基于NE555+LM324的模電溫度報警器設(shè)計

溫度是個非常常見的量，不僅與人民的生活息息相關(guān)，而且工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也需要實(shí)時測量溫度，因此研究溫度的測量方法和裝置具有重要的意義。溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個領(lǐng)域中，也為人們的生活提供了無數(shù)的便利和功能測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其是溫度傳感器技術(shù)。利用溫度傳感器，對外界的溫度進(jìn)行實(shí)時檢測，當(dāng)溫度超過或者低于用戶所設(shè)定的一個臨界值時，向外界發(fā)出警報。本次課程就將以溫度報警器作為設(shè)計課題，并實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：

用壓電陶瓷蜂鳴器作為電聲元件；

當(dāng)溫度在10℃至30℃范圍內(nèi)（允許誤差±1℃）時報警器不發(fā)聲響，當(dāng)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(diào)區(qū)分溫度的高低，即：

（1） 當(dāng)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(dāng)溫度低于10℃時，報警器發(fā)出單頻率聲響。

溫度傳感器輸出電壓可由直流信號源模擬，以0℃為0mv，溫度每上升1℃，遞增2mv；

對電路進(jìn)行仿真分析，并撰寫設(shè)計成果說明書。

2.1.原理分析

（1）電路構(gòu)思（方案一）

本次溫度報警電路的設(shè)計我們用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0mV，溫度每上升1℃，遞增2mV；由于變化的電壓值較小，所以我們采用放大電路對其進(jìn)行放大100倍，然后通過后級比較電路對電壓進(jìn)行比較，當(dāng)溫度在10℃至30℃范圍內(nèi)（即電壓在20mV至60mV時報警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過這個范圍時，即當(dāng)接收到的輸入電壓（前級放大器的輸出）小于2V（10℃時放大器的輸出為2V）或者大于6V時（30℃時放大器的輸出為6V），輸出高電平以驅(qū)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(diào)區(qū)分溫度的高低，即當(dāng)溫度高于30℃時，報警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀---嘟”聲響；當(dāng)溫度低于10℃時，報警器發(fā)出單音頻率聲響。

電路所需的直流電壓由5V和12V直流電源提供。

（2）電路組成

根據(jù)以上電路的初步構(gòu)思，可確定總電路可分為三大部分：放大電路，比較電路，以及報警電路。

（其中報警電路分為高溫雙頻報警以及低溫單頻報警）

3.1．方案選擇

方案一：電路構(gòu)思及組成如上

優(yōu)點(diǎn)：通過放大電路，能將微小難以調(diào)節(jié)的電壓放大到可調(diào)的電壓范圍之內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)溫度的范圍調(diào)節(jié)，可行性高。

缺點(diǎn)：電路較為復(fù)雜。

方案二：整體電路相較于方案一少了放大電路，電路由兩部分組成：比較電路，報警電路。

優(yōu)點(diǎn):電路簡單，理論上也能實(shí)現(xiàn)報警功能。

缺點(diǎn)：電路少了放大電路，導(dǎo)致電壓的調(diào)節(jié)變得困難，難以實(shí)現(xiàn)所取電壓的范圍對應(yīng)于溫度變化所對應(yīng)的電壓變化范圍，從而影響報警的準(zhǔn)確度。

通過兩個方案比較，我認(rèn)為方案一更可行，因此將根據(jù)方案一展開電路設(shè)計及仿真測試。

4.1.單元電路設(shè)計

（1）放大電路的設(shè)計

放大電路是同相比例運(yùn)算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋。

電路的放大倍數(shù)A=(1+R3∕R1)=100                                                       （1）     

R2處加一個+12V的直流電壓，通過滑動電位器RV1來改變放大器的輸入電壓URV1.。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計要求（當(dāng)溫度在10℃至30℃范圍內(nèi)且允許誤差±1℃）時報警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過這個范圍時，報警器發(fā)出聲響。以0℃為0mV，溫度每上升1℃，遞增2mV，即低于20mV報警（單頻），20mV—60mV不報警，高于60mV報警（雙頻）。

URV1經(jīng)過LM324放大100倍后，就變?yōu)?—2.0V報警（單頻），2V—6V不報警,大于6v報警（雙頻）。

放大電路電路圖

（2）窗口比較器電路的設(shè)計

由LM324中的兩個運(yùn)放組成1個窗口比較器，以12V為電源電壓，通過調(diào)節(jié)電位器RV2、RV3來確定窗口比較器的兩個基準(zhǔn)電壓，使分別為2V、6V，調(diào)節(jié)好后使其穩(wěn)定不再變化。

放大器的輸出電壓UO與兩個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，若UO小于2V，則B運(yùn)放輸出為高電平，輸出端接一個保護(hù)電阻（R4阻值500）經(jīng)過D1 (5V穩(wěn)壓管)使輸出電壓穩(wěn)定在5V；

若UO在2V與6V之間，則運(yùn)放B與C輸出都為低電平，即電壓為0；

若UO大于6V，則運(yùn)放C輸出為高電平，輸出端接一個保護(hù)電阻（R5阻值500）經(jīng)過D2（5V穩(wěn)壓管）使輸出電壓穩(wěn)定在5V。穩(wěn)壓管D1、D2的作用是穩(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D1、D2的穩(wěn)壓值。運(yùn)放輸出端所加保護(hù)電阻不應(yīng)過大，否則穩(wěn)壓管將不起作用。

比較電路電路圖

（3）溫度報警電路的設(shè)計

根據(jù)任務(wù)與要求，要有兩種不同的報警聲音，因此我們設(shè)計兩種報警電路，單頻報警和雙頻報警電路，即低溫報警電路和高溫報警電路。音頻報警電路的制作可以用555和電阻、電容組成，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。多諧振蕩器是在Vc大于Vt-時充電，小于Vt+時放電。

555定時器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理

555定時器工作原理圖

555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的同相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的反相輸入端的電壓為VCC 若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。

　　它的各個引腳功能如下：

　　1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。

　　8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ~ 18V。一般用5V。

　　3腳：輸出端Vo

　　2腳：低觸發(fā)端

　　6腳：TH高觸發(fā)端

　　4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應(yīng)接高電平。

　　5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時，應(yīng)將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾。

　　7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。

1.低溫報警電路的設(shè)計

此電路中4端口接窗口比較器的D1穩(wěn)壓輸出，4端口為一個復(fù)位端，當(dāng)D1為高電平（溫度低于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。

充放電時間為τ=RC

充電時間為：

T1=(R6+R12)·C1·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))                                         （2）

放電時間為：

T2=R6·C1·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))                                               （3）

此振蕩電路的振蕩周期為:

T=T1+T2=(R12+2R6)·C1·㏑(Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

=(R12+2R6)·C1·㏑2=0.15s                                                           (4)

占空比：

q=T1/T=(R6+R12)/（R12+2R6）= 0.52                                                  （5）

低溫報警電路電路圖

2.高溫報警電路的設(shè)計

高溫報警采用雙頻報警，該部分用到了兩片555定時器。U1的作用是控制高低音的持續(xù)時間，高電平持續(xù)時間即為電容C的充電時間，低電平持續(xù)時間即為電容C的放電時間；U2的作用是將高音與低音轉(zhuǎn)換成合成頻率輸出。

對于U1振蕩電路的充電時間為：

T1=(R7+R8)·C5·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))                                           （6）

放電時間為：

T2=R8·C5·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))                                               （7）

占空比為：

q=T1/T=(R7+R8)/(R7+2R8)=0.6                                                         （8）

當(dāng)U1輸出為高電平時，C6的充電閾值為：

VT1+= Vcc ?10K/（10K+R11//5K）                                                      （9）

=3.75V

放電閾值為：

VT1-= Vcc ?5K/（10K+R11//5K）                                                         （10）

=1.88V

充電時間為：

TH=（R9+R10）? C6?㏑((Vcc－Vt1-)/(Vcc－Vt1+)) =0.14s                                  (11)                                    

放電時間為：

TL=R10?C6?ln（（0-Vt1+）/(0-Vt1-）)=0.07s                                             (12)                                                  

則振蕩周期TO為：

T0=TH+TL=（R9+R10）? C6?㏑((Vcc－Vt1-)/(Vcc－Vt1+))+ R10?C6?ln（（0-Vt1+）/(0-Vt1-）    (13)

=0.21s

低音頻率為：

當(dāng)U1輸出低電平時，C6的充電閾值為：            

Vt2+=Vcc?(R11//10K)/(5K+(R11//10K)) =0.67V                                            (15)                                                

Vt2-=Vcc?(R11//10K)/2(5K+(R11//10K)) =0.33V                                           (16)

充電時間為：

TH1=（R9+R10）? C6?㏑((Vcc－Vt2-)/(Vcc－Vt2+))= 0.01s                                  (17)                                    

放電時間為：

TL1=R10?C6?ln（（0-Vt2+）/(0-Vt2-）)=0.07s                                             (18)

則振蕩周期T為：

T=TH+TL=（R9+R10）? C6?㏑((Vcc－Vt2-)/(Vcc－Vt2+))+ R10?C6?ln（（0-Vt2+）/(0-Vt2-）   

根據(jù)參數(shù)、計算公式可得，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C和電阻R有關(guān)，因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。

U2的4端接D2端穩(wěn)壓輸出電壓，當(dāng)D2為高電平（溫度高于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。

5.1.電路的仿真分析

通過用Protues軟件進(jìn)行仿真，將各個模塊連接好后進(jìn)行仿真。電路圖如下：

用示波器觀察溫度低于10℃和溫度高與30℃時的輸出波形，結(jié)果如下：

當(dāng)溫度低于10℃時示波器輸出波形:

當(dāng)溫度高于30℃時示波器輸出波形:

6.1.結(jié)果分析

本次模電課程設(shè)計加深了我們對所學(xué)理論知識的理解，并能將其熟練應(yīng)用，也增強(qiáng)了我們的動手能力。在仿真過程中我也遇到了許多困難和瓶頸，但最后都在細(xì)心分析和調(diào)試中得到了很好地解決，這也鍛煉了我的獨(dú)立操作與思考問題的能力，讓我獲益匪淺。同時我也得感謝同學(xué)的指點(diǎn)，讓我能更加順利地完成這次課程設(shè)計�？傊�，通過這次課程的學(xué)習(xí)，加深了我對專業(yè)的了解以及對電路的掌握，也培養(yǎng)了我對課程設(shè)計的興趣，這也為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計打好基礎(chǔ)。畢業(yè)設(shè)計是系統(tǒng)的工程設(shè)計實(shí)踐，而課程設(shè)計的著眼點(diǎn)是讓學(xué)生開始從理論學(xué)習(xí)的軌道上逐漸引向?qū)嶋H運(yùn)用，從已學(xué)過的定性分析、定量計算的方法，逐步掌握工程設(shè)計的步驟和方法，了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的程序和實(shí)施方法，這無疑對我們能力的培養(yǎng)有重大幫助。

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2018-12-31 13:29 上傳

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