温度报警器

I模拟电子技术课程设计说明书温度报警器院、部：电气与信息工程学院学生姓名：指导教师：职称专业电气自动化班级：完成时间：2016年12月21日II《模拟电子技术》课程设计任务书学院：电气与信息工程学院指导教师雷美艳学生姓名徐昌伟课题名称温度报警器内容及任务一、设计任务利用集成温度传感器、集成运放等设计一个温度报警装置。当被测温度达到测量上限值时，可通过LED或蜂鸣器实现声（光）报警。电路设计方案自行确定。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；3、单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标一、设计要求及技术指标1、检测范围：室温～50℃；2、被测温度达到50℃时，指示灯亮（熄灭）或蜂鸣器工作；3、测量精度±1℃；二、扩展要求与指标1、用数字电压实现温度显示，电压表满刻度对应50℃；III进度安排起止日期工作内容2016.12.8-12.10查找直流稳压电源和温度报警器资料2016.12.10-12.11确定方案2016.12.12-12.14仿真、画原理图2016.12.15购买元器件2016.12.16-12.17画PCB图，制作PCB板及元件的焊接2016.12.18-12.19进行实物的调试2016.12.20-12.21撰写说明书主要参考资料[1]康华光．电子技术基础（模拟部分）（第五版）．高等教育出版社,2006；[2]邱关源．电路（第五版）．高等教育出版社,2006；[3]LM339比较器芯片的中文资料；[4]百度文库——温度报警器的设计。[5]何希才．传感器及其应用电路．电子工业出版社,2001；[6]郭培源.电子电路及电子元件[M].北京：高等教育出版社，2000。指导教师意见签名：年月日教研室意见签名：年月日IV摘要温度是一个十分重要的物理量，随着单片机在电子产品中的应用越来越广泛，很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。当检测的温度高于设定温度时，蜂鸣器报警。报警电路由三极管、蜂鸣器和发光二极管构成，温度报警器能实现超温报警。关键词：温度报警器；温度测量电路；比较电路；报警电路目录1绪论………………………………………………………………………………12设计方案的论证…………………………………………………………………22.1设计方案的比较…………………………………………………………22.2设计方案的选择…………………………………………………………33电路的设计………………………………………………………………………43.1总电路框图及原理分析…………………………………………………43.2单元电路的原理及元器件参数计算与选择……………………………43.2.1温度测量电路……………………………………………………43.2.2比较器电路………………………………………………………53.2.3报警器电路………………………………………………………64电路的仿真………………………………………………………………………74.1.温度度报警器的仿真………………………………………………75电路的制作、调试与分析………………………………………………………85.1电路的制作………………………………………………………………85.1.1温度报警器的制作………………………………………………95.2电路的调试与分析………………………………………………………95.2.1温度报警器的调试………………………………………………10（1）调试……………………………………………………………………10（2）测量结果分析…………………………………………………………11（3）误差分析………………………………………………………………116设计总结与体会…………………………………………………………………12参考文献……………………………………………………………………………13致谢…………………………………………………………………………………14附录…………………………………………………………………………………1511绪论电子技术是当今科技发展的热点，世界各国无不把它放在优先的发展的地位。模拟电子技术是电类专业的一门重要的技术基础课，它更是是否学好电类专业的关键之一。课程有许多的显著特点。其一是它的实践性，其二是它的理论性强，其三是它的实用性。要想很好的掌握电子技术，除了掌握基本器件的原理，电子电路的基本组成及分析方法外，还要掌握电子器件及基本电路的应用技术，课程设计就是模拟电子技术教学中的重要环节。通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，制作电路板，安装调试方面的体会。一般来说，温度报警器大都采用集成温度传感器与其附加控制电路构成。其利用温度传感器将温度变化转化为电信号，进而输出具体所需电信号。由于理论值都设在理想情况下，因此，此类产品中测量误差偏大、功能单一。例外，它的功耗相对较高。随着科技的发展，可以采用单片机，实现灵活配置多种测温传感器，对温度进行高精度测量的低功耗便携式报警器。本次课程设计的课题是温度报警器，本课程设计将就温度报警电路的工作原理、参数计算、元件选取、电路仿真、电路调试等做详细的介绍和说明。22设计方案的论证2.1设计方案的比较方案一：此方案的原理框图如图1所示，利用集成温度传感器元件AD590进行温度—电流的转换。图1方案一原理框图每个框图作用如下：K—℃变换电路：将开尔文温度转变为绝对温度℃；放大电路：经过运算放大器实现电压的放大作用；电压比较器：运用差分放大电路原理将电压进行比较，得到摄氏温度与输出电压的关系。报警设备：当温度超过50摄氏度时，报警设备将会报警，如发光二极管亮或者蜂鸣器响。优点：温度测量精准，灵敏度高,可测出温度的值。缺点：成本比较高，对于只要求温度报警来说用处不大。方案二：此方案原理框图如图2所示。利用热敏电阻与电阻的组合实现电桥电路，当打破平衡时，用比较器进行比较，当符合要求时输出电压是继电器导通，驱使报警电路报警。图2方案被测对象K—℃变换放大电压表比较器报警设备3二原理框图优点：成本较低。缺点：电路复杂，实际制作中元件有误差，不便实现。方案三：此方案的运力框图如图3所示。利用差分电路中的热敏电阻测量温度，使得阻值下降，输出的电压增大，再通过比较器比较电压，符合时输出使三极管导通的电压，驱使报警。图3方案三原理框图优点：成本低，电路简单，便于实现。缺点：测量精准度较低。2.2设计方案的选择从电路结构、安装难易、成本计算、性能指标、优缺点等多方面考虑，最终我们选择了方案三作为本次课程设计的方案。因为其成本低、电路简单易实现，从只需要报警的角度而言是最合适的。43电路的设计3.1总电路框图及原理分析总电路框图如图4所示，此电路是通过左边的差分电路中的热敏电阻将温度转换为电压输出；再通过比较器，与其基准电压比较，输出电压；最后在符合条件的情况下实现温度报警。图4电路总框图3.2单元电路的原理及元器件参数计算与选择3.2.1温度测量电路：采用热敏电阻和电阻组成的温度传感器。如图5所示Rt为热敏电阻，其阻值随温度升高而变化，公式为:kΩ℃0.18/-10=Rt（1）（10kΩ为20℃时的阻值，8.2kΩ为30℃时的阻值，4.6kΩ为50℃时的温度。）5图5温度测量回路元件参数及计算：1.Rt=10kΩ温度系数为-0.18kΩ/℃。2.R1=2KΩ。3.R8=10kΩ。当温度为20℃时，输出电压U01=[10kΩ/（10+10+2）kΩ]*5V=2.27V当温度为50℃时，输出电压U02=[10kΩ/（10+4.6+2）kΩ]*5V=3.01V3.2.2比较器电路：由电压比较器组成，如图6所示。R4上电压为报警时温度设定电压。当7脚（即同向输入端）的输入电压小于6脚（即反相输入端）的输入电压时，1脚输出低电平；当7脚（即同向输入端）的输入电压大于于6脚（即反相输入端）的输入电压时，1脚输出高电平。图6比较回路元件参数及计算：1.由于Ui（+）=U01，当50℃时,U01=3.01V，即当Ui（+）=3.01V时需输出6高电平，所以Ui（-）需小于3.01V，Ui（-）=3V。差分电路电源电压为5V，所以由Ui（-）=R4/（R3+R4）=3V可得:R3=2kΩ，R4=3kΩ。2.在输出端需加一个上拉电阻和分压电阻，阻值为几百欧-几千欧。R2=1kΩ，R9=570Ω。3.LM339比较器芯片管脚功能及内部结构如图7所示。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。图7LM339比较器芯片管脚功能及内部结构3.2.3报警器电路：由三极管、蜂鸣器、发光二极管构成，如图8所示。当输出电压使三极管导通时，电路报警。当比较器输出电压大于0.7V时，三极管导通，蜂鸣器和发光二极管两端电压导通，实现报警。7图8报警回路元件参数及计算：当比较器的输入电压大于3V时，通过仿真和实际测量得出输出电压U02为0.9V，大于0.7V，三极管导通。三极管为NPN型，型号为s9013。4电路的仿真4.1温度报警器的仿真温度报警器仿真如图18所示。图9温度报警器仿真图8通过仿真可得3表的示数为3V，当温度为20℃时，Rt为10kΩ，1表的示数为2.273V，2表的示数约为0.1V，无报警，发光二极管不亮，万用表示数如图19所示；当温度为50℃时，Rt为4.6kΩ，1表的是数为3.012V，2表示数约为0.8V，蜂鸣器响，放光二极管亮，万用表示数如图20所示。符合原理。图1020℃时1表、2表、3表示数图1150℃时1表、2表、3表示数95电路的制作、调试与分析5.1电路的制作按照原理图和PCB图制作PCB板或直接使用万用板。5.1.2温度报警器的制作根据原理图如图23所示购买元器件并在万用板上安装焊接图12温度报警器原理图105.2电路的调试与分析5.2.1直流稳压电源的调试（1）静态调试当连好电路板的线路时，先不要急着通电，而因该从以下几个方面进行检测：A、对照原理图，用万用表一一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路或漏接的现象，如果有，因该及时改好电路连线。B、对照原理图，检查各元件是否接正确。（2）动态调试稳压电源的性能指标的测试输出电压的测量：接通220V的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到正源输出电压为+12.23V，负电源输出电压为-11.87V。内阻的测量：在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的△VO，即用开短路法可测得电源内阻。测得数据如下：IA+=0.22A，VO+=12.23VIA-=0.218A，VO-=11.87V根据以上数据可得电源内阻为：r+=VO+∕IA+=12.23V/0.22A=55.59Ωr-=VO-／IA-=11.87V/0.218A=54.45Ω稳压系数的测量11稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即稳压系数Sr=（△VO/VO）/（△VI/VI）IO=常数，T=常数Sr的测量电路如图24所示：图13测量电路测试过程是：先调节自耦变压器使输入电压增加10%，即Vi=242V，测量此时对应的输出电压VO1；再调节自耦变压器使输入电压减少10%，即Vi=198V，测量此时对应的输出电压VO2，然后再测出Vi=220V时对应的输出电压VO，则稳压系数Sr=（△VO/VO）/（△Vi/Vi）=[220/（242-198）][（VO1-VO2）/VO