南昌航空大学-温度检测报警系统设计

课程设计说明书

课程设计名称： 模拟电路课程设计

课程设计题目：温度检测报警系统设计

学 院 名 称： 信息工程学院

专业： 班级：

学号： 姓名：

评分： 教师： _ ____

模拟电路 课程设计任务书

20 －20 学年 第 学期 第 周－ 周

题目 温度检测报警系统设计（电源模块） 内容及要求 ① 检测温度范围为0º~100 º，采用箔电阻、精密电阻及电位器组成测量电桥作为温度传感器； ② 可设定报警温度上限值0º~100 º，我们选的是超过60摄氏度的时候报警； ③ 当检测温度超过设定上限值时，发出蜂鸣器报警声，要求报警声滴滴间断发声，频率约1Hz； 进度安排 1. 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备： 第一周 2天； 2. 领元器件、焊接、制作：第一周3天 3．调试：第二周2天 4. 验收：第二周0.5天 5. 写报告：本学期3～7周 学生姓名： 指导时间: 任务下达 20 年 月 日 任务完成 指导地点： 栋 室 20 年 月 日 考核方式 1.评阅 □ 2.答辩 □ 3.实际操作□ 4.其它□ 指导教师 注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

系（部）主任 摘要

温度检测报警器是专门用来检测电器是否正常使用的一类系统，日常生活中各电器由于使用方法不对，经常会出现烧坏电器，更严重的是可能会造成严重的

生命安全问题当温度超过设定安全温度时系统会发出蜂鸣声来报警，当处于正常工作状态时则无报警信号产生。

设计温度检测报警系统，通过PT100随温度不同而表现不同的阻值设定不同的报警温度，进而设定不同的报警温度。当温度超过设定值时，由蜂鸣器通过有频率的鸣叫进行报警。对于电源部分首先通过变压器对220V交流电压进行降压，其次通过桥式整流电路将交流转化为直流，再次运用电容滤波电路输出比较稳定的直流电压。对于其它模块首先通过PT100对温度采集和放大，再进行信号的过滤，而后通过比较器设置相应阈值，当高于设定值时输出高电平，此时方波发生器不驱动，当低于设定值时输出低电平，方波发生器驱动，进而驱动蜂鸣器报警。

温度检测报警系统可以随时提醒人们用电器是否工作在正常温度范围内，对整个系统和用电器都能起到保护作用。本次系统的设计可以检测到输入信号是否工作在正常的温度范围内，当温度超过设定温度时会产生报警信号，反之则不报警。本次设计精密温度检测系统，报警可调等特点。

关键字：温度检测 报警 蜂鸣器 滤波 方波发生器

目录

第一章 绪论......................................................................................1

第二章 整体设计内容及要求..........................................................2

2.1 设计内容..............................................................................................................2 2.2 设计要求..............................................................................................................2

2.3 实验设计目的......................................................................................................2 2.4总体方案设计………………………………………………………………......2

第三章 电源模块电路设计及调试..................................................4

3.1 本单元电路的要求及实现的功能......................................................................4 3.2 电路结构及参数设计….....................................................................................4 3.3电路的仿真分析……..........................................................................................5 3.4 该模块的调试结果…….....................................................................................6 3.5 调试中的问题….................................................................................................6

第四章 系统电路设计 ...................................................................... 7

4.1 电压源................................................................................................................. 7 4.2 温度采样与放大................................................................................................. 7 4.3 滤波..................................................................................................................... 8 4.4 方波..................................................................................................................... 8 4.5 报警控制............................................................................................................. 8

第五章 系统调试................................................................................10

5.1 电路的安装.....................................................................................................10

5.2 调试.................................................................................................................10

第六章 总结与展望........................................................................13

参考文献 ..................................................................................................................... 14 附录一电路原理图 ..................................................................................................... 15 附录二 元件清单 ..................................................................................................... 16 附录三 设计实物图……....................................................................................

第一章 绪论

随着时间的推移，各家生活水平普遍提升，家家户户慢慢走向了电器化的生活。像我们平常使用的电吹风，电热水壶 ，电热毯，空调等家用电器，而对于这些

电器都普遍面临一个安全隐患，如果能对这些电器实现报警检测则对于现在都追求以人身安全为重要问题的人来说则会十分受欢迎，相信大家都会很乐意多花一点钱来买个安心。而要解决这个问题则成为了当前商人和消费者所关心的事情。 目前，这一技术在国内外已经得到很好的发展和提高，普遍使用于医疗、电机、工业、温度计算、阻值计算等高精温度设备，应用范围非常之广泛。日常生活中，各大电器都需要使用到这个模块来保证电器使用是否正常。人们不断提高对用电器的安全使用及对用电器的及时保护。由我们这种最基本模拟电子技术来设计和控制的发展到用数字电路来实现及控制，最后通过单片机的编程来实现自动控制。这对于我们电子技术来说是一个飞跃式的发展。而且这一技术在国内外也越来越受到大众的关注，人们开始大量使用这种报警电路来判断这个电器是否处于一个安全工作的温度状态。由于我们现在学习的知识有限，还不能达到很高层次的做好这个课题，我们仅仅只用了我们所能运用的模拟电子技术来实现这一阁功能，虽然说还是比较低级的，但这对我们来说还是蛮成功的，我们今后一定会用更好的技术来实现这一功能。

第二章 设计要求

2.1设计内容

设计一个温度检测报警系统

2.2设计要求

① 检测温度范围为0º~100 º，采用箔电阻、精密电阻及电位器组成测量电桥作为温度传感器；

② 可设定报警温度上限值0º~100 º，我们选的是超过60摄氏度的时候报警； ③ 当检测温度超过设定上限值时，发出蜂鸣器报警声，要求报警声喃喃间断发声，频率约1Hz；

2.3实验设计目的

1.通过该实验提高自身的实验素养，实验操作、设计、分析能力，学会将理论运用到实践当中，学会实验调试过程的分析和处理。

2.设计并完成一个可以达到相应设计要求的温度检测报警系统。 3.学会电压源制作。 4.学会滤波，报警电路设计。

5.掌握KIA324、lm324、lm78、lm79系列等芯片的使用方法。 6.掌握通过一个放大器设计方波发生电路。 7.掌握反馈放大电路的计算与实际运用。 8.掌握比较器电路运用与设计。

9.学会动手焊接一个美观、各项功能达到要求的电路。

2.4总体方案设计

根据设计要求可以将该温度检测系统分为4个模块，分别为温度检测与放大，滤波，方波发生及报警电路。由于电源部分是单独存在的，故系统除电源外整体设计框架如图2.1。

温度检测放大 滤波 方波发生电路 报警电路 图2.1 设计框架

第三章 电源模块电路设计原理

3.1电源模块电路的要求及实现的功能

设计一个电源电路，通过变压器、整流电路、滤波电路、lm7812、lm7912、lm7805等稳压芯片控制输出电压稳定在+12V、—12V、+5V，实现电压值的稳定输出。为后续电路提供稳定的电压。

3.2 电路结构及参数设计

1如图3.2电源电路设计，首先由一个变压器连接220V交流电压进行变压，而后接一个整流管，再通过大小电容C1、C3进行滤波，而后接不同规格的稳压芯片保证电压的稳定输出。

图3.1 电源部分设计理念

图3.2 电源部分电路图设计

2 工作原理

如图3.1所示，首先通过一个变压器对220v交流电压就行变压得到U2，，再通过一个整流二极管对该电压进行全波整流得到U3电压，而后通过电容的滤波作用对电路进行滤波得到相对单一的信号，再分别使用不同型号的稳压芯片实现不同的输出电压。 3.参数设计依据

变压器：此器件对220V交流电压进行10:1变压。

IN4007：此器件的作用是对变压后的电压进行全波整流，选择该型号是由于其耐压值为1000V，可以保护电路。

2200UF电容：该电容作用是起滤波作用，由于2200uf电容滤波作用更好，故选择2200uf电容，而不是1000uf的电容。 0.33uf电容：作用是改善负载的瞬态响应。

发光二极管:起指示作用，发光二极管亮则表明电源模块有电压输出，进而保护电路

对于稳压芯片的选择可参考如下资料：78和79系列集成稳压芯片资料（输出

为固定电压值）

LM7805 LM7812 LM7912

图3.3 三种稳压芯片的管脚图

LM7805、LM7812、LM7912

如图3.3所示分别为三种稳压芯片LM7805、LM7812和LM7912的管脚图。将稳压芯片正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右分别是123脚。 LM7805输入端接6VDC，输出的是5VDC；LM7812输入端接12-14VDC，输出的是12VDC；LM7912输入端接12-14VDC，输出的是-12VDC。 3.3电路的仿真分析

电源部分仿真图如下图3.4

图3.4 电源模块仿真图

3.4 该模块的调试结果 1调试结果：

通过仿真软件对该模块进行仿真分析，通过仿真软件调试得到稳定的5v电压，而对于要求输出稳定的正负12V电压则得到了+12.16v和—11.96V电压。 2分析：

由于对于正负12V的电压得到的不是精确的值，由于各器件的本身误差，而对于后续电路要求，该结果并不影响系统正常使用。 3.5 调试中的问题及解决方法

问题：电路在单个模块调试时电源获得是比较稳定的5v电压与正负12v电压，

而在进行整体模块调试时经过比较器时得到的不是稳定的正负12v电压。

解决方法： 经过指导老师的指点将滤波电路中的1000uf电容改为2200uf的电

容，原因是2200uf电容滤波作用更好，而此时得到的是稳定的电压。

第四章 电路组成及其工作原理

4.1 电压源

根据系统设计要求需要+5v，正负12v电压，所以选择了lm7812,lm7912,lm7805等稳压集成IC芯片元器件，则在各个输出端分别输出+12.07V，-12.16V，+5V电压值,仿真图如图4.1

图4.1 电源电路仿真

4.2温度采集和放大

通过调节滑动变阻器来调节不同阻值使其转化成不同的电信号，而这个信号是一个相对较小和变化相对缓慢的信号，此时就需要一个对该信号放大的电路，考虑到有一定的干扰信号，而又要避免对干扰信号的放大，所以我们将采取差分放大电路。仿真图如图4.2.

图4.2 温度采集与放大

4.3 滤波

信号采集和放大处理好了，对于任何一个信号的采集都会夹杂着一些干扰信号，要对此信号进行过滤了，所以我们选择二阶低通滤波器。然后在一个比较器上对得到信号与设置的基准信号进行比较，若大于设置的基准电压则输出低电平，高于设置的基准电压则输出高电平。仿真图如图4.3

图4.3 滤波电路

4. 4 方波

由于设计要求当超过一定的温度时蜂鸣器要以1HZ的频率响，因此我们选了一个周期为1秒的方波振荡器，根据公式我们选R3=50KΩ，C=10uF.当温度超过设定的温度时，比较器输出低电平，有方波产生，蜂鸣器响。当温度处于正常状态时比较器输出高电平，无方波产生，蜂鸣器不响。

4. 5 报警控制

该电路图左边部分是方波发生电路，右边部分是蜂鸣器控制报警电路。当方波发生器输出高电平时，三极管饱和导通，蜂鸣器获得电工作发出鸣响，当方波发生器输出低电平时三极管截止，蜂鸣器失电，停止工作。这就是为什么我们听到的是滴答滴答的报警声。方波发生电路及报警电路仿真图如图4.4

图4.4 方波发生电路及报警电路

第五章 整体电路实验调试测试

5.1 电路的安装

为了验证系统的合理性和可行性,需要对系统进行组装调试。本次课设分了四个模块，有电源电路、温度检测放大电路、滤波电路、方波发生电路和蜂鸣器驱动报警电路。大家一起合作完成了四个模块的组装调试，最后一起进行了整个系统的调试。整体模块实物图如图5.1

图5.1 设计实物图1

5.2．调试

按照系统图连接好实物图，分别按以下步骤调试,使用示波器、万用表等仪器进

行调试

1.将电源部分实物图焊接好后测得相应数据如下 芯片型号 Lm7812 Lm7912 Lm7805 Ui/v 16．10 -16.25 12.10 Uo/v。 12.10 -12.18 5.00 后在三芯片分别接入10KΩ电阻后测得的各项输入输出电压几乎不变。 2.微调R16，直到基准电压U2d的值为5V（我们设计的报警电压）。

3.电压源与其他设计电路连通后，把代替PT100的200Ω的电位器调至100Ω（即PT100对应的温度为0摄氏度），然后再微调R3直到U1c的电压值为零。 4．将替换电位器再调至123.24Ω（PT100对应的温度为60摄氏度，即我们设计报警的上限报警温度）。微调R5，再报警的一瞬间马上停止。

5.重复3、4步直到电位器100Ω时U1c=0,电位器为123.24Ω时U1c=5V。 6.经过反复测量调试的出以下表格

pt100/Ω R3/Ω U1c/V U2d/V U2c/V 100.10 100 -0.01 5 10.48

115 100 3.29 5 10.48 123.3 100 5.01 5 -11.96 150 100 10.42 5.01 -11.96 由“第三章温度采集放大”的计算介绍中可知：

U1c=10(U1b-U1a)

经过测压得到以下数据：（PT100为123.3Ω）

U1b=0.91V U1a=0.3V U1c=5.01V 通过数据得到放大倍数A=8.23

是否报

警 否 否 是 是

7.PT100为150Ω时，用示波器分别查看了U2a端与U2c端的波形、幅值、及频率。

第六章 实验小结与展望

经过查询资料、方案设计、仿真测试、选用器材、焊接调试、连接电路的一系

列过程，运用低频模拟电子技术，实现了温度检测报警功能.

通过本次温度检测报警系统的设计，将目前学到的各低频知识点融合到一起形成一个简单的系统，虽然该系统实用性可能并不好，但是通过系统设计可以检验到自己的知识点掌握的怎么样。在设计的过程中我们用了自己的理论知识去分析和计算电路图，将所学的知识运用到现实当中去了。从这次课设中总结的结论是，在各知识点学习中考虑的都是理论状态下的情况，而理论和实际总是会含有一定偏差，我们不可能把实际当中各外界情况都考虑进去，只有通过不断地去调试，理论与实际结合才能把系统顺利完成。

该系统的设计日让我们深刻理解了团队合作的重要性，只有各个模块设计合理并且实现预期结果时，整体系统才能达到预期的结果。同时在调试中也需要互相合作才能共同发现和解决实验中遇到的问题。

在这次的系统设计中，我对一些测试硬件、Multiuse软件及其使用有了更深刻的认识。比如说，我在实验中，知道是怎么样滤波，怎样使用采样和分析，另外，用文档形式写报告，是我们以前从来没有尝试过的。可以说，做这次的测试技术实验，我们学生自己的能力得到了充分的发挥，跟以往那些充满条条框框的实验是不同的。

对于实际情况中该系统实用性可能并不好，该电路运用的一些元器件和芯片性能都不怎么好，还是处在低端水平，不过相信通过后续课程的学习，对该系统一定会慢慢用更好的器件代替其中的一些模块，最终达到实用性也好。在这个电器逐步普遍化的时代，温度检测报警系统已经得到了很好的发展,相信该系统一定会有很好的发展前景，只要不断更新该技术，一定会有一片大好的发展前景。

参考文献

[1]华成英.模拟电子技术基本教程. 北京:清华大学出版社,2006 [2]邱关源,罗先觉.电路.5版. 北京:高等教育出版社,2006

[3]邓谦,刘清平,张琦,黄丽贞.电子技术实践2－《低频电子线路》实验指导书.南昌航空大学信息工程学院电子实验实践中心(自编)

[4].谢自美.电子线路综合设计(第一版) [M].武汉:华中科技大学出版社，2006

[5].沈小丰,余琼蓉.电子线路实验——模拟电路基础[M].北京:上清华大学出版社，2006

[6]. 童诗白.模拟电子技术基础（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005 [7] .陈国华，陈红英. 应用电子技术专业大型实验的实践[J]. 实验室研究与探索, 1996,(04)

[8].伍学珍. 模拟电子技术理论教学、仿真实验平台与实习三者的互动[J]. 沈阳电力高等专科学校学报, 2001,(02) .

附录一 电路原理图

电路原理图如图附图1.

附图1 实验原理图

附录二 芯片介绍

1.78和79系列集成稳压芯片资料（输出为固定电压值）

LM7805 LM7812 LM7912

附图2 三种稳压芯片的管脚图

LM7805、LM7812、LM7912

如附图2所示分别为三种稳压芯片LM7805、LM7812和LM7912的管脚图。将稳压芯片正面对着自己，管脚在下，圆孔端在上，左中右分别是123脚。 LM7805输入端接6VDC，输出的是5VDC；LM7812输入端接12-14VDC，输出的是12VDC；LM7912输入端接12-14VDC，输出的是-12VDC。 2.LM324资料

LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。Lm324图形如附图3

附图3 LM324图像

PT100资料

它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长，如附图4。所示但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线，其实物图如附图5所示。 铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式： -200Rt为t℃时的电阻值，R0为0℃时的阻值。公式中的A,B,系数为实验测定。这里给出标准的

系数：A=3.90802*10-3℃；B=-5.802*10-7℃； C=-4.27350*10-12℃。

附图4 PT100 R-T图

附图5 PT100实物图

附录三 元件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 名称 电阻 电阻 电阻 电阻 电位器 电位器 电位器 三极管 稳压管 二极管 发光二极管 电容 电容 电容 电容 稳压管 稳压管 稳压管 蜂鸣器 运算发大器 温敏电阻 变压器 数量 1 8 2 7 1 1 1 1 2 5 1 2 2 1 2 1 1 1 1 2 1 1 规格 51KΩ 10KΩ 5.1KΩ 1KΩ 10KΩ 2KΩ 200Ω IN9013 IN4007 2200UF 100Uf 10UF 3.3UF IM7912 IM7812 IM7805 KIA324 PT100