循环数显超温报警器的设计

1、- - 赣南师院物理与电子信息学院数字电路课程设计报告书论文题目循环数显超温报警器的设计课程论文要求1要求灵敏度高、稳定性好、易控制、温控范围宽、成本低2能在受控温度超过设定的上限值或低于下限值时发出报警信号3要求该温控报警器使用安全方便，控温效果理想4 数字循环显示 1-9-2-1-7并白天不显示 1-9-2-1-7 ，晚上显示 1-9-2-1-7 - - 设计过程1. 方案比较方案一：该温度报警器的主电路由ntc 测温电阻 , 可调温度电位器 , 低频振荡器和音频振荡器四部分组成 . 工作原理如下 : 由电位器设定好温度值 , 当温度升高时 , 测温电阻 ntc 的电阻值降低 , 达到cd

2、4011输入高电平阀值 , 导致低频振荡器工作 , 调制音频振荡器 , 通过三极管放大, 由报警装置发出报警声。图 1.1 超温报警器方案一电路原理图方案二：该温度报警器的电路如图1.2 所示。时基电路 ic1、电位器 rp 、电阻r1和热敏电阻 rt组成温度检测触发电路。 rt是一种负温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高而逐渐减小。ic2 是一种音响集成电路kd9561 ，能产生 4种模拟声，即警车声、消防车声、救护车声和机枪声。ic3 为音频功率放大器，可将微弱的音频信号放大，推动扬声器b发声。具体工作过程如下：+12v 470?f 0.022 ?f 0.47?f 0.22 ?f 4.7k

3、1k 20k ntc cd4011 cd4011 cd4011 cd4011 g r sp 2sc1815 390k 22k 200k 390k - - 温度未达到预定值时， 由于温度传感器 rt的阻值大于 1/2（rp+r1 ） ， ic1的触发端脚电位高于1/3g（2v） ，使得 ic1 的脚为低电位，二极管vd截止，ic2 因得不到供电电压而无音频信号输出，扬声器b无声。当温度升高到预定值时， rt的阻值将小于 1/2 （rp+r1 ） ，ic1 的触发端脚电位低于1/3g（2v） ，ic1 的输出端脚为低电位跳变到高电平，二极管vd导通，输出约 5v （200ma ）的直流电压。该直流

4、电压经电容c2滤波后供给 ic2。这时ic2 产生的警笛信号由out 端输出，经 c3耦合至 ic3 的输入端脚进行功率放大。放大后的音频信号从ic3 的脚输出，最后经电容c6驱动扬声器 b发出响亮的警笛报警声。图 1.2 超温报警器方案二电路原理图方案三：为了能让作品在很短时间内模拟上述过程，将题目适当修改，即用数显电路代替工作件，当其接通市电后，数显电路会周而复始地按顺序“1-7-1-9-2 ”显示数字。用插上电源的电烙铁(20w或 25w) 代替发热件，当发热的电烙铁外壳靠近热敏元件，约几秒钟后，热敏元件感受的温度超过工作件温度的上限，温控电路便工作，首先切断发热件电源，红色发光二极管点

5、亮，1 秒钟后再切240k 3k 10022k 68k 7 4 3 2 ic1 8 6 4.7?f 0.01 ?f 100 ?f 100 ?f 220 ?f 10?f 6v 100?f 1 6 5 4 3 ic2 ic1 lm336 kd9561 ne555 b out to rt c1 c5 c4 c3 c2 c6 c7 in4001 gnd osc1 osc2 sel1 2 r2 r1 rp + s 1 5 g - - 断工作件数显电路的电源，数显电路停止工作，并同时发出断续( 不是连续 )的报警声。 随后电烙铁远离热敏元件， 让其所感受的温度在上限温度以下，温控电路恢复常态，红色发光二极

6、管熄灭，电烙铁重新得电、报警声停，数显电路重新工作。当电烙铁再次靠近热敏元件远离热敏元件，作品重复上述过程。图 1.3 超温温度报警器方案三电路原理图2. 方案的选择通过对以上三种方案的各个方面的比较.如适用前景和市场经济效益分析来看,方案三虽然有点复杂，但是符合实际贴近生活，各元器件方便购买并且容易设计。所以选择第三种方案比较合理作为本次课程设计。3、电路设计- - 3.1 器件的应用1) 555 定时器应用国产双极型定时器cb555 电路结构图。它是由比较器c1和 c2，基本 rs触发器和集电极开路的放电三极管td三部分组成。vh是比较器 c1 的输入端， v12是比较器 c2的输入端。

7、c1和 c2的参考电压 vr1和 vr2由 vcc经三个五千欧电阻分压给出。 在控制电压输入端vco悬空时， vr1=2/3vcc,vr2=1/3vcc。 如果 vco外接固定电压，则 vr1=vco,vr2=1/2vco. rd是置零输入端。只要在rd端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使rd处于高电平。图中的数码 18 为器件引脚的编号。- - 图 3-1 555定时器逻辑符号555 定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。图 3-2555定时器内部结构图1.1 电路组成555 集成定时器由

8、五个部分组成。1.基本 rs 触发器：由两个“与非”门组成2.比较器： c1、c2是两个电压比较器3.分压器：阻值均为5 千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器c1 和 c2提供参考电压。4.晶体管开卷和输出缓冲器：晶体管vt 构成开关，其状态受 q端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器g3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。1.2 基本功能1&cothtr+vccuod5k5k5kc1c2g1g2g3t+2658437rqq- - 当0r时，1q，输出电压olovv为低电平， vt 饱和导通。当1r时，ccthvv32时，cctrvv31时，c1 输出低电平，

9、 c2 输出高电平，1q，q0，olovv，dt 饱和导通。当1r、ccthvv32、cctrvv31时，c1、c2 输出均为高电平，基本rs 触发器保持原来状态不变，因此ov 、vt 也保持原来状态不变。当1r、ccthvv32、cctrvv31时，c1输出高电平， c2 输出低电平，0q，q1，ohovv，vt 截止。555定时器功能表输 入输出阈值输入 (vi1) 触发输入 (vi2) 复位() 输出() 放电管t 0 0 导通1 1 截止1 0 导通1 不变不变表 3-3 555 定时器逻辑功能表2) 十进制计数 / 分频器 cd4017应用其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出

10、实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是o0 、o1 、o2 、 o9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。cd4017 有 10个输出端 （o0 o9 ） 和 1 个进位输出端 o5-9。每输入 10个计数脉冲， o5-9就可得到 1 个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。 cd4017 有 3 个输（ mr 、cp0和cp1 ），mr为清零端，当在 mr 端上加高电平或正脉冲时其输出o0为高电平，其余输出端（o1 o9 ）- - 均为低电平。 cp0和cpl 是 2 个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由 cp0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由cpl 端输入。设

11、置 2 个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当cd4017 有连续脉冲输入时， 其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。图 3-4 cd4017 管脚图其引脚功能如下：脚 (y5)，第 5 输出端；脚(y1)，第 1 输出端；脚(y0)，第 0 输出端，电路清零时，该端为高电平；脚(y2)，第 2 输出端；脚(y6)第 6 输出端；脚(y7)，第 7 输出端；脚(y3)，第 3 输出端；脚(vss)电源负端；脚(y8)，第 8 输出端；脚(y4)第 4 输出端；脚(y9)第 9 输出端；脚(qco)，级联进位输出端，每输入10 个时钟脉冲，就可得

12、一个进位输出脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。脚(en)，时钟输入端，脉冲下降沿有效；脚(cp)，时钟输入端脉冲上升沿有效；脚(r)，清零输入端，在 “r ”端加高电平或正脉冲时，cd40171c 计数- - 器中各计数单元输出低电平“0”，在译码器中只有对应 “0”状态的输出端y0 为高电平；脚(vdd) ，电源正端 318v 直流电压。cd4017 内部逻辑电原理图如图3-5 所示。它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。其中的d 触发器 flf5 构成了十进制约翰逊计数器，门电路 514构成了时序译码电路。 约翰逊汁数器的结构比较简单它实质上是一种串行移位寄存器

13、。除了第3 个触发器是通过门电路15、16 构成的组合逻辑电路作用于f3 的 d3 端以外，其余各级均是将前一级触发器的输出端连接到后一级触发器的输入端d 的， 计数器最后 级的 q5 端连接到第一级的d1 端。这种计数器具有编码可靠，工作速度快、译码简单，只需由二输入瑞的与门即可译码， 且译码输出无过渡脉冲干扰等特点。通常只有译码选中的那个输出端为高电平，其余输出端均为低电平。约翰逊计数器状态如表1-1所示。图 3-5 约翰逊计数器状态表当加上清零脉冲后， q1q5 均“0”，由于 q1 的数据输入端d1 是 q5 输出的反码，因此, 输入第 个时钟脉冲后， q1 即为“ l ”，这时 q2

14、 - q5 均依次进行移位输出， ql 的输出移至q2，q2 的输出移至q3 。如果继续输入脉冲，则 q1 为新的 q5，q2q5 仍然依次移位输出， 这样就得到了表l l 的状态及图l 3 的波形- - 图 3-6 cd4017内部结构由五级计数单元组成的约翰逊计数器， 其输出端町以有32 种组合状态，而构成十进制计数器只需 10 种计数状态， 因此，当电路接通电源之后， 有可能进入我们所不需要的22 种伪码状态。为了使电路能迅速进入表1 l 所列状态，就在第三级计数单元的数据输入端上加接了两级组合逻辑门，使 q2 不直接连接d3，而使 03 由下列关系决定：d3q2(ql+q3) 这样做，

15、当电源接通后，不管计数单元出现哪种随机组合，最多经过8 个时钟脉冲输入之后，都会自动进入表l l 所列状态。- - 图 3-7cd4017 的仿真波形图cd4017 有 3 个输入端：复位清零端r，当在r 端加高电平或正脉冲时，计数器清零，在所有输出中，只有对应“0”状态的 q0 输出高电平，其余输出均为低电平：时钟输入端cp 和 ce，其中 cp 端用于上升沿计数， ce 端用于下降沿计数，这两个输入端的内部逻辑电路如图2 所示。由图2 可见，cp 和 ce 还有互锁的关系， 即利用 cp 计数时，ce 端要接低电平：利用 ce 计数时， cp 端要接高电平。反之则形成互锁。在“r ” 端加

16、上高电平或正脉冲日子，计数器中各计数单元f1 f5 均被置零，计数器为 “00000 ”状态。cd4017 有 10 个译码输出端q0 q9，它仍随时钟脉冲的输入而依次出现高电平，见图3。此外，为了级联方便，还设有进位输出端qc，每输入10 个时钟脉冲，就可得到一个进位输出脉冲，所以qc 可作为下一级计数器的时钟信号。从上述分析中可以看出， cd4017(它的基本功能是对 “cp ”端输入脉冲的个数出端，计满十个数后计数器复零，同时输出个进位脉冲。- - 3)bcd-锁存/7 段译码 / 驱动器 cd4511及数码管的应3.1cd4511的结构cd4511 有四个输入端 a，b，c，d和七个输

17、出端 a，它还具有输入bcd码锁存、灯测试和熄灭显示控制功能，它们分别由锁存端le、灯测试端 lt、熄灭控制端 /bi 来控制。cc4511 是常用的七段显示译码器。 它的内部除了七段译码器电路外，还有锁存电路和输出驱动器部分，具有输出大驱动电流的能力，最大可达25ma ，可直接驱动 led数码管或荧光数码管。cd4511 是一个用于驱动共阴极 led （数码管）显示器的 bcd 码七段码译码器。其特点：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

18、列如图 2 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。 ag 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

19、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。3.1 用 cd4511实现 led与单片机的并行接口方法如下图：- - 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

20、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3.2cd4511的引脚图 3-8 cd4511 引脚图cd4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动led 。其引脚图图 3-8 各引脚的名称：其中7、

21、1、2、6 分别表示 a、b、c 、d；5、4、3 分别表示 le、bi、lt；13、12、11、10、9、15、14 分别表示 a 、b、c、d、e、f 、g。左边的引脚表示输入， 右边表示输出， 还有两个引脚 8、16 分别表示的是 vdd 、vss 。3.3cd4511的工作原理（1）cd4511的工作真值表如表3-9- - 图 3-9 cd4511 的工作真值表（2）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。如图3-3 （3）译码cd

22、4511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。（4）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。8421 bcd 码对应的显示见下图：选用共阴极数码管，对于 cd4511 ，它与数码管的基本连接方式如下图：4）lm324的功能及应用

23、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， “v o” 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相位相反； 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 的引脚排列见图 3-10 - - 图 3-10lm324 的引脚排列图 3.11测温电路4.

24、硬件方案4.1555 振荡电路利用 555定时器组成的振荡器产生的时钟脉冲信号交给4017十进制计数器/ 分频器进行计数，为cd4511提供电信号。- - 4.2 测温电路感温探头采用一只硅三极管3dg6 ，把它接成二极管形式。硅晶体管发射结电压的温度系数约为 -2.5mv/，即温度每上升1 度，发射结电压变会下降2.5mv 。运放 lm324连接成同相直流放大形式， 温度越高， 晶体管 q压降越小，运放 lm324同相输入端的电压就越低，输出端的电压也越低。这是一个线性放大过程。 在 lm324输出端接上测量或处理电路， 便可对温度进行指示或进行其它自动控制。- - 4.3 译码显示电路通过

25、译码器 cd4511进行译码将产生的数据有数码管显示4.4 报警电路报警电路如下图所示。由555 定时器和三极管构成的报警电路如图4 所示。其中 555 构成多谐振荡器，振荡频率fo 1.43/ （ri2r2）c，其输出信号经三极管推动扬声器。 pr为控制信号，当 pr为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。- - 4.5 其他辅助电路通过辅助电路来消除一些毛刺现象，是电路较稳定。4.5 电路总原理图当工作温度在规定范围内，相当于电烙铁远离热敏电阻元件，热敏电阻阻值较大时， ic1a 同相端电压 vr6 较低，使 v+v- （同相端电压低于反相端电压）ic1a 的脚输出低电平， ic1b

26、的脚为低电平，三极管vt1,vt2 的截止，继电器的线圈无电流通过，它们的动接点不动作。- - 当将发热的电烙铁靠近热敏电阻，几秒钟后热敏电阻感受到较高的温度，其阻值突然下降，红色发光二极管发光，k2 的二组动接点都动作，振荡输出给有源 讯响 器又发 出 断续的 报警 声，并 数显电路 按顺 序周而 复始的显示” 1-9-2-1-7”- - 4.6 元器件清单型号名称数目555定时器脉冲信号发生器1 cd4017十进制计数 / 分频器1 led发光二极管1 in4148普通二极管12 cd4511bcd 锁存/7 段译码器 / 驱动器1 lm324四运放集成电路1 74ls00与非门1 电容1

27、00uf2 电容0.1uf2 电阻4.7k2 电阻1.0k2 电阻3307 电位器10k1 5. 设计步骤和结果5.1 设计步骤（1） 分析电路图 ，了解各部分的功能；（2） 用软件仿真电路的功能；（3）焊接循环数显超温报警器的设计功能电路，（5） 调试电路并排出错误。5.2 设计结果在软件上仿真电路可以得到预期的结果，但是硬件的功能也算比较理想。达到自己预期的设计结果- - 6、设计收获和体会经过将近一个学期的数电课程设计， 终于完成了我的循环数显超温报警器的设计，虽然达到设计要求，但并不那么十分的完美，从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计终于得以完成，但是高兴之余不得不深思呀！在本次课程设计的过程中， 我发现很多的问题， 学的东西太少， 自己课外看书也太少，没有充分利用到图书馆的资源，但这次课程设计真的让我长进了很多，从一无所有到最终产品的完成真的是一个很艰难的过程。我们不仅要选好材料，还要学着把这些材料合理的组织起来。所以我们要学会如何寻找和搜索自己需要的电路图。 而且还要知道各个部分的作用。每个环节都不是一件简单的事。 举个例子，以前做课程设计的时候都是老师或同学拿来现成