温度报警器设计详解

温度报警器设计前言•综合电子设计与实践是集电路分析、模拟电子技术、数字电子技术以及电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验等课程之后的一门理论与实践相结合的综合设计性课程。•它的开展是为了提高和增强学生对电子技术知识的综合分析与应用能力。这对于提高学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要，是电子技术人才培养成长的必由支路。•这次课题的设计任务要求是完成一个温度报警器的制作，并实现当温度高于30℃时发出双音报警，温度低于10℃时发出单音报警的功能要求。本设计中充分展示了模拟电子技术的优点，利用放大电路、窗口比较器进行温度的判定，再结合数字电子技术的优点，充分利用单元电路的功能来实现报警，将模电、数电紧密结合，综合应用，不但对知识有了更进一步的掌握，也极大地提高了动手能力，并让学生对于实际电子产业有了初步的认识，对于以后的就业打下一定的基础。一、任务和要求•1、用蜂鸣器作为电声原件；•2、当温度在10℃至30℃范围内时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低。即：•⑴当温度高于30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀---嘟”声响。•⑵当温度低于10℃时，报警器发出单频率声响。•3、温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0℃为0mV，温度每上升1℃，递增2mV。•4、设计并制作本电路所用直流电源。二、设计方案及思路•1.1整体电路构思•本次温度报警电路的设计我们用蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过电压的变化来模拟温度的高低，以0℃为0mV，温度每上升1℃，递增2mV；•由于变化的电压值较小，所以我们采用放大电路对其进行放大100倍，然后通过后级比较电路对电压进行比较，当温度在10℃至30℃范围内（即电压在20mV至60mV时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，即当接收到的输入电压（前级放大器的输出）小于2V（10℃时放大器的输出为2V）或者大于6V时（30℃时放大器的输出为6V），输出高电平以驱动后级的发生报警电路，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即当温度高于30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀---嘟”声响；当温度低于10℃时，报警器发出单音频率声响。•电路所需的直流电压由5V和12V直流电源提供。二、设计框图•根据整体构思，说设计电路分为四个模块：•直流电源、信号放大电路、比较电路和报警电路。•其中直流电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压器组成；•放大器的设计采用集成运放放大；•比较器采用窗口比较器，通过电压的变化可以模拟实现高温低温的变化；•报警电路有单双频之分，选用555定时器件做成多谐振荡器，以分别实现单双频报警。三、单元电路设计•1、直流电源电路设计•直流稳压5V、12V电源的设计，输入交流电220V（峰值312V），50Hz。•稳定直流电源设计的一般思路是让输入交流电压220V（峰值312V）50Hz先通过变压器（降压到合适的数值，如16V），再通过整流电路（将正弦波交流电压转换为直流脉动电压，即交直流成分均有），然后经过滤波电路（减小电压的脉动），最后经过稳压电路（使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻的影响）。•采用整流桥实现整流的目的，以2200uF的大电解电容作为滤波电路，采用固定式三端集成稳压器7805、7812来稳定输出电压。•如下图所示，220V（峰值311V）50Hz交流电经变压器220:16输出两组独立的16V交流电，经整流桥、大电容滤波后分别经过集成稳压块7812和7805作用得到+12V、+5V的直流输出电压。稳压电源组成框图如图1所示：W7805、W7812管脚图2.2、放大和比较电路的设计•1.放大电路•放大电路图：•此电路是同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈。根据反馈放大电路工作在深度负反馈的状态下：Uid≈0URV1=UR2UR2=(Uo／(R3+R2))×R2Uo=(1+R3∕R2)URV1电路放大倍数为：A=(1+R3∕R2)LM324的管脚图•LM324是四运放集成电路，LM324工作电压范围宽，可用电源3V～30V，或正负双电源±1.5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为0～VCC。它采用14脚双列，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上图左示的符号来表示。•R1处加一个+12V的直流电压（即7812的输出端），通过滑动电位器RV1来改变放大器的输入电压URV1.。根据实验设计要求（当温度在10℃至30℃范围内且允许误差±1℃）时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，报警器发出声响。以0℃为0mV，温度每上升1℃，递增2mV，即低于20mV报警（单频），20mV—60mV不报警，高于60mV报警（双频）。•URV1经过LM324放大100倍后，就变为0—1.9V报警（单频），2V—6V不报警,大于6v报警（双频）。再经过窗口比较器。•注意事项：•R1与RV1要取合适的值，RV1应尽量小点，以提高电路的灵敏度。2.3窗口比较器电路•窗口比较器电路图：•由LM324中的两个运放组成1个窗口比较器，以12V为电源电压，通过调节电位器RV2、RV3来确定窗口比较器的两个基准电压，使分别为2V、6V，调节好后使其稳定不再变化。•放大器的输出电压UO与两个基准电压进行比较，若UO小于2V，则B运放输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过D1(5V稳压管)使输出电压稳定在5V；•若UO在2V与6V之间，则运放B与C输出都为低电平，即电压为0；•若UO大于6V，则运放C输出为高电平，输出端接一个保护电阻经过D2（5V稳压管）使输出电压稳定在5V。2.4、温度报警电路•注意事项：•稳压管D1、D2的作用是稳定窗口比较器的输出电压，但前提是窗口比较器的输出电压必须大于稳压管D1、D2的稳压值。运放输出端所加保护电阻不应过大，否则稳压管将不起作用。根据任务与要求，要有两种不同的报警声音，因此我们设计两种报警电路，单频报警和双频报警电路。音频报警电路的制作可以用555和电阻、电容组成，我们选用555集成定时器来制作多谐振荡器从而做出音频电路。多谐振荡器是在Vc大于Vt-时充电，小于Vt+时放电。555的管脚图•555定时器的电路如上图所示。它由三个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电管V1、与非门和反相器组成。分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器C1的参考电压为2/3Ucc，加在同相端；C2的参考电压为1/3Ucc,加在反相端。Rd’是复位端，当Rd’=0时，基本RS触发器被置0，晶体管V1导通，输出端UO为低电平。正常工作时，Rd’=1。•设U11和U12分别为6端和2端的输入电压。当U112/3Ucc,U121/3Ucc时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即Rd’=0,Sd’=1,基本RS触发器被置0，晶体管V1导通，输出端UO为低电平。CCU32•当U112/3Ucc，U121/3Ucc时，C1输出为高电平，C2输出为低电平,Rd’=1,Sd’=0,基本RS触发器被置1，晶体管截止，输出端U0为高电平。当U112/3Ucc,U122/3Ucc时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。•综上所述，可得555定时器功能如表所示。555应用电路分类555多谐振电路相关参数计算•用555定时器设计一个自由多谐振荡器•要求振荡周期T=1~10S，选择电阻、电容参数，并画出连线图。最小振荡周期要求振荡周期T=1~10S，选择电阻、电容参数，并画出连线图。解电路如图9-4所示，其振荡周期C)RR(.T21270+=。如果选择R1min=R2=3.9kΩ,C=100uF.则•T=0.7(R1+R2)C=0.7×(3.9+R+2×3.9)×100=1~10S最小振荡周期：Tmin=0.7×(3.9+2×3.9)×100=819ms1、低温报警电路•此电路中4端口接窗口比较器的D1稳压输出，4端口为一个复位端，当D1为高电平（温度低于10℃即放大电路输出电压小于2V）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出单频声音报警。•充放电时间为τ=RC•充电时间为•T1=(R4+R5)·C4·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))•放电时间为•T2=R4·C4·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))•此振荡电路的振荡周期为•T=T1+T2=(R5+2R4)·C4·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))•=(R5+2R4)·C4·㏑2•占空比：•q=T1/T=(R4+R5)／（R5+2R4）2、高温报警电路•高温报警采用双频报警，该部分用到了两片555定时器。U5的作用是控制高低音的持续时间，高电平持续时间即为电容C的充电时间，低电平持续时间即为电容C的放电时间；U6的作用是将高音与低音转换成合成频率输出。•对于U5振荡电路的充电时间为：•T1=(R7+R8)·C5·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))•放电时间为：•T2=R8·C5·㏑((Vcc－Vt-)／(Vcc－Vt+))•占空比为：•q=T1/T=(R7+R8)/(R7+2R8)•当U5输出为高电平时对于U6振荡电路的振荡频率为：•设阈值电压为VT1+、VT1-•根据555的内部电路有：•C6的充电阈值为：CCTVkRkkV5//1010111放电阈值为：CCTVkRkkV5//105111充电电路为：•根据电路列写UC（t）的表达式：6109)()]()0([)()(CRRtcccceuuutu11ln)(6109TCCTCCVVVVHCRRT1100610lnTTVVLCRT1111006106109lnln)(TTTCCTCCVVVVVVLHOCRCRRTTT充电时间为TH：放电时间为TL：则振荡周期TO为：•低音频率为：CCTVkRkkRV)10//(510//11112OLTf1当U5输出低电平时对于U6的振荡频率为：设C6的阈值为VT2+、VT2-则CCTVkRkkRV)]10//(5[210//111122222006106109lnln)(TTTCCTCCVVVVVVLHCRCRRTTT高音振荡频率为：fH=1/T•根据参数、计算公式可得，双频的高低音持续时间以及高低音频率只与和555外部连接的电容C和电阻R有关，因此我们可以通过改变555外部电路的电容和电阻的大小来控制多谐振荡电路的振荡周期，从而控制蜂鸣器发出声音的高低和频率。•U6的4端接D2端稳压输出电压，当D2为高电平（温度高于300C即放大电路输出电压大于6V）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出“嘀---嘟”的双频声音报警。三、电路仿真分析•3.1仿真软件简介•本次电路仿真用的是Protues软件，Protues软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。•Protues软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能时：（1）原理布图（2）PCB自动或人工布线（3）SPICE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部件，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。•3.2电路仿真•通过用Protues软件进行仿真，将各个模块连接好后进行仿真。电路图如下：•仿真结果：•当温度低于10℃时发出单频报警输出波形如下：当温度高于30℃是发出双频报警