溫度是個(gè)非常常見(jiàn)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(shí)測(cè)量溫度，因此研究溫度的測(cè)量方法和裝置具有重要的意義。溫度傳感器是五花八門(mén)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(gè)領(lǐng)域中，也為人們的生活提供了無(wú)數(shù)的便利和功能測(cè)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(duì)外界的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)溫度超過(guò)或者低于用戶所設(shè)定的一個(gè)臨界值時(shí)，向外界發(fā)出警報(bào)。本次課程就將以溫度報(bào)警器作為設(shè)計(jì)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(shí)報(bào)警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，報(bào)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(shí)，報(bào)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(shí)，報(bào)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(hào)源模擬，以0℃為0mv，溫度每上升1℃，遞增2mv；

對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，并撰寫(xiě)設(shè)計(jì)成果說(shuō)明書(shū)。

2.1.原理分析

（1）電路構(gòu)思（方案一）

本次溫度報(bào)警電路的設(shè)計(jì)我們用蜂鳴器作為報(bào)警電路的電聲元件，通過(guò)電壓的變化來(lái)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(duì)其進(jìn)行放大100倍，然后通過(guò)后級(jí)比較電路對(duì)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(shí)報(bào)警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，即當(dāng)接收到的輸入電壓（前級(jí)放大器的輸出）小于2V（10℃時(shí)放大器的輸出為2V）或者大于6V時(shí)（30℃時(shí)放大器的輸出為6V），輸出高電平以驅(qū)動(dòng)后級(jí)的發(fā)生報(bào)警電路，報(bào)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(shí)，報(bào)警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀---嘟”聲響；當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，報(bào)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(bào)警電路。

（其中報(bào)警電路分為高溫雙頻報(bào)警以及低溫單頻報(bào)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(guò)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(bào)警電路。

優(yōu)點(diǎn):電路簡(jiǎn)單，理論上也能實(shí)現(xiàn)報(bào)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(duì)應(yīng)于溫度變化所對(duì)應(yīng)的電壓變化范圍，從而影響報(bào)警的準(zhǔn)確度。

通過(guò)兩個(gè)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(kāi)電路設(shè)計(jì)及仿真測(cè)試。

4.1.單元電路設(shè)計(jì)

（1）放大電路的設(shè)計(jì)

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(gè)+12V的直流電壓，通過(guò)滑動(dòng)電位器RV1來(lái)改變放大器的輸入電壓URV1.。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求（當(dāng)溫度在10℃至30℃范圍內(nèi)且允許誤差±1℃）時(shí)報(bào)警器不發(fā)聲響，當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)范圍時(shí)，報(bào)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(bào)警（單頻），20mV—60mV不報(bào)警，高于60mV報(bào)警（雙頻）。

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

放大電路電路圖

（2）窗口比較器電路的設(shè)計(jì)

由LM324中的兩個(gè)運(yùn)放組成1個(gè)窗口比較器，以12V為電源電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RV2、RV3來(lái)確定窗口比較器的兩個(gè)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(gè)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(gè)保護(hù)電阻（R4阻值500）經(jīng)過(guò)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(gè)保護(hù)電阻（R5阻值500）經(jīng)過(guò)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(guò)大，否則穩(wěn)壓管將不起作用。

比較電路電路圖

（3）溫度報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)與要求，要有兩種不同的報(bào)警聲音，因此我們?cè)O(shè)計(jì)兩種報(bào)警電路，單頻報(bào)警和雙頻報(bào)警電路，即低溫報(bào)警電路和高溫報(bào)警電路。音頻報(bào)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(shí)器來(lái)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(shí)充電，小于Vt+時(shí)放電。

555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理

555定時(shí)器工作原理圖

555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)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(shí)，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(shí) 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(gè)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(shí)基電路VCC的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時(shí)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(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)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?jī)蓚�(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，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(shí)器時(shí)電容的放電。

1.低溫報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

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(gè)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(shí)，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出單頻聲音報(bào)警。

充放電時(shí)間為τ=RC

充電時(shí)間為：

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

放電時(shí)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(bào)警電路電路圖

2.高溫報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

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

對(duì)于U1振蕩電路的充電時(shí)間為：

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

放電時(shí)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(shí)，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(shí)間為：

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

放電時(shí)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(shí)，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(shí)間為：

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

放電時(shí)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(jì)算公式可得，雙頻的高低音持續(xù)時(shí)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(guò)改變555外部電路的電容和電阻的大小來(lái)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(shí)，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發(fā)出“嘀---嘟”的雙頻聲音報(bào)警。

5.1.電路的仿真分析

通過(guò)用Protues軟件進(jìn)行仿真，將各個(gè)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(shí)的輸出波形，結(jié)果如下：

當(dāng)溫度低于10℃時(shí)示波器輸出波形:

當(dāng)溫度高于30℃時(shí)示波器輸出波形:

6.1.結(jié)果分析

本次模電課程設(shè)計(jì)加深了我們對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，并能將其熟練應(yīng)用，也增強(qiáng)了我們的動(dòng)手能力。在仿真過(guò)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(wèn)題的能力，讓我獲益匪淺。同時(shí)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(jì)�？傊�，通過(guò)這次課程的學(xué)習(xí)，加深了我對(duì)專(zhuān)業(yè)的了解以及對(duì)電路的掌握，也培養(yǎng)了我對(duì)課程設(shè)計(jì)的興趣，這也為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，而課程設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)是讓學(xué)生開(kāi)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(guò)的定性分析、定量計(jì)算的方法，逐步掌握工程設(shè)計(jì)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(wú)疑對(duì)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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