温度报警课程设计报告

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超温报警

电子工程实践课程设计报告

学院：电气工程与自动化学院
专业班级：
学号：
学生姓名：弱冠而立
指导老师：
时间： 2020年1月12日
摘要

电子工程实践课程设计是集成电路分析、模拟电子技术、数字电子技术以及电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验等课程之后的一门理论与实践相结合的综合设计性课程。它包括选择课程、电子电路设计、组装、调试和编写总结报告等实践内容。它的开展是为了提高和增强学生对电子技术知识的综合分析与应用能力。这对于提高学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要，是电子技术人才培养成长的必由之路。
温度报警课程设计报告由四个部分展开，首先点明实践课程所需要设计的对象，随后提出课程设计的整体构思，为后面分模块讲解的单元电路提供平台，将整个设计拆分成四个模块详细讲解分别为以LM317为核心，包含变压、整流、滤波和稳压的直流电源模块；含有集成运放LM324和三极管电路的信号采集与放大模块；以NE555、CD4511和CD4017三种芯片为基础加上自己设计的二极管电路的数显模块；以NE555驱动的报警模块。最后讲述本次课程实践的成品主要可以完成数显和温度报警功能。

关键字：集成电路分析；模拟电子技术；数字电子技术；单元电路；数显；温度报警
目录

第一章设计目标及要求 1
1.1课程设计目标 1
1.2课程设计要求 1
第二章设计方案及思路 2
2.1整体电路构思 2
2.2设计方案 2
第三章单元电路设计 2
3.1直流稳压电源模块 3
3.1.1设计任务与要求 3
3.1.2设计方法 3
3.1.3元器件选择 3
3.1.4整流电路 4
3.1.5滤波电路 4
3.2信号采集与比较放大电路 5
3.2.1设计任务与要求 5
3.2.2设计方案 5
3.2.3模块介绍 5
3.3报警电路 6
3.3.1设计任务与要求 6
3.3.2设计方案 6
3.3.3模块介绍 7
3.4数显电路 9
3.4.1设计任务与要求 9
3.4.2设计方案 9
3.4.3模块介绍 10
第四章电路的仿真图以及装调与分析 14
4.1电源模块 14
4.2信号采集与放大模块 14
4.3报警电路模块 14
4.4数显电路模块 15
4.5实验结果 15
参考文献 16
附录 17
致谢 20

第一章设计目标及要求
1.1 课程设计目标
第一，让学生初步掌握电子线路的试验、设计方法。即学生根据设计要求和性能参收集、分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动，使电路达到性能指标。
第二，课程设计为后续的毕业设计打好基础。毕业设计是系统的工程设计实践，而课程设计的着眼点是让学生开始从理论学习的轨道上逐渐引向实际运用，从已学过的定性分析、定量计算的方法，逐步掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。
第三，培养勤于思考的习惯，设计并制作电子产类品，增强学生这方面的自信心及兴趣。
本课程设计以电工电子技术的基本理论为基础，着重掌握电路的设计装调及性能参数的调试方法。
1.2 课程设计要求
本课程设计任务要求是完成一个温度报警器的制作，在现实生活中，常有一种工程技术，既带有自动温度补偿的设备，在规定温度内正常工作。但是为了设备安全，需设定工作的上限温度，万一温度补偿失效，设备温度一旦超出上限温度时，便立即切断工作电源并报警。而待设备修复之后，再投入使用。制作中用数显电路代替工作件，接通电源后，数显电路会周而复始地按“5 2 0 1 3 1 4 6 1”显示数字。当用发热的烙铁靠近热敏元件（负温度系数热敏电阻），约几秒钟后，热敏元件感受的温度超过工作件温度上限，温控电路工作，首先切断发热件电源，发光二极管亮，1秒钟后切断数显电路电源，并同时发出断续的报警声。当温度恢复正常后，报警声停，数显及发热件电源恢复，电路重新工作。本设计中充分展示了模拟电子技术的优点，利用放大电路、比较电路、采样电路进行温度的判定，再结合数字电子技术的优点，充分利用单元电路的功能来实现报警，将模拟电子技术与数字电子技术紧密结合。

第二章设计方案及思路
2.1 整体电路构思
本次温度报警电路的设计用蜂鸣器作为报警电路的电声元件，利用运放LM324的两个输入端电压的变化来模拟温度的高低，再将输出信号通过三极管放大来驱动继电器以达到开启蜂鸣器关闭数显电路或者关闭蜂鸣器开启数显电路。此外在数显模块采用NE555定时器周而复始的发出时钟脉冲传送给十进制计数译码器CD4017,每来以此脉冲有且仅有一个输出端输出高电平，在通过所需数显字样设计出符合要求的二极管单向导通电路来驱动CD4511，CD4511通过译码来驱动共阴极数码管以达到数显目的。
2.2 设计方案
根据整体构思，所设计电路分为四个模块：直流电源、信号采集与比较放大电路、报警电路、数显电路。其中直流电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压电路组成；信号采集与比较放大电路由集成运放LM324、若干电阻、三极管组成；报警电路由NE555定时器、继电器、蜂鸣器组成；数显电路由NE555定时器、CD4017、CD4511、继电器、共阴极数码管、若干二极管单向导通电路组成。

第三章单元电路设计
3.1 直流稳压电源模块
3.1.1 设计任务与要求
直流稳压5V,12V电源的设计，输入交流电220V（峰值312V) 50Hz。
稳定直流电源设计的一般思路是让输入电压交流电220V（峰值312V) 50Hz先通过电压变压器（降压到合适的数值，如16V），再通过整流网络〈将正弦波电压转换为直流脉动电压（直交流成分均有），然后经过滤波网络（减小电压的脉动），最后经过稳压网络（使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻的影响〉。
采用整流桥以实现整流的目的，以1000uF的大电解电容作为滤波电路，采用固定式三端集成稳压器LM317来稳定输出电压。
3.1.2 设计方法
设计电路先通过变压器将220V交流电转换成14V交流电，通过整流VD1-VD4
将交流电转换成单相脉冲电。通过大电容C2滤波，以及LM317的稳压功能，后续电容的滤波，最终输出可由R3调节的直流稳压电。

图3- 1直流稳压电源原理图

3.1.3 元器件选择
万用板一块（159CM），5.1KΩ电阻一个，300Ω电阻一个，5KΩ电位器一个，续流二极管（4007）7个，0.01uF电容一个，10uF电容一个，220uF电容一个，1000uF电容一个，LM317一个，LED两个，排针若干，跳线若干。
3.1.4 整流电路
整流电路：利用单向导电元件，把50HZ的正弦交流电压变成脉冲的直流电。在V2正半周，电流从变压器副线圈上端流出，只经过D1流向RL,在由D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反向截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。电流通路用实线箭头表示。同理在V2负半周时，D2、D4正向导通，D1、D3反向截止。在负载上产生上正下负的输出电压。
综上可知输入端经变压器后在副线圈得到了一个单向的脉动电压。
整流电路中的二极管选型:
A:变压器的副边电压:U2=12V;
B:桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为:1.414U2≈17V;
C:桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为:Io/2=0.8/2=0.4;
查手册选整流二极管IN4007，其参数为:反向击穿电压U=50V﹥17V，最大整流电流I=1A﹥0.4A.
3.1.5 滤波电路
滤波电路可以将滤波电路输出电压中的交流成分大部分滤除，从而得到比较光滑的直流电压。
滤波电路中滤波电容的选择：
滤波电容的大小可用式 C=（Iot）/△Ui 求得。
求△Ui：
根据稳压电路的稳压系数的定义：
设计要求 △Uo≤15mV，Sv≤0.003
Sv=(△UoUi)/(Uo△Ui)
Uo=+3V~ +18V
Ui=14V
代入上式，则可求得△Ui
滤波电容 C
设定Io=Iomax=1A，t=0.01s
则可求得C>4285uF
电路中滤波电容承受的最高电压为1.414U2≈17V，所以所选电压的耐压应大于17V。
注意：因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布，易引起自激振荡，形成高频干扰。所以稳压器的输入断肠并入辞职小容量电容来抵消电感效应，一直高频干扰。
3.2 信号采集与比较放大电路
3.2.1 设计任务与要求
设计一个负灵敏系数热敏电阻在阻值将为50%以外下（大约电路贴靠近3秒钟）的温度报警器，需要用电压量来模拟温度，通过采集到的热敏电阻电位变化与反向输入端的基准电位进行比较达到改变输出端的电位以驱动三极管放大模拟量。
3.2.2 设计方案
如下图所示，选用运算放大器LM324和NPN型三极管作为信号采集与比较放大模块的主角，通过RV1和R1的阻值来设定基准电位，当RV4阻值发生变化时集成运算放大器LM324正负输入端的电位差发生变化，输出相应发生变化通过三极管放大输出使得驱动后面的模块。

图3- 2信号采集与放大模块

3.2.3 模块介绍
其中LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用, 也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

图3- 3 LM324内部结构图

特点:
★ 内部频率补偿
★ 直流电压增益高(约100dB)
★ 单位增益频带宽(约1MHz)
★ 电源电压范围宽：单电源(3—32V)
双电源(±1.5—±16V)
★ 低功耗电流，适合于电池供电
★ 低输入偏流
★ 低输入失调电压和失调电流
★ 共模输入电压范围宽，包括接地
★ 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
★ 输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)

3.3 报警电路
3.3.1 设计任务与要求
设计一个可以在信号采集与放大电路提供的电压足够的条件下开启蜂鸣器，关闭数码管的电路。其中蜂鸣器的输入信号须为方波。
3.3.2 设计方案
如下图报警电路主要由NE555、继电器和蜂鸣器组成，其中继电器受控于信号采集与放大电路，从左到右第一个继电器的输入端与NE555的三端相连，为给继电器选中的那一端提供方波，常闭端为数显模块的CD4014输入时钟脉冲其作用在后续模块将再做介绍，另外一端与蜂鸣器导通，当信号采集与放大电路提供的电压达到第一个继电器吸合的条件，继电器则导通P7.3口，蜂鸣器工作，与此同时CD4017停止工作，数码管将不再显示。

图3- 4报警电路

3.3.3 模块介绍
继电器
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。

图3- 5继电器
NE555模块
NE555功能表与原理图如下：

表3- 1NE555功能表
清零端
高触发端TH 低触发端
Qn+1 放电管T 功能
0

0 导通直接清零
1

0 导通置0
1

1 截止置1
1

Qn 不变保持

图3- 6 NE555原理图

555电路有两个输入端，分别与两个基准电压进行比较，反相输入端（6脚），电压高于2/3Vcc时，Vo=0，同相输入端（2脚）电压低于1/3Vcc时，Vo=1。若两个输入端连在一起，当输入电压高于2/3Vcc，Vo=0；当输入电压低于1/3Vcc时，Vo=1；而当输入电压为1/3Vcc~2/3Vcc，Vo= Qn ，即维持原有状态不变（若原Vo=0，仍Vo=0）。而555电路总是要避开两个输入端中同时有U6 > 2/3Vcc，而U2<1/3Vcc的状况。

555芯片引脚：
1脚GND: (接地)-地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。
2脚TRIG：(触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC。
3脚OUT：(输出) -当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到0伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
4脚RESET：(重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
5脚CONT：(控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
6脚THRES：(重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
7脚DISCH：(放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
8脚VCC：这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
3.4 数显电路
3.4.1 设计任务与要求
数显电路需要在接通电源但未报警的情况下周而复始的显示“5 2 0 1 3 1 4 6 1”，在蜂鸣器报警的时候需要数码管关闭数显。
3.4.2 设计方案
如下图数显电路由NE555、CD4511、CD4017、共阴极数码管、继电器、二极管单向导通电路等组成。其中NE555在继电器常闭时为CD4017提供稳定的方波脉冲，具有约翰逊计数特点的CD4017的十个输出端有且仅有一段输出高电平通过设计的二极管单向导通电路为CD4511的A/B/C/D四个输入端提供高电平。其中CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的七段码译码器由
四个输入端决定哪些输出端导通即数码管显示的数字。

图3- 7 数显电路

3.4.3 模块介绍
CD4511

图3- 8 CD4511引脚图

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。
EL：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4：为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。
表3- 2引脚功能表
引脚
符号功能
1 9 CLOCK 时钟输入端
7 15 RESET 消除端
2 10 ENABLE 计数允许控制端
3 4 5 6 Q1A-Q4A 计数输出端
11 12 13 14 Q1B-Q4B 计数输出端
8 VSS 地
16 VDD 电源正

CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。实际使用时需要注意CD4511的8角和16角不能接错负责会烧坏芯片。

表3- 3 CD4511真值表
输入输出
LE BI LI D C B A a b c d e f g 显示
X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8
X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0
0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1
0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2
0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3
0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4
0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5
0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6
0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7
0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8
0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9
0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐
0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐
1 1 1 X X X X 锁存锁存

CD4017
简要功能介绍:CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输cd4017入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。
引脚功能图

图3- 9 CD4017引脚图

CO：进位脉冲输出
CP：时钟输入端
CR：清除端
INH：禁止端
Q0-Q9：计数脉冲输出端
VDD/VSS：正电源/地

CD4017真值表

表3-4 CD4017真值表

下表为CD4511与CD4017功能的总结，CD4017的输出为CD4511提供输入，表中例出一些简单的数字，通过自己设计的二极管电路将真值表稍微变换了一些，可以随意按照自己需要的数字在数码管上显示。

表3-5 计数编码真值表

数码管
对照真值表，设计自己所需要的数显数字。

表3- 6 数码管真值表

第四章电路的仿真图以及装调与分析
备注：各个部分的仿真图已经在第三章单元电路中拆开详解过了，下面给出完整的电路仿真图

图4- 1 电路仿真原理图

4.1 电源模块
由于考虑在模拟电子技术课程实践中设计的直流稳压电源并不可靠，以此在电子工程实践中直接将实验室已有的开关电源作为供电源，避免重复设计电源造成浪费。
4.2 信号采集与放大模块
发现最初无论怎么样最后输出的电压未能达到要求，在加上电压调试后发现，集成运放LM324的两个输入端的电位未达到要求，经过不断的调试与改变滑动变阻器的阻值，终于可以驱动继电器，同将电路稍加改—进去掉一个运放，电路依然符合要求，也节省了许多焊接的时间。
在实际电路焊接过程中，特地留意了继电器的线圈输入端存在正负之分，只有正负方向确认好了，方能驱动继电器的工作。也以此特地在继电器两个输出端加上发光二极管显示继电器导通的位置。
4.3 报警电路模块

电路接好后，调试发现蜂鸣器不能按照所需要的频率工作，经过改进发现很多原因，其一由于在继电器两端忘记接电容，导致线圈不能放电，二来通过示波器发现NE555模块未输出所需的正确的方波，再改变合理的阻值参数后输出正常。
4.4 数显电路模块
由于对芯片知识的陌生导致即使直接按照自己的意愿设计出来了大致能正常工作的电路，但是在显示的时候存在很多问题，可能是二极管电路也可能是其他原因，导致显示并非实验所需的数字，这个问题最终还是没有解决，但是在数码管的共阴极端加上一个下拉电阻，使用继电器可以关闭数码管的数显。
4.5 实验结果
焊接完成的电路最初部分出现问题，数显模块正常运行，但是改变运放输入端的阻值，可以听见继电器的导通发生变换，但是蜂鸣器仍然不能正常工作，于是另外找了一块板子重新加上线路太过繁杂的模块—CD4511部分，重新焊接调试后，在改变集成运放LM324的正向输入端电位器的阻值后就可以正常工作，但是数显存在问题，并不是本次设计最初设计的数字。再三检查电路依然没有找到问题，只是猜测是由于二极管单向导通电路的加入改变了CD4511四个输入端的正确的脉冲输入。
最终结果基本上符合要求，只是再改进的电路上存在一定问题。

参考文献
[1]小教资源库. 电子技术综合课程设计. 原创立文档.2011（3）：1～19
[2]铃木雅臣[日本]，周南生. 晶体管电路设计[上]. 科学出版社出版，2010
[2]王港元. 电子设计制作基础[修订版].江西：江西科学技术出版社.2017

附录

附录图-1 实物正面图1

附录图-2 实物正面图2

附录图-3实物背面图

附录图-4仿真原理

附录表-1 温度报警物料清单

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