超温报警电路设计

目目 录录 一 前言 4 二 任务分析 5 三 设计原理 6 3 1 超温报警电器原理图 6 3 2 文字说明原理 6 3 3 555 振荡器工作原理 8 3 4 CD4511 工作原理 9 四 各元器件的概况 10 4 1 LM324 芯片 10 4 2 热敏电阻 11 4 3 555 振荡器 12 4 4 CD4511 芯片 12 4 5 发光二极管 14 五 结语 15 六 参考文献 15 超温报警电路超温报警电路 中文摘要中文摘要 随着科学技术的发展 人类对自动控制线路的开发不断深入 对各种控制线 路的保护意识也逐渐增强 其中的超温报警电路是在实际应用中相当广泛的安全保护电路 所有电路均按基本功能分类编排 包括车辆类报警 有害气体类报警 无线遥控类报警 定时提醒类报警 设备故障类报警 电话自动类报警 电源安全及其他类报警应用电路 这些电路既有简单易制的家用防盗报警器电路 也有电路复杂的多功能报警器电路 在 现实生活中 常有一种工程技术 即自动温度补偿的设备 在规定温度内正常工作 设备 温度一旦超出上限 便立即切断电源报警 本次设计主要运用基本的模拟电子技术基础和 传感器原理的知识 从基本的元器件出发 实现了超温报警电路的设计 超温报警电路是 采用 LM324 温度传感器设计的 报警温度超过设定温度时会发出光报警信号 本电路主要 由低功耗四运算放大器 LM324 热敏电阻 LED 发光二极管等元器件组成 并利用热敏电阻 的阻值随着温度的升高而增大这个原理改变四运算放大器 LM324 比较器的比较电压 使其 输出产生变化 从而引起发光二极管发出可见光 从而起到温度指示的作用 在实际应用 中 利用发光二极管的温度指示作用来判断环境温度的变化 从而减少不必要的损失 关键词关键词 超温报警 热敏电阻 自动控制原理 一 前言一 前言 温度测量与控制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 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 在确定课设题目 经仔细分析问题后 我们发现实现课题要求 温度控制的基本原理是采用简单芯片构成电路 在了解单元电 路的基本构成后 我们总结出电路实现的基本原理 即通过将热敏 电阻受温度影响所产生的输出电压送至 LM324 集成电路内部各级比 较器 从而输出与温度相对应的显示值 通过电阻分压 做温度控 制开关 从而达到控制温度的作用 本应用具有温度报警功能 当 发热体靠经热敏电阻时 热敏电阻阻值变大 使得 LM324 同相输入 大于发相输入 输出端输出高电平 LED 发光二极管依次点亮达到 温度指示和报警功能 由于缺少实践经验 并且知识有限 所以本次设计中难免存在 缺点和错误 敬请老师批评指正 二 任务分析二 任务分析 1 当线路正常时 要使数码显示器正常工作 必须通过 变压 器降压 桥式整流 滤波 稳压 流程 将我们的市电 220V 交流电 压转换为 12V 直流电压 2 通电后 电路周而复始按顺序显示 0 1 2 4 8 0 8 4 2 1 0 由此可知 电路需要用一个 555 振荡器产生方波 脉冲 用一个 CD4017 编码器 CD4511 译码器 数码显示器 实现 电路要求 3 当温度过高时 温控电路开始工作 首先切断发热件电源 红管亮 由此可知 须要用一个电压比较器控制输出的高低电频 从而达到超温切断电烙铁 4 1 秒后再切断数显电源 并同时发出断续的报警声 由此可 知 再用一个 RC 电路做延时效果 这后再用一个放大器来防止后面 电路影响 RC 电路 延时后 切断显示电路 5 整个设计中 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 三 设计原理三 设计原理 3 13 1 超温报警电器原理图超温报警电器原理图 3 23 2 文字说明原理文字说明原理 交流 220V 经熔断丝 F 给电源变压器供电 变压器次级输出约 12V 交流电 经 VD2 VD5 桥式整流 C1 滤波 7809 稳压后得到稳 定的 9V 直流供电路工作 IC1A IC1B 为电压比较电路 R3 R4 与 R9 R10 分别为 IC1A IC1B 的反相端提供比较基准电压 当工作件 温度在规定范围内 相当于电烙铁远离热敏元件 R5 R5 阻值较大 IC1A 同相端电压 VR6 较低 使 V V 同相端电压大于反相端电压 IC1A 的 1 脚输出高电平 这 电压一路输给 VT1 的基极 另一路经延时电路 R8 C4 输给 IC1B 的 同相端电压大于反相端电压 于是 VT1 VT2 的基极都得到高电平而 导通 使电磁继电器的线圈有电流通过 动接点动作 K1 的动接点 脱开 K1 1 而与 K1 2 接通 单相电插座得电 红色发光二极管得电 发光 K2 的两组动接点都动作 其中 K21 的动接点脱离 K21 1 而与 K21 2 接触 IC2 的振荡输出给有源讯响器又发出断续报警声 在 K21 动作的同时 K22 的动接点也动作 脱离 K21 1 使 IC3 的 CP 端无输出脉冲的同时 IC3 IC4 及数码管失去工作电源 不显任何 笔划 随后 将电烙铁支离 R5 则 R5 感受的温度降低 阻值又变 大 VR6 变小 导致 VT1 VT2 截止 K1 K2 的线圈失电无电流流过 它们的动接点复位 K1 动接点回到 K1 1 电烙铁重新得电 红色发 光管熄灭 K21 的动触点回到 K21 1 K22r 动触点回到 K22 1 讯响 器停止报警 数显电路重新工作 接顺序周而复始地显示 0 1 2 4 8 0 8 4 2 1 0 3 33 3 555555 振荡器工作原理振荡器工作原理 由 555 定时器组成的多谐振荡器如图 C 所示 其中 R1 R2和电 容 C 为外接元件 其工作波如图所示 设电容的初始电压 t 时接通电源 由于电容电压不 c U 能突变 所以高 低触发端 比较器 1输出为 TH V TL V 1 3 高电平 输出为低电平 即 1 表示高电位 0 表 1DR 0 DS 示低电位 触发器置 定时器输出此时 定时器RS 0 1u 0Q 内部放电三极管截止 电源经 向电容 充电 逐渐升高 cc V 1 R 2 R c u 当上升到时 输出由 翻转为 这时 触 c u 1 3 cc V 2 A 1D D RS RS 发顺保持状态不变 所以 0 t 期间 定时器输出为高电平 1 t 0 u 时刻 上升到 比较器的输出由 变为 这时 1 tt c u 2 3 cc V 1 A 触发器复 定时器输出 0DR 1 D S RS 0 0u 期间 放电三极管 导通 电容 通过放电 12 ttt 1Q 2 R 按指数规律下降 当时比较器输出由 变为 c u c u 2 3 cc V 1 A 触发器的 的状态不变 的状态仍为低电平 DR 1 D S 0 u 时刻 下降到 比较器输出由 1 变为 0 R S 2 tt c u 1 3 cc V 2 A 触发器的1 0 触发器处于 1 定时器输出 此时电 DR D S 0 1u 源再次向电容 C 放电 重复上述过程 通过上述分析可知 电容充电时 定时器输出 电容放 0 1u 电时 0 电容不断地进行充 放电 输出端便获得矩形波 多 0 u 谐振荡器无外部信号输入 却能输出矩形波 3 43 4 CD4511CD4511 工作原理工作原理 1 锁存功能 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成 传输门的 导通或截止由控制端 LE 的电平状态 当 LE 为 0 电平导通 TG2 截止 当 LE 为 1 电平时 TG1 截止 TG2 导通 此时有锁存作用 2 译码 CD4511 译码用两级或非门担任 为了简化线路 先用二 输入端与非门对输入数据 B C 进行组合 得出 四项 然后将输入的数据 A D 一起用或非门译码 3 消隐 BI 为消隐功能端 该端施加某一电平后 迫使 B 端输出 为低电平 字形消隐 消隐控制电路如图 3 4 所示 消隐输出 J 的 电平为 J C B D BI 如不考虑消隐 BI 项 便得 J B C D 据上式 当输入 BCD 代码从 1010 1111 时 J 端都为 1 电平 从而使显示器中的字形消隐 四 元器件说明四 元器件说明 4 14 1 LM324LM324 芯片芯片 LM324 是四运放集成电路 它采用 14 脚双列直插塑料封装 外形 如图所示 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器 除电源 共用外 四组运放相互独立 每一组运算放大器可用如图所示的符号 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 的引脚排列见下图 由电压比较器的原理可知 当同相输入端 正端 电压高于反相 输入端 负端 电压时 比较器输出高电平 反之 则输出低电平 LM324 中 当同相输入端 3 脚输入电压高于反相输入端 2 脚时 1 脚 输出高电平 当同相输入端 5 脚输入电压高于反相输入端时 7 脚 输出高电平 4 4 2 2 热热敏敏电电阻阻 热敏电阻器是敏感元件的一类 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 在温度越高时电阻值越大 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 在本课程设计中 我们选用的是随温度升高阻值变大的热敏 电阻 即正温度系数热敏电阻简称 PTC 热敏电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的 即电阻体的阻 值随温度的变化而变化的特性 因此 只要测量出感温热电阻的阻 值变化 就可以测量出温度 目前主要有金属热电阻和半导体热敏 电阻两类 金属热电阻的电阻值和温度可以用以下的近似关系式表示即 Rt Rt0 1 t t0 式中 Rt 为温度 t 时的阻值 Rt0 为温度 t0 通常 t0 0 时 对应电阻值 为温度系数 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 Rt AeB t 式中 Rot 为温度为 t 时的阻值 A B 取决于半导体材料的结构 的常数 4 34 3 555555 振荡器振荡器 它由分压器 比较器 基本 R S 触发器和放电三极管等部分组 成 分压器由三个 5的等值电阻串联而成 分压器为比较器 K 1 A 提供参考电压 比较器的参考电压为 加在同相输入端 2 A 1 A 2 3 cc V 比较器的参考电压为 加在反相输入端 比较器由两个结构 2 A 1 3 cc V 相同的集成运放 组成 高电平触发信号加在的反相输入端 1 A 2 A 1 A 与同相输入端的参考电压比较后 其结果作为基本 R S 触发器 端的输入信号 低电平触发信号加在的同相输入端 与反相输 DR 2 A 入端的参考电压比较后 其结果作为基本 R S 触发器端的输入 D S 信号 基本 R S 触发器的输出状态受比较器 的输出端控制 1 A 2 A 4 44 4 CD4511CD4511 芯片芯片 CD4511 是一个用于驱动共阴极 LED 数码管 显示器 BCD 码 七段码译码器 特点 具有 BCD 转换 消隐和锁存控制 七段译 码及驱动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流 可直接驱动 LED 显 示器 CD4511 是一片 CMOS BCD 锁存 7 段译码 驱动器 引脚排 列如图 3 1 所示 其中 a b c d 为 BCD 码输入 a 为最低位 LT 为灯测试端 加高电平时 显示器正常显示 加低电平时 显示器 一直显示数码 8 各笔段都被点亮 以检查显示器是否有故障 BI 为消隐功能端 低电平时使所有笔段均消隐 正常显示时 B1 端应加高电平 另外 CD4511 有拒绝伪码的特点 当输入数据越过 十进制数 9 1001 时 显示字形也自行消隐 LE 是锁存控制端 高 电平时锁存 低电平时传输数据 a g 是 7 段输出 可驱动共阴 LED 数码管 另外 CD4511 显示数 6 时 a 段消隐 显示数 9 时 d 段消隐 所以显示 6 9 这两个数时 字形不太美观 图 3 是 CD4511 和 CD4518 配合而成一位计数显示电路 若要多位计数 只需将计数器级联 每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可 所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的 在应用 中应接地 限流电阻要根据电源电压来选取 电源电压 5V 时可使用 300 的限流电阻 CD4511 引脚图 其功能介绍如下 BI 4 脚是消隐输入控制端 当 BI 0 时 不管其它输入端状态如何 七段数码管均处于熄灭 消隐 状态 不显示数字 LT 3 脚是测试输入端 当 BI 1 LT 0 时 译码输出全为 1 不管 输入 DCBA 状态如何 七段均发亮 显示 8 它主要用来检测数 码管是否损坏 LE 锁定控制端 当 LE 0 时 允许译码输出 LE 1 时译码器是锁 定保持状态 译码器输出被保持在 LE 0 时的数值 A1 A2 A3 A4 为 8421BCD 码输入端 a b c d e f g 为译码输出端 输出为高电平 1 有效 CD4511 的内部有上拉电阻 在输入端与数码管笔段端接上限流电阻 就可工作 4 54 5 发光二极管发光二极管 它是半导体二极管的一种 可以把电能转化成光能 常简写为 LED 发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN 结组成 也具有单 向导电性 发光二极管是由 族化合物 如 GaAs 砷化镓 GaP 磷化镓 GaAsP 磷砷化镓 等半导体制成的 其核心是 PN 结 因此它具有一般 P N 结的 I N 特性 即正向导通 反向 截止 击穿特性 此外 在一定条件下 它还具有发光特性 在正向电压 下 电子由 N 区注入 P 区 空穴由 P 区注入 N 区 进入对方区域的 少数载流子 少子 一部分与多数载流子 多子 复合而发光 假设发光是在 P 区中发生的 那么注入的电子与价带空穴直接 复合而发光 或者先被发光中心捕获后 再与空穴复合发光 除了 这种发光复合外 还有些电子被非发光中心 这个中心介于导带 介带中间附近 捕获 而后再与空穴复合 每次释放的能量不大 不能形成可见光 光量子效率越高 由于复合是在少子扩散区内发 光的 所以光仅在靠近 PN 结面数 um 以内产生 理论和实践证明 光的峰值波长 与发光区域的半导体材料禁带宽度 g 有关 即 1240 Eg mm 式中 Eg 的单位为电子伏特 ev 若能产生可 见光 波长在 380nm 紫光 780nm 红光 半