溫度是個非常常見的量，不僅與人民的生活息息相關，而且工業和農業生產也需要實時測量溫度，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，現代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產實踐的各個領域中，也為人們的生活提供了無數的便利和功能測量溫度的關鍵是溫度傳感器，傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，尤其是溫度傳感器技術。利用溫度傳感器，對外界的溫度進行實時檢測，當溫度超過或者低于用戶所設定的一個臨界值時，向外界發出警報。本次課程就將以溫度報警器作為設計課題，并實現以下內容：

用壓電陶瓷蜂鳴器作為電聲元件；

當溫度在10℃至30℃范圍內（允許誤差±1℃）時報警器不發聲響，當溫度超過這個范圍時，報警器發出聲響，并根據不同音調區分溫度的高低，即：

（1） 當溫度高與30℃時，報警器發出兩種頻率交換的“嘀—嘟”聲響。

（2） 當溫度低于10℃時，報警器發出單頻率聲響。

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；

對電路進行仿真分析，并撰寫設計成果說明書。

2.1.原理分析

（1）電路構思（方案一）

本次溫度報警電路的設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（即電壓在20mV至60mV時報警器不發聲響，當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），輸出高電平以驅動后級的發生報警電路，報警器發出聲響，并根據不同音調區分溫度的高低，即當溫度高于30℃時，報警器發出兩種頻率交換的“嘀---嘟”聲響；當溫度低于10℃時，報警器發出單音頻率聲響。

電路所需的直流電壓由5V和12V直流電源提供。

（2）電路組成

根據以上電路的初步構思，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：電路構思及組成如上

優點：通過放大電路，能將微小難以調節的電壓放大到可調的電壓范圍之內，從而實現溫度的范圍調節，可行性高。

缺點：電路較為復雜。

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。

優點:電路簡單，理論上也能實現報警功能。

缺點：電路少了放大電路，導致電壓的調節變得困難，難以實現所取電壓的范圍對應于溫度變化所對應的電壓變化范圍，從而影響報警的準確度。

通過兩個方案比較，我認為方案一更可行，因此將根據方案一展開電路設計及仿真測試。

4.1.單元電路設計

（1）放大電路的設計

放大電路是同相比例運算電路，電路引入了電壓串聯負反饋。

電路的放大倍數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.。根據實驗設計要求（當溫度在10℃至30℃范圍內且允許誤差±1℃）時報警器不發聲響，當溫度超過這個范圍時，報警器發出聲響。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經過LM324放大100倍后，就變為0—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計

由LM324中的兩個運放組成1個窗口比較器，以12V為電源電壓，通過調節電位器RV2、RV3來確定窗口比較器的兩個基準電壓，使分別為2V、6V，調節好后使其穩定不再變化。

放大器的輸出電壓UO與兩個基準電壓進行比較，若UO小于2V，則B運放輸出為高電平，輸出端接一個保護電阻（R4阻值500）經過D1 (5V穩壓管)使輸出電壓穩定在5V；

若UO在2V與6V之間，則運放B與C輸出都為低電平，即電壓為0；

若UO大于6V，則運放C輸出為高電平，輸出端接一個保護電阻（R5阻值500）經過D2（5V穩壓管）使輸出電壓穩定在5V。穩壓管D1、D2的作用是穩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壓管D1、D2的穩壓值。運放輸出端所加保護電阻不應過大，否則穩壓管將不起作用。

比較電路電路圖

（3）溫度報警電路的設計

根據任務與要求，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定時器的電路結構與工作原理

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 觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓，當 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：低觸發端

　　6腳：TH高觸發端

　　4腳：是直接清零端。當此端接低電平，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，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只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.低溫報警電路的設計

此電路中4端口接窗口比較器的D1穩壓輸出，4端口為一個復位端，當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時間，高電平持續時間即為電容C的充電時間，低電平持續時間即為電容C的放電時間；U2的作用是將高音與低音轉換成合成頻率輸出。

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-）   

根據參數、計算公式可得，雙頻的高低音持續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，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，從而控制蜂鳴器發出聲音的高低和頻率。

U2的4端接D2端穩壓輸出電壓，當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軟件進行仿真，將各個模塊連接好后進行仿真。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，結果如下：

當溫度低于10℃時示波器輸出波形:

當溫度高于30℃時示波器輸出波形:

6.1.結果分析

本次模電課程設計加深了我們對所學理論知識的理解，并能將其熟練應用，也增強了我們的動手能力。在仿真過程中我也遇到了許多困難和瓶頸，但最后都在細心分析和調試中得到了很好地解決，這也鍛煉了我的獨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的指點，讓我能更加順利地完成這次課程設計。總之，通過這次課程的學習，加深了我對專業的了解以及對電路的掌握，也培養了我對課程設計的興趣，這也為后續的畢業設計打好基礎。畢業設計是系統的工程設計實踐，而課程設計的著眼點是讓學生開始從理論學習的軌道上逐漸引向實際運用，從已學過的定性分析、定量計算的方法，逐步掌握工程設計的步驟和方法，了解科學實驗的程序和實施方法，這無疑對我們能力的培養有重大幫助。

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2018-12-31 13:29 上傳

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