溫度報警器的 設計 - 1 - 溫度報警器 項目設計方案 一、任務和要求： 1、用壓電陶瓷蜂鳴器作為電聲元件； 2、當溫度在 10至 30范圍內（允許誤差 1）時報警器不發(fā)聲響，當溫度超過這個范圍時，報警器發(fā)出聲響，并根據(jù)不同音調區(qū)分溫度的高低。即： （ 1）當溫度高與 30時，報警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀 嘟”聲響。 （ 2）當溫度低于 10時，報警器發(fā)出單頻率聲響。 3、溫度傳感器輸出電壓可由直流信號源模擬，以 0為 0度每上升 1，遞增 24、設計并制作本電路所用直流電源。 二、設計框圖 三、所需儀器設備 1、數(shù)字萬用表 一塊 2、雙蹤示波器 一臺 3、直流穩(wěn)壓電源 一臺 4、剪刀、 鑷子 各一把 5、面包板 一塊 目錄 溫度模擬信號 直流電源 放大比較電路 音頻報警器 溫度報警器的 設計 - 2 - 一 5 體電路構思 5 計方案一 5 計方案二 5 案的選擇 6 二 6 6 大器電路的設計 7 口比較器電路的設計 9 度報警電路的設計 10 三、電路的仿真圖及裝調和分析 12 源的裝調 12 大和比較電路的裝調 13 警電路的裝調 13 3 4 整體電路的裝調 13 四、實驗結果分析 13 五、總結和體會 15 六、參考文獻 15 七、附錄 16 溫度報警器的 設計 - 3 - 一、設計方案及思路 本次溫度報警電路的設計我們用壓電陶瓷蜂鳴器作為報警電路的電聲元件，通過電壓的變化來模擬溫度的高低，以 0為 0度每上升 1，遞增 2于變化的電壓值較小，所以我們采用放大電路對其進行放大 100倍，然后通過后級比較電路對電壓進行比較，當溫 度在 10至 30范圍內（允許誤差 1）即電壓在 200溫度超過這個范圍時，即當接收到的輸入電壓（前級放大器的輸出）小于 2V（ 10時放大器輸出為 2V）或者大于 630時放大器輸出為 6V），輸出高電平以驅動后級的發(fā)生報警電路報警器發(fā)出聲響，并根據(jù)不同音調區(qū)分溫度的高低，即當溫度高與 30時，報警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀 嘟”聲響；當溫度低于 10時，報警器發(fā)出單頻率聲響。 電路框 圖如下： 根據(jù)整體構思，所設計電路分為四個模塊：直流電源、信號放大電路 ，比較電路和報警電路。其中直流電源由變壓器、整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓器組成； 放大器的設計采用集成運放放大； 對于比較器我們選擇窗口比較器，通過電壓的變化可以模擬實現(xiàn)高溫低溫。 報警電路有單雙頻之分，選用 555定時器作成多諧振蕩器，以分別實現(xiàn)單雙頻報警。 電 源 電 路 比 較 電路 報 警 電 路 溫度模擬信號 直流電源 放大比較電路 音頻報警器 溫度報警器的 設計 - 4 - 方案一： 優(yōu)點：電路圖簡單，理論上可以實現(xiàn)報警功能。 缺點：比較電路需從直流電源直接取樣，所取電壓的范圍大小不 滿足對溫度變化所對應的電壓變化范圍。 結論：不可行 方案二： 優(yōu)點：通過放大電路的作用，能把對應的小電壓放大到需要的電壓范圍，可行性強。 缺點：相對于方案一電路較復雜 結論：可行 二、單元電路設計 計 直流穩(wěn)壓 5V,12入 交流電 220v（峰值 312v） 50 穩(wěn)定直流電源設計的一般思路是讓輸入電壓 交流電 220v（峰值 312v） 50壓到合適的數(shù)值，如 16v），再通過整流網(wǎng)絡（將正弦波電壓轉換為直流脈動電壓（直交流成分均有 ），然后經(jīng)過濾波網(wǎng)絡（減小電壓的脈動），最后經(jīng)過穩(wěn)壓網(wǎng)絡（使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動和負載電阻的影響）。 采用整流橋實現(xiàn)整流的目的，以 1000大電解電容作為濾波電路，采用固定式三端集成穩(wěn)壓器7812、 7805來穩(wěn)定輸出電壓。 如下圖所示， 220V（幅值 311V） 5020:16輸出兩組獨立的 16整流橋、大電容濾波后分別經(jīng)過集成穩(wěn)壓塊 7812與 7805作用得到 +12、 +5穩(wěn)壓電源組成如圖 1所示： 圖 1 直流電源系統(tǒng)方框圖 電源變壓器：將電網(wǎng)提 供的 220 溫度報警器的 設計 - 5 - 0 0 0 5 1 2 0 3 3 12 W 0 0 5 T R 1T - 2 P 2 V O )V = 1 2 9 9V O )V = 5 5 3 71 流橋 選擇 整流橋有兩根輸入交流線和兩根輸出直流線。經(jīng)過整流橋上正極 M 波可提供一個 +12 +12過穩(wěn)壓、濾波就可以提供一個 +5流橋負極接地。整流橋的這樣就可以給后面的系統(tǒng)提供工作電壓了。 （ 1） 穩(wěn)壓管型號，輸入電壓和輸入電流 220v 電網(wǎng)電壓經(jīng)過通用變壓器 壓至 16V， 16V 交流電壓經(jīng) 橋式電路 整流 ， 濾波作用后變 成直流電壓， 整流成直流的電壓，需要 +12v 的電壓，故選用 7812 型號；穩(wěn)壓管的壓差 6v 左右，則輸出 12v 左右，選用 7805 型號的，經(jīng)過穩(wěn)壓管的消耗，穩(wěn)壓管的電壓輸出為 +5v。 （ 2）故輸入電壓 2+3+ 電源變壓器的副邊電壓有效值： 13v，所以變壓器的輸出電壓取值是 13v，輸出電壓是最大值是 2*13 18v （ 3）濾波電容： C=10006000以電解電容的參數(shù)： 1000 路的設計 （自己設計部分） 計任務 和要求 設計一個 10 30以外的溫度報警器，需要用電壓來代表溫度，設 1用 2替，那么在10 30則表示成 2060電源供的電壓在 2060圍以外的電路報警，而電源提供的電壓為 5v，與所取電壓相差很大，這時需要將所取電壓放大 100 倍，即 2V 6V 以外的電壓電路報警，需設計一個放大器電路，對電壓進行放大，為后續(xù)電路做好鋪墊。 溫度報警器的 設計 - 6 - 計原理 用 直流恒壓源供電，為了滿足增大輸入電阻，減小輸出電阻，以減少電源的內阻消耗，提高電路的帶負載能力。所選運算放大器功耗低；輸出電壓與輸 入電壓同相。用一個可調 電位器 來模擬溫度的變化。 計方案 選運算放大器： 紹： 列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。它的特點是將 4個功能獨立的運放集成在同一個集成芯片里，這樣可以大大減少各運放由于制造工藝不同帶來的器件性能差異；采用統(tǒng) 一的電源，有利于電源噪聲的降低和電路性能指標的提高。 特點： 。 。 3 大 100 。 具體設計原理：電壓串聯(lián)負反饋，同相比例放大。 (1) )4(1)3(11)2(0得到 上式表明 電阻選擇：因為電源電壓為 +5V，應選擇千歐級電阻，以滿足輸入電壓毫伏級的要求。 放大器電路圖： 溫度報警器的 設計 - 7 - 321411U 1 : 3 2 4 o l t s+ 6 B A T 16 0 m 此電路是同相比例運算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負反饋。 根據(jù)“虛短”和“虛 斷 ” ,因為凈輸入電壓為 0， N= 1+） =（ 1+99/1） 00即 ： V 1230 )1( 如電路總圖圖） 處加一個 +12v 的直流電壓（即 7812 的輸出端），通過滑動電位器 改變放大器的輸入電壓 據(jù)實驗設計要求（當溫度在 10至 30范圍內（允許誤差 1）時報警器不發(fā)聲響，當溫度超過這個范圍時，報警器發(fā)出聲響。以 0為 0度每上升 1，遞增 2低于20頻）， 20于 60警（雙頻）。 大為 12 100000 1000=20過 00倍后，就變?yōu)?0 頻）， 2v 60頻） 。再經(jīng)窗口比較器比較輸出給后續(xù)電路 。 設計 （自己設計部分） 溫度報警器的 設計 - 8 - 窗口比較器電路圖： 321411U 1 : 3 2 4567411U 1 : 3 2 4o l t s+ 0 V o l t B A T 11 2 T 25 T 3153 4 7 B R 53 4 7 B R 個窗口比較器，以 12過 60k、 40k、 20 窗口比較器 的兩個基準電壓 分別為 2V、 6V。 放大器的輸出電壓 v，則 B 運放輸出為高電平，輸出端接一個保護電阻經(jīng) 過 v；若 v 與 6v 之間，則運放 輸出都為低電平，即電壓為 0；若 v，則運放 A 輸出為高電平，輸出端接一個保護電阻經(jīng)過 壓管使輸出電壓穩(wěn)定在 5v。 注意事項： 穩(wěn)壓管 作用是穩(wěn)定窗口比較器的輸出電壓，但前提是窗口比較器的輸出電壓必須大于穩(wěn)壓管 放輸出端所加保護電阻不應過大否則穩(wěn)壓管將起不到穩(wěn)壓作用。 度報警電路 的設計 根據(jù)任務與要求，要有兩種不同的報警聲音，因此我們設計兩種報警電路，單頻報警電路和雙頻報警電路。 音頻報警電路的制作可以用 容組成，我們選用 555集成定時器來制作多諧振蕩器從而做出音頻電路。 低溫報警電路 溫度報警器的 設計 - 9 - 5 5B U Z 1B E 0 1 u F u 端口接窗口比較器的 4 端口為一個復位端，當 度低于 10即放大電路輸出電壓小于 2v）時，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出單頻聲音報警。 此振蕩電路的振蕩周期為 T ：5 54 2單頻產(chǎn)生的波形如下圖： 溫報警電路 溫度報警器的 設計 - 10 - 5 5 5 5 0 1 u u 2 2 u Z 1B E 部分用到了兩片 555 定時器。 作用是控制高低音的持續(xù)時間 ； 作用是將高音與低音轉換成頻率然后輸出。 雙頻的高低音持續(xù)時間以 及高低音頻率只與和 555外部連接的電容 此我們可以 通過改變 555 外部電路的電容和電阻的大小來控制多諧振蕩電路的振蕩周期從而控制蜂鳴器發(fā)出聲音的高低和頻率。 端接 度高于 30即放大電路輸出電壓大于 6v）時，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出“嘀 嘟”的雙頻聲音報警。 雙頻產(chǎn)生的波形如下圖： 三 、電路的 仿真圖及裝調和 分析 注： 單元電路的仿真圖都已在單元電路設計中給出，總體電路仿真圖在附錄 C 中給出，這里不再 重復畫出。 源的裝調 用萬用表測量從 2 排除：經(jīng)過仔細的檢查發(fā)現(xiàn)電路接通后 后我們判斷該三端穩(wěn)壓器是壞的，不能使用。然后我們更換了一個新的 通電源再次測量結果輸出 為 12滿足要求，電源制作完成。 溫度報警器的 設計 - 11 - 大和比較電路的裝調 滿足需求 。 解決 ： 改變了滑動變阻器的數(shù)值，使放大倍數(shù)在 100 左右 。 出端穩(wěn)壓管輸出電壓高電平 太高 。 解決 ： 經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓管不滿足電路要求，計算參數(shù)更換電容后 輸出高電平正常。 警電路的裝調 1：電路連接好后調節(jié)溫度模擬電位器超出 30溫度時高溫雙頻不報警。 解決 ： 由于電容沒有接地造成，接地后正常報警。 2：高溫報警發(fā)聲與所要求的聲音不同。 解決 ： 通過 檢查及計算后得到了更 合理的參數(shù)，更換了電阻 和電容 后發(fā)出的聲音即為“嘀 報警聲。 3 4整體電路的裝調 通過上面電路的的連接檢查整體電路無誤后接通電源，然后通過電位器模擬溫度變化； 1，當溫度低于 10時發(fā)出“嘀 嘀”的單頻報警： 2當溫度高于 30時發(fā)出“嘀 嘟”的雙頻報警 總體電路圖見附錄 C 四、實驗結果分析 項目 理論值 測量 值 整流橋輸出 16 V 不帶負載的變壓器輸出 16 V 帶負載的變壓器輸出 16 V 放大器輸入 放大器輸出 窗口輸出單頻 窗口輸出雙頻 單頻蜂鳴器 雙頻蜂鳴器 不響 響 不響 響 響 項目 理論值 測量值 7812 12v 度報警器的 設計 - 12 - 7805 5v 對誤差為： （ *100%=， 時， 出為低電平， 出為高電平，即 =0， =1，基本 ，晶體管 出端 低電平。 當 時，基本 路亦保持原狀態(tài)不變。 綜上所述，可得 555定時器功能如表所示。 輸 入 輸 出 復位 出 體管 T 0 0 導通 1 1 導通 1 保持 保持 溫度報警器的 設計 - 16 - 附錄 序號 名稱 數(shù)量 備注 1 變壓器 1 220v 16v 2 橋式電路 1 3 4 5 6 555 3 7 蜂鳴器 2 8 電解電容 1 1000 F 9 電容 1 100 F 10 電容 1 11 電容 1 12 電容 3 10 F 13 電容 2 14 電容 1 15 電阻 2 10016 電阻 3 1017 電阻 1 118 電位器 3 10019 電位器 1 5020 電位器 1 121 電源插頭 1 22 導線 若干 溫度報警器的 設計 - 17 - 附錄 321411U 6 : 3 2 4 01 : 3 2 41098411U 6 : 3 2 4R 1 16 0 24 0 32 0 1 5 5B