模电课程设计-温度报警器

课程设计报告书 温度报警器的设计温度报警器的设计 学学 院院 电子与信息学院电子与信息学院 专业班级专业班级 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 指导教师指导教师 课程编号课程编号 课程学分课程学分 起始日期起始日期 教 师 评 语 教师签名 日期 成 绩 评 定 备 注 目目 录录 一 选题背景 1 二 方案论证 设计理念 1 1 设计题目要求 1 2 总体设计方案 1 2 1 设计思路 1 2 2 设计方案 1 2 3 方案论证与比较 2 三 单元电路设计 3 1 窗口比较器电路 3 3 2 555 多谐振荡器电路 3 3 2 三极管基本开关电路 4 四 整机电路 4 1 整机电路图 5 4 2 元件清单 7 五 性能指标的测量与分析 7 5 1 电路测试 7 5 1 1 测试使用的仪器 7 5 1 2 指标测试步骤 测量数据与分析 7 5 1 3 故障分析及处理 8 六 课程设计总结 9 七 参考文献 10 0 温度报警器的设计温度报警器的设计 一 选题背景一 选题背景 设计制作一个测温电路 能够根据环境温度的变化产生相应的反应 若外界温度 t1 测温装置感所应的温度 t t t1 加热到 t2 若 t1 t t2 电路以指示灯闪亮 但扬声器不报警 若 tt2 电路指示灯熄灭 同时扬声器报警 警报声频率为 1kHz 二 方案论证二 方案论证 设计理念设计理念 1 1 设计题目要求设计题目要求 本课题要求设计制作一个测温器 检测并显示环境温度的变化 要实现的功能 假设常温为 t1 经加热后的温度为 t2 当测温装置感所应的温 度 t t1 t t2 电路以指示灯闪亮 闪烁频率为 0 5Hz 但扬声器不报警 tt2 电路 指示灯熄灭 同时扬声器报警 警报声频率为 1kHz 应解决的主要问题 为完成上述课题所要求的功能 重点在于 如何将不同区间的温度转化成我们所需要的电压或电流信息 进而通过这些信息实现 不同温度区间的功能的实现 对扬声器和电路指示灯不同频率的控制 应达到的技术要求 对温度信号的准确获取 对扬声器和电路指示灯的频率的准确控 制 各电路模块的整体配合 本课题在于检测环境中的温度变化 可准确地运用于环境温度的检测 2 1 设计思路设计思路 使用窗口比较器进行对电压信号的筛选 使用 555 振荡器控制蜂鸣器和指示灯的闪烁频率 使用 反相器对高低电平进行转换 2 2 提出方案提出方案 满足上述设计功能可以实施的方案很多 现提出以下几种方案 2 2 2 2 1 1 方案一方案一 原理方框图 图原理方框图 图 1 1 1 图图 1 1 方案一原理图方案一原理图 原理原理 通过窗口比较器使电路分为两部分 一部分直接连接 555 多谐振荡电路 控制蜂鸣器响应 另一部 分通过反相器接 555 以及指示灯 使之满足一下条件 当 t1 t t2 时 比较器输出低电平 使用三极管的基本开关电路输出高电平 使振荡器工作 指 示灯闪烁 而蜂鸣器所接 555 的 RD 端为低电平 不工作 当 tt2 时 比较器输出高电平 接入 555 的 RD 端 蜂鸣器响 而指示灯所接 555 的 RD 端为低电平 指示灯不工作 2 2 2 2 2 2 方案二方案二 原理方框图 图原理方框图 图 2 2 图图 2 2 方案二原理图方案二原理图 原理原理 先将温度变化转化成的电压变化输入 555 多谐振荡器 在 555 多谐振荡器的输出端使用窗口比较器 对输出信号进行判断 并选择使蜂鸣器工作或者指示灯工作 2 2 3 3 对各方案进行可行性分析 比较 选出最佳方案 对各方案进行可行性分析 比较 选出最佳方案 方案一在实行起来可以分步完成每个部分的电路 最后再一起进行调试 先使用窗口比较器 可 以准确区分电压的不同 并使用两个 555 多谐振荡器进行频率的设定 比较方便 2 方案二首先用 555 多谐振荡器将输入电压转化成频率 但是由于指示灯和蜂鸣器的频率要求不同 在之后的电路中难以达到频率要求 将窗口比较器接在多谐振荡器的输出部分也比较复杂 因此 选择方案一进行实验 三 三 单元电路设计单元电路设计 3 1 窗口比较器电路 3 1 1 窗口比较器电路及其工作原理或功能说明 窗口比较器具有两个门限电平 可以检测输入模拟信号的电平是否处在给定的两个门限电 平之间 在元件选择与分类 或对生产现场进行监视与控制时 窗口比较器 图 3 是很有 用的 当输入电压 uI URH时 uI URL 所以集成运放 A1的输出 uO1 UOM A2的输出 uO2 UOM 使 得二极管 D1导通 D2截止 稳压管 DZ工作在稳压状态 输出电压 uO UZ 当输入电压 uI URL时 uI URH 所以集成运放 A1的输出 uO1 UOM A2的输出 uO2 UOM 使 得二极管 D2导通 D1截止 电流通路如图所标注 稳压管 DZ工作在稳压状态 输出电压 uO UZ URL uI URH时 uO1 uO2 UOM 所以 D1和 D2均截止 稳压管截止 uO 0 URH和 URL分别为比较器的两个阈值电压 设 URH和 URL均大于零 则传输特性如图 4 所示 图 3 窗口比较器 图 4 传输特性 3 1 2 窗口比较器电路元件的选取与计算 元件标号见整机电路 R 20 度 12 2k R 70 度 2 0k 取 R1 8 2k 可得 R6 R7 R8 3 1 2 因此取 R6 3k R7 1 1k R8 2k 3 2 多谐振荡器电路 3 2 1 多谐振荡器电路及其工作原理或功能说明 由 555 定时器构成的多谐振荡器如图 5 所示 R1 R2 和 C 是外接定时元件 电路中将高电 3 平触发端 6 脚 和低电平触发端 2 脚 并接后接到 R2 和 C 的连接处 将放电端 7 脚 接到 R1 R2 的连接处 由于接通电源瞬间 电容 C 来不及充电 电容器两端电压 uc 为低电平 小于 1 3 Vcc 故高电平触发端与低电平触发端均为低电平 输出 uo 为高电平 放电管 VT 截止 这时 电源经 R1 R2 对电容 C 充电 使电压 uc 按指数规律上升 当 uc 上升到 2 3 Vcc 时 输出 uo 为低电平 放电管 VT 导通 把 uc 从 1 3 Vcc 上升到 2 3 Vcc 这段时间内电 路的状态称为第一暂稳态 其维持时间 TPH 的长短与电容的充电时间有关 充电时间常数 T 充 R1 R2 C 由于放电管 VT 导通 电容 C 通过电阻 R2 和放电管放电 电路进人第二暂稳态 其维持时间 TPL 的长短与电 容的放电时间有关 放电时间常数 T 放 R2C0 随着 C 的放电 uc 下降 当 uc 下降到 1 3 Vcc 时 输出 uo 为高电平 放电管 VT 截止 Vcc 再次对电容 c 充 电 电路又翻转到第一暂稳态 不难理解 接通电源后 电 路就在两个暂稳态之间来回翻转 则输出可得矩形波 电路一 旦起振后 uc 电压总是在 1 3 2 3 Vcc 之间变化 x 图 6 所示为工作波形 图 5 555 多谐振荡器 图 6 振荡器波形 3 2 2 多谐振荡器电路元件的选取与计算 元件标号见整机电路 T C R1 2R2 ln2 f 1 T 蜂鸣器 f1 1kHz T1 1ms 所以 C1 R11 2R12 1 44e 3 取 C1 10nF R11 R12 47k 指示灯 F2 0 5Hz T2 2s 所以 C3 R15 2R16 2 88 4 取 C3 10uF R15 R16 100k 3 3 三极管基本开关电路 3 3 1 三极管基本开关电路及其工作原理或功能说明 负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间 而位居三极管主电流的回路上 输入电压则控制三极管开关的开启与闭合动作 当输入电压大于开启电压时 三极管呈开 启状态时 有基极电流流动 使集电极流过更大的放大电流 因此负载回路便被导通 而 相当于开关的闭合 此时三极管乃工作于饱和区 集电极电压接近 0 当输入电压为低电 压时 三极管呈闭合状态 由于基极没有电流 因此集电极亦无电流 致使连接于集电极 端的负载亦没有电流 而相当于开关的开启 此时三极管乃工作于截止 集电极电压接近 电源电压 图 7 三极管基本开关电路 3 3 2 三极管基本开关电路元件的选取与计算 元件标号见整机电路 在输入高电平的时候 三极管导通 为了使输出为低电平 应该使压降足够大 因此 R4 要足够大 我选取 R4 62k 为了防止 R3 分压太大 影响高电平 因此 R3 应该选取较小的电阻 我选取 R3 1k 四 整机电路四 整机电路 4 1 整机电路图 5 图 8 整机电路图 6 4 2 元件清单 R1 8 2k C1 10nF R2 mf58 热敏电阻 C2 100nF R3 1k C3 10uF R4 62k C4 100nF R6 3k D1 二极管 R7 1 1k D3 5 1V 稳压管 R8 2k D4 3V 稳压管 R10 1k D5 二极管 R11 47k D6 5 1V 稳压管 R12 47k R15 100k R16 100k R18 1k 此外 还有 Lm324 1 个 三极管 9014 1 个 555 2 个 蜂鸣器 1 个 绿色发光二极管 1 个 以及 8V 电源 五 性能指标的测量与分析五 性能指标的测量与分析 对研究过程中所获得的主要的数据 现象进行定性或定量分析 得出结论和推论 5 1 电路测试 5 1 1 测试使用的仪器 直流电压源 示波器 万用表 5 1 2 指标测试步骤 测量数据与分析 表 1 热敏电阻降温常温加热 比较器输出7 9V0 011V7 5V 集电极电压0 019V7 9V0 022V 蜂鸣器响不响响 指示灯不闪烁闪烁不闪烁 频率1 1khz0 54hz1 1khz 7 结果分析 正常温度下 窗口比较器输出低电平 经过反相器之后变成高电平 灯 光闪烁模块启动 当温度不在指定温度范围内时 比较器输出高电平 此时灯光闪烁模块 停止运行 音频报警模块启动 蜂鸣器工作 指示灯工作波形仿真 图 9 图 9 指示灯波形仿真 分析 工作频率 0 54Hz 工作周期 1 85s 蜂鸣器工作波形仿真 图 10 图 10 蜂鸣器波形仿真 分析 工作频率 1 1kHz 工作周期 0 909ms 5 1 3 故障分析及处理 在调试时发现窗口比较器输出高电平时 指示灯和蜂鸣器都在工作 用万用表测量 发现反相器的输出电压有 0 3V 使 555 多谐振荡器工作了 为了让反相器输出电压接近 0 增大集电极电阻的阻值 最终使用了 62k 的电阻 使输出接近 0 发光二极管直接接多谐振荡器的输出 发现会烧坏二极管 因此查找了资料 绿色 LED 的工作电压为 3V 左右 所以选择 3V 的稳压二极管与 1k 的电阻串联 并将指示灯并联 在稳压二极管两端 8 3 3 课程设计总结课程设计总结 这次的课程设计 让我扎实了自己的数字电子技术与模拟电子技术的知识 由于是第 一次做这种课程设计 在开始看到题目的时候完全不知道从哪里入手 没有任何思绪 于 是去网上找到了一些温度报警器的原理图 还有一些温度报警器电路的设计思路及方法 然后 我自己便有了一些对本电路的设计方案 再结合上学期学习的模电与数电课程 对 于我想要达到的要求 参考课本找到了相应的电路 再分别对应不同的要求 比如频率要 求 温度要求 来计算参数 最后将不同分工的电路连接在一起 在 multisim 上先进行了 仿真 也让我更加熟悉了这个软件的使用 虽然电路图设计好了 但是在面包板上做的时 候也出现了不少困难 首先 元件并不是完全按照要求的 因此测试的时候有很大的误差 为了达到要求 不得不更换元件 因此最后使用的元件与计算的值有部分不同