温度报警器

精选优质文档-倾情为你奉上 2015模拟电子技术课程设计说明书 温度报警器 学 院： 电气与信息工程学院 学生姓名： 刘拓 指导教师： 龙卓珉 职称/学位：硕士讲师专 业： 通信工程 班 级： 通信1301班 学 号： 完成时间： 2015年6月 专心-专注-专业前 言本设计介绍了温度报警器的设计。系统的电源采用自行设计并制作的 12v，+5v直流稳压电源。根据模拟电子技术所学知识及课程设计的要求，综述了变压、整流、滤波、稳压四个过程，对各种实施方案进行了比较，并进行电源各参数的设计和制作。温度报警器，它是一种简易温度测量电路，以温度传感器AD590,运算放大器uA741为核心元件，由电压跟随器，同相比例放大电路，差分放大电路，电压比较器四个基本电路构成。经测试证明，当测试温度达到50时，LED(Light Emitting Diode ,发光二极管)灯亮报警，实现了设计要求的预期目标。 目录1 设计方案论证与选择1.1电源模块的论证与选择1.2温度传感器的论证与选择1.3报警设备的论证与选择1.4显示器模块的论证与选择1.5温度传感器的论证与选择2设计框图及各单元电路功能设计2.1直流稳压电源的设计2.1.1整流电路 2.1.2滤波电路2.1.3稳压电路2.2直流稳压电路参数确定 2.2.1三端集成稳压器的选择2.2.2整流电路参数选择2.2.3确定变压器容量和次级电压2.2.4滤波电容容量和耐压的选择2.3设计温度报警器的系统框图2.4 温度报警器的各单元电路设计及参数确定2.4.1温度传感器2.4.2温度电压转换电路的设计2.4.3 产生2.73v基准电压2.4.4差分放大电路的设计2.4.5 电压比较器的设计2.4.6 驱动报警电路的设计3.温度报警器的仿真4.3 PCB的制作与封装5电路安装与调试及测试结果5.1温度报警器的制作5.2温度报警器的调试5.3温度报警器的调试结果5.4调试过程中遇到的问题5.5结果及误差分析参考文献.致谢附录1 设计方案论证与选择1.1 电源模块的论证与选择方案一：采用干电池供电。干电池价格低廉、携带方便、运用灵活，但不能循环使用，并且对土壤、水体污染严重，有悖于低碳环保，因此不用该方案。方案二：用直流稳压源供电，因为直流稳压源可直接输出,与+电压。这种方法用电方便，排针与电子线束配套使用引入温度报警器的电压输入端，可以不间断的供电，并且直流稳压源可以循环使用。综合比较以上两种方案选择低碳、环保的方案二，使用直流稳压源供电。1.2 温度传感器的论证与选择方案一：采用美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器AD590。这种传感器可随被测温度的变化实时变化，它是一种电流型二端器件，其内部已作修正，具有良好的互换性和线性。且灵敏度高、稳定 性好、价格便宜、对温度外的物理量不敏感、不易发生化学反应。方案二：采用由National Semiconducoter生产的电压输出型LM35温度传感器，其输出电压为摄氏温标。综合比较以上两种方案选择方案二，这里采用市面上较常见、性能较好的温度传感器AD590集成温度传感器。1.3 报警设备的论证与选择方案一：采用LED灯发光报警，这种报警方式比较直观，利用LED不同的状态就可以判别出此时的温度处于的状况。方案二：采用蜂鸣器发声报警，这种报警方式可以使工作人员在一定距离范围内监测到温度异常进行及时处理。综合比较以上两种方案发现两种方案各有优势，为节省设计成本，选择较直观的方案一，采用LED灯发光报警。1.4 显示器模块的论证与选择方案一：不使用显示设备，直接利用LED灯发光报警。这种方案可以使系统大大简化，但是温度值不能直观的读出，如若报警系统出现故障就不能被使用者及时的发现，有可能会照成大量的经济损失，因小失大故不可取。方案二：用数字电压表实现数值的显示。数字电压表相对来说比较直观、明亮，用起来比较方便， 且方便检查。综合比较以上两个方案选择方案二，可直接显示电压，方便检查。2 设计框图及各单元电路功能设计2.1 直流稳压电源的设计2.1.1 整流电路 整流电路是把经50w的变压器变换后的交流电压转换成脉动的直流电压。此处我们选用单相桥式整流电路，它效率较高，使用比全波整流方便，变压器无需抽头，其原理图见图1。整流二极管承受的最大反向电压为整流二极管承受的最大反向电压为（为ab端电压的有效值），整流输出电压的平均值。整流二极管是两两轮流导通的，所以流过每只二极管的平均电流为,电压电流波形图见图2。图 1 单相桥稳压电路原理图2.1.2 滤波电路滤波电路是用于整流输出的纹波，一般由电抗元件组成。由于该直流稳压源输出电流不需很大，且负载几乎没什么变化，所以我们选用结构较简单的电容滤波电路，电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小。滤波电容C应满足：式中T为输入交流信号周期；R为整流滤波电路的等效负载电阻。整流滤波电路原理图如图3所示。图2单相桥整流电路电压、电流波形图图3整流滤波电路原理图2.1.3 稳压电路稳压二极管：稳压电路可以利用稳压二极管的反向击穿特性。由于反向特性都只，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。三端集成稳压器：三端集成稳压器是一种串联式调整式稳压器，内部设有过热、过流和过压保护电路。将整流滤波后的不稳定的直流电压接到三端集成稳压器输入端，经三端稳压器后在输出端得到某一值的稳定的直流电压。集成运放只需固定的V和+5V电源即可，因此选用固定三端稳压器。2.2 直流稳压电路参数确定2.2.1 三端集成稳压器的选择因为要得到V和+5V的输出电压，输出电流的最大值Iom=500mA即可，所有选择的稳压芯片为LM7812、LM7912、LM7805。稳压器的输入电压即滤波电路的输出电压。太低则稳压器性能将受到影响，甚至不能正常工作；太高稳压器功耗增大，会导致电源效率下降。最低必须保证输入、输出电压之差大于2-3v。同时考虑电网电压下浮10%时，滤波电容上的电压也会下浮10%。综合考虑以上因素，稳压器输入电压取=18V。2.2.2 整流电路参数选择在含稳压器LM7812、LM7912的电路中的二极管选择:由于二极管最大瞬时反向工作电压Urm1.414U2=121.414=17V在含稳压器LM7805的电路中的二级管的选择: 由于二极管最大瞬时反向工作电压Urm1.414U2=151.414=21VIN4001的反向击穿电压,额定工作电流I=1AIom.故整流二极管选用IN4001.2.2.3 确定变压器容量和次级电压滤波电容上电压的平均值应取变压器次级电压的1.2倍，前面分析中稳压器输入电压取18v，故变压器次级电压应为:稳压器输出功率12v*500mA=6w；稳压器自身功率（18v-12v）*500mA=3w；小功率变压器效率可达90%，则变压器容量为（6w+3w）/90%=10w。2.2.4 滤波电容容量和耐压的选择滤波电容上的峰值电压为变压器上次级电压的峰值。由于变压器次级电压取15v，则其峰值电压约为21.21v。由于电解电容容易损坏，一般应使用其耐压值的80%，故滤波电容上的耐压应达到26.5v。再考虑电网上波动，故滤波电容耐压值取30v。因为,而所以滤波电容为,电容C的耐压应大于 ,故取4700uF的电解电容作为滤波电容 。2.3 设计温度报警器的系统框图温度测量过程介绍：将AD590置于空气中，接上电源以后，将会产生相应大小的电流，电流经过Ro，在Ro两端产生电压，进而由一个运放组成的电压跟随器输出。然而经过绝对温度与电压的转换后还需要变换为摄氏度与电压的关系。于是在电压跟随器后接一个差分放大电路以达目的，即减去一个2.73V的电压，且将电压放大十倍，实现数字电压表显示，可以利用运放电路来提供所需要的2.73V电压。之后可将电压跟随器的输出电压与由同相比例放大电路的产生的2.73V接至差分放大电路的两端。在差分放大电路作用之后，我们获得电压与温度的直接关系。在端接一数字电压表，即可读的温度值。比如空气温度为12，则电压表的示数为1.2V。完成了电压的读取，还需进行电压比较以达到报警的目的。在前面已经讨论了比较器的原理。设计所要求的报警温度为50，即比较电压为5V。所以应该在比较器比较短输入5V恒压源。当输出电压小于5V时，0。此时二极管导通, LED发光，报警过程完成。设计系统框图如图4所示。被 测对 象转换电路+电压放大电路数字电压表产 生2.73V基准电压驱动报警电路电压比较电路 图4 温度报警器的系统框图2.4 温度报警器的各单元电路设计及参数确定2.4.1 温度传感器AD590的灵敏度为 。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。注意R的阻值不能取得太大。其元件符号图如图5。 图5 AD590的元件符号2.4.2 温度电压转换电路的设计 该课程设计中采用AD590集成温度传感器进行温度电流转换。它是一种电流型二端器件。设计如图6所示的温度-电压转换电路， AD590通过感应温度产生电流，电流通过电阻，得到一个电压，再通过一个电压跟随器进行缓冲稳压得到，实现温度-电压的转换。图6 温度电压转换电路由图6可得：； 取，则。2.4.3 产生2.73v基准电压 因为AD590的温控电流值是对应绝对温度K，而在设计中需要采用， 所以需要产生一个2.73v的基准电压，作为下一级的差分放大电路的输入。设计电路图7所示。图7 产生2.73v基准电压由图7可得:取得由虚短和虚断可得取得2.4.4 差分放大电路的设计 图8 差分放大电路为了使数字电压表显示的温度是，且经过变换得到的电压值较小，所以设计一个差分放大电路，同时实现变换与电压放大，使其输出满足，便于电压读数与电压比较。所以设计图如图8所示。由于是差分放大电路，为了简化公式，我们使由虚短和虚断可得这里我们取放大倍数为10，所以可取得2.4.5 电压比较器的设计图9 电压比较器图9是一个反相迟滞比较器，它是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。由于前期温度已转换成电压（1相当于0.1V的电压），所以，此处设定为5V（即50）。电压与比较, 当大于时，为低电平；反之，则为高电平。作为泄流电阻，取即可，因为uA741的输入端不能直接接电压，所以接入的电阻来保护电路。2.4.6 驱动报警电路的设计 该设计中，驱动电路由电阻与发光二极管串联而成。驱动电路如图10所示。其中起限流作用，保护发光二极管,取。图10 驱动电路报警分析：当加与端的电压大于设定温度时，有了正向输出，二极管LED导通，发光，报警完成。3 温度报警器的仿真 利用Multisim对电路进行仿真，仿真电路如图11图12图13图14所示。由于在Multisim软件中没有AD590温度传感器这个元件，而AD590的作用是将温度转化为电流，再通过转换成电压。故可用一个恒压源来代替AD590温度传感器。图11输入电压为3.0V图 12输入电压为3.13V 图 13输入电压为3.23V图 14输入电压为3.33V当模拟输入电流为300uA时，由AD590等效知，其温度等效为300K。经过K-变换器，其温度表示为27摄氏度，相当电压270mV,再经电压放大器放大，其电压为2.7V。如图11中电压表读数所示。改变模拟电流值，得到不同电流（即不同温度）下的电压读数。把数据记录表1中。表1 仿真数据记录表模拟电源电流Ii(uA)模拟温度T(K)输出电压Uo（V）测试温度T（）发光二极管3003002.727灭303303330灭313313440灭323323550灭333333660亮343343770亮353353880亮在模拟仿真实验时发现，当模拟电流输入为323uA以下时，发光二极管不亮，当其高于323uA时，发光二极管出现闪烁。因此，此仿真实验正确。4.3 PCB的制作与封装在Altium Designer summer 09软件中画出温度报警器的原理图，如图15所示，以及PCB图，如图16所示。 图15 protel原理图图16 PCB图5 电路安装与调试及测试结果5.1 温度报警器的制作根据仿真图绘制出温度报警器的Protel原理图及PCB图，将PCB图转印到PCB板上，制作出所需的电路板，根据原理图将买来的元器件焊接到PCB板上，做好的实物图如图17、图18所示。电路焊好以后，检查是否有虚焊和漏焊，是否有焊点连在了一起，确定电路连接无错误以后，开始调试。图17 温度报警器实物正面5.2 温度报警器的调试1、在室温30左右摄氏度下进行调试，接入两个直流稳压电源，此时电压表读数为3V左右，此时报警电路发光二极管不亮；2、把电烙铁放在AD590上，使得温度慢慢升高，当温度计读数为50摄氏度时，电压表读数为5V，此时报警电路发光二极管发光；3、继续对AD590进行加热，当温度计读数大于50摄氏度时，电压表读数也大于5V，此时报警电路发光二极管发光；随着温度的升高，电压表读数继续增大，发光二极管一直发光。调试结束。图18 温度报警器实物反面5.3 温度报警器的调试结果调试试中用万用电表测量电压,将测量温度记算出来，同时观察发光二极管的亮和灭。测试数据记录在表3中。 表3 温度报警器测试数据表测量电压测量温度发光二极管2.727灭3.737灭4.747灭5.050灭5.353亮6.161亮5.4 调试过程中遇到的问题 （1）当温度低于50，LED灯亮报警，当温度高于50时，LED灯不亮。 （2）当温度低于50，比较器的电压输出应为0V,但用万用表测量实际输出为9.33V。 经检查发现错误原因：（1） LED灯正负极接反（2） 比较器的反相端输入+5V电压接反； 解决方案：（1）调整LED的管脚重新接入电路中；（2）将+5V电压正负极调整重新接入电路中；5.5 结果及误差分析： 从表中数据可知，当实际温度高于50时，灯亮；低于50时，灯灭。但实际温度和测量温度存在一定的误差，其误差原因总结如下： 1、直流稳压源输出12V，5V时会有0.4%的误差2、在提高AD590周围温度时，温度不稳定。 3、购买的元器件实际值与理论值不符。总体来说，本次设计符合要求，达到了预期的效果。参考文献康华光.电子技术基础（模拟部分）北京高等大学出版社 1979.1这里需要加页码Kang huaguang Electronic technology foundation (simulated) Beijing university press, 1979.12谢自美 电子线路实验设计测试 华中科技出版社Xie zimei the electronic circuit experiment design test huazhong science and technology press致 谢本论文是在龙卓珉龙老师的悉心指导下完成的，从课题的选择到论文的最终完成，龙老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在我调试中，多次询问我调试进度，为我指点迷津，帮助我顺利完成调试。感谢龙卓珉龙老师在我设计电路时给我的理论指导，建议我查谢自美编篡的电子电路实验与测试，对我帮助很大。再次谨向龙老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在说明书即将完成之际，我的心情无法平静。本说明书的完成远非终点，文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点。附 录表4 温度报警器原件参数表名称规格型号数量备注直流稳压电源1只可输出12V、+5V电压金属膜电阻11只金属膜电阻10 4只金属膜电阻1002只电位器504只发光二极管LED1N58191只集成运算放大器uA7414只数字电压显示器1只需提供430V电压温度传感器AD5901只