，在做进一步处理。2、元件原理介绍2.1 LM324: LM324是四个运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。 LM324系列器件带有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下图2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。LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的15V电源标准的5V电源电压。LM324特点运放类型:低功率放大器数目:4带宽:1.2MHz针脚数:14工作范围温度:0C to +70C封装类型:SOIC3dB带宽增益乘积:1.2MHz变化斜率:0.5V/s器件标号:324器件标记:LM324AD增益带宽:1.2MHz电源电压 最大:32V电源电压 最小:3V芯片标号:324表面安装器件:表面安装输入偏移电压 最大:7mV运放特点:高增益频率补偿运算额定电源电压:+15V单位增益内部频率补偿大直流电压增益100 dB的高带宽（单位增益）1兆赫（温度补偿）电源范围宽：单电源3V至32V电源或双电源1.5V至16V极低的电源漏电流（700A）基本上是独立的电源电压低输入偏置电流45 NA（温度补偿）低的输入失调电压为2 mV和失调电流：5 NA输入共模电压范围包括地面差分输入电压范围的电源电压等于大输出电压摆幅0V至V + - 1.5V2.2热敏电阻: 热敏电阻器是敏感元件的一类,NTC热敏电阻器，具有体积小，测试精度高，反应速度快，稳定可靠，抗老化，互换性，一致性好等特点。广泛应用于空调、暖气设备、电子体温计、液位传感器、汽车电子、电子台历等领域,按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。正温度系数热敏电阻器（PTC）一般用于电冰箱压缩机起动电路、彩色显像管消磁电路、电动机过电流过热保护电路、限流电路及恒温电加热电路。压缩机起动电路中常用的热敏电阻器有MZ-01MZ-04系列、MZ81系列、MZ91系列、MZ92系列和MZ93系列等。可以根据不同类型压缩机来选用适合它起动的热敏电阻器，以达到最好的起动效果。彩色电视机、电脑显示器上使用的消磁热敏电阻器有MZ71MZ75系列。可根据电视机、显示器的工作电压（220V或110V）、工作电流及消磁线圈的规格等，选用标称阻值、最大起始电流、最大工作电压等参数均符合要求的消磁热敏电阻器。限流用小功率PTC热敏电阻器MZ2AMZ2D系列、MZ21系列，电动机过热保护用PTC热敏电阻器有MZ61系列，应选用标称阻值、开关温度、工作电流及耗散功率等参数符合应用电路要求的型号。负温度系数热敏电阻器（NTC）一般用于各种电子产品中作微波功率测量、温度检测、温度补偿,温度控制及稳压用，选用时应根据应用电路的需要选择合适的类型及型号。常用的温度检测用NTC热敏电阻器有MF53系列和MF57系列,每个系列又有多种型号（同一类型、不同型号的NTC热敏电阻器，标准阻值也不相同）可供选择常用的稳压用NTC热敏电阻器有MF21系列、RR827系列等，可根据应用电路设计的基准电压值来选用热敏电阻器稳压值及工作电流。常用的温度补偿、温度控制用NTC热敏电阻器有MF11MF17系列。常用的测温及温度控制用NTC热敏电阻器有MF51系列、MF52系列、MF54系列、MF55系列、MF61系、MF91MF96系列、MF111系列等多种。MF52系列、MF111系列的NTC热敏电阻器适用于-80+200温度范围内的测温与控温电路。MF51系列、MF91-MF96系列的NTC热敏电阻器适用于300以下的测温与控温电路。MF54系列、MF55系列的NTC热敏电阻器适用于125以下的测温与控温电路。MF61系列、MF92系列的NTC热敏电阻器适用于300以上的测温与控温电路。选用温度控制热敏电阻器时，应注意NTC热敏电阻器的温度控制范围是否符合应用电路的要求。本实验用的是NTC（如下图1.1所示）。 图 1.1 NTC特性曲线电阻值和温度变化的关系式为：RT = RN expB(1/T 1/TN)RT ： 在温度 T （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。RN ： 在额定温度 TN （ K ）时的 NTC 热敏电阻阻值。T ： 规定温度（ K ）。B ： NTC 热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。exp： 以自然数e 为底的指数（ e = 2.71828 ）。该关系式是经验公式，只在额定温度 TN 或额定电阻阻值 RN 的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B 本身也是温度 T 的函数。2.3发光二极管工作原理 发光二极管简称为LED，由镓Ga与砷AS、磷P的化合物制成的二极管。就LED而言，典型的导体材料为砷化铝镓(AlGaAs)。在纯净的砷化铝镓中，每个原子与相邻的原子联结完好，没有多余的自由电子（带负电荷的粒子）来传导电流。而材料经掺杂后，掺入的原子打破了原有平衡，材料内或是产生了自由电子，或是产生了可供电子移动的空穴。无论是自由电子数目的增多还是空穴数目的增多，都会增强材料的导电性。具有多余电子的半导体称为N型材料，因其含有多余的带负电荷的粒子。在N型材料中，自由电子能够从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。拥有多余空穴的半导体称为P型材料，因为它在导电效果上相当于含有带正电荷的粒子。电子可以在空穴间转移，从带负电荷的区域移往带正电荷的区域。因此，空穴本身就像是从带正电荷的区域移往带负电荷的区域。一个二极管由一段P型材料同一段N型材料相连而成，且两端连有电极。这种结构只能沿一个方向传导电流。当二极管两端不加电压时，N型材料中的电子会沿着层间的PN结(junction)运动，去填充P型材料中的空穴，并形成一个耗尽区。在耗尽区内，半导体材料回到它原来的绝缘态即所有的空穴都被填充，因而耗尽区内既没有自由电子，也没有供电子移动的空间，电荷则不能流动。光是一种能量形式，可由原子释出。光由一些具有能量和动量但无质量的类粒子束组成。这些粒子称为光子，是光的最基本单位。电子的跃迁会释放出光子。在原子结构中，电子在原子核周围的轨道中运动。电子在不同的轨道中具有不同的能量值。通常，能量更高的电子在离原子核更远的轨道中运动。为了让电子能够从低能轨道跃迁至高能轨道，就必须提高它的能级。反过来，电子从高能轨道跌落至低能轨道时则会释出能量。这种能量就以光子的形式得到释放。能量差约大，释出的光子能量就越大，继而表现为更高的频率。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 LED只能往一个方向导通，发光二极管的反向击穿电压约5 伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流来控制LED 的亮度。LED的特性1极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长0的光强最大，该波长为峰值波长。（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。（3）光谱半宽度:它表示发光管的光谱纯度.是指1/2峰值光强所对应两波长之间隔.（4）半值角1/2和视角：1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。 （5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。3、 课程设计理论准备31 Proteus简介 Proteus是世界上著名的EDA工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。3、2功能特点Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：1原理布图2PCB自动或人工布线3SPICE电路仿真革命性的特点1互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA， 部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境.工具包括标准工具和绘图工具，标准工具的内容与菜单栏的内容一一对应，绘图工具栏有丰富的操作工具，选择不同的按纽会得到不同的工具操作工具PROTEUS提供下例操作工具：Component：选择元器件Junction dot：在原理图中标注连接点Wire label：标注网络标号Text scrip：在电路中输入说明文本Bus：绘制总线Bus-circuit：绘制子电路块Instant edit mode：选择元器件Inter-sheet terminal：对象选择器列出输入，输出、电源、地等终端Device Pin：对象选择器将列出普通引脚、时钟引脚、反电压引脚和短接引脚等Simulation graph：对象选择器列出各种仿真分析所需的图表Tape recorder：当对设计电路分割仿真时采用些模式Generator：对象选择器列出各种激励源Voltage probe：电压探针，电路进入仿真模式时可显示各探针处的电压值Current probe：电流探针，电路进入仿真模式时可显示各探针处的电流值Virtual instrument：对象选择器列出各种虚拟仪器2D graphics line：绘制直线（用于创建元器件或表示图表时绘制线）2D graphics box：绘制方框2D graphics circle：绘制圆2D graphics arc：绘制弧2D graphics path：绘制任意形状图形2D graphics text：文本编辑，用于插入说明2D graphics symbol：用于选择各种符号元器件Makers for component origin etc：用于产生各种标记图标Set rotation：方向旋转按钮，以90度偏置改变元器件的放置方向Horizontal reflection：水平镜像旋转按钮Virtical reflectoin：垂直镜像旋转按钮在PROTEUS中提供了13种信号源，对于每一种信号源参数又可进行设置。DC：直流电压源；Sine：正弦波发生器。Pulse：脉冲发生器。Exp：指数脉冲发生器。SFFM：单频率调频波信号发生器。Pwlin：任意分段线性脉冲信号发生器。File：File信号发生器。数据来源于ASCII文件。Audio：音频信号发生器。数据来源于wav文件。DState：稳态逻辑电平发生器。DEdge：单边沿信号发生器。DPulse：单周期数字脉冲发生器。DClock：数字时钟信号发生器。DPattern：模式信号发生器。Device.LIB（电阻、电容、二极管、三极管等常用元件库）74ALS.LIB（74系列ALS TTL元器件库）74S.LIB74系列肖特苦TTL元器件库）74F.LIB（74系列快速TTL元器件库）74HC.LIB（74系列和4000系列高速CMOS元器件）ANALOG.LIB（调节器、运放和数据采样IC）CAPACITORS.LIB（电容）CMOS.LIB（4000系CMOS元器件）ECL.LIB（ECL 10000系列元器件）I2CMEM.LIB（I2C存储器）MEMORY.LIB（存储器）MICRO.LIB（常用微处理器）OPAMP.LIB（运算放大器）RESISTORS.LIB（电阻）3、3 Proteus快捷键F8：全部显示 当前工作区全部显示F6：放大以鼠标为中心放大F7：缩小以鼠标为中心缩小G：栅格开关栅格网格Ctrl+F1：栅格宽度0.1mm 显示栅格为0.1mm，在pcb的时候很有用F2：栅格威0.5mm 显示栅格为0.5mm，在pcb的时候很有用F3：栅格威1mm 显示栅格为1mm，在pcb的时候很有用F4：栅格威2.5mm 显示栅格为2.5mm，在pcb的时候很有用Ctrl+s：打开关闭磁吸 磁吸用于对准一些点的，如引脚等等x：打开关闭定位坐标 显示一个大十字射线m：显示单位切换 mm和th之间的单位切换，在右下角显示o：重新设置原点 将鼠标指向的点设为原点u：撤销键Pgdn：改变图层Pgup：改变图层Ctrl+Pgdn：最底层Ctrl+pgup：最顶层Ctrl+画线：可以划曲线R：刷新+ -：旋转F5：重定位中心4、电路原理图 电路原理图如下图所示R19是一个负温度系数的热敏电阻器，起温度传感器的作用，其电阻值将随着温度的变化而变化。本电路由LM324集成运放构成比较电路，电压比较器的基本原理是通过对输入电压的比较，使输出高电平或者电平。当运放的同相信号输入端电压大于同相信号输入电压时，运放输出低电平。当发热体靠近热敏电阻R19时，热敏电阻温度升高，阻值减小，此时热敏电阻与相邻桥臂上的电阻依次比较，使得桥臂上电压出现电压差，所以热敏电阻受温度影响所产生的输出电压送至LM324内部比较器，使得其同相输入大于反相输入，输出高电平，使二极管导通发光，从而LED发光二极管依次点亮达到温度指示的作用。二极管每亮一个温度就升高10，从而判断热敏电阻所受的实时温度。注意事项：1、调节R1电位器可使指示灯在规定温度下只亮一只，R2-R9为分压电阻。2、初始温度为室内常温，只亮一支LED8发光管，当温度升高10度左右就点亮LED7，在升高10度就点亮LED6，以此类推。3、电烙铁加热R19热敏电阻。注意保持距离在2毫米左右，来观察试验发光管的明暗数量，温度越高亮的发光管数量就越多，反之越少。4、工作电压：5.0v5、元件清单: LM324温度指示器材料配套清单6、仿真、手工焊PCB板并进行电路调试 电路焊接好之后，观察无明显问题后接通+5v电源，调节滑动变阻器使得只有D8亮，用电烙铁当做热源，给热敏电阻加热，由于该电阻为负温度系数热敏电阻，所以加热它时，其电阻阻值减小，该电路初始只亮D8，每当温度上升10时灯依次点亮一个，直至8个灯全部点亮。图3.7左边为初始温度下亮灯指示，只亮一个灯，右边为温度上升70时所有灯全部亮。 电路调试任何一个电子电路，甚至是已被他人实验证明是成功可行的电子电路，按照设计的电路原理图，并不能立即投入运行。因为在设计时，对各种客观的因素难以预测，加之元器件参数和不同程度的误差，所以必须通过安装后的调试，发现和纠正设计方案的不足之处，采用措施加以弥补，以使电路达到预期的技术指标。所以，电子电路的调试是保证电路正常工作和性能优良的关键之一。在本次课程设计中，安装好之后将正接线柱接上+5V、负接线柱接地。可以看到有5个发光二极管亮，当用电烙铁的烙铁头靠近热敏电阻时发现第八个发光二极管亮起。说明该电路具有超温报警的功能。 注意事项在通电调试之前，一定要认真检查焊接的电路是否有错焊、漏焊、虚焊等。用万用表欧姆挡，测量芯片各引脚和各个元器件之间的连接是否正常，测量各个元器件之间的连接是否正常。用电压表把各个芯片所用的电压调到规定的数值。检查各个芯片的接地是否连接牢固。检查无误，