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用在生產(chǎn)實踐的各個領(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，對外界的溫度進行實時檢測，當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，并實現(xiàn)以下內(nèi)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(nèi)（允許誤差±1℃）時報警器不發(fā)聲響，當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(nèi)（即電壓在20mV至60mV時報警器不發(fā)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(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，即當溫度高于30℃時，報警器發(fā)出兩種頻率交換的“嘀---嘟”聲響；當溫度低于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：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)，從而實現(xiàn)溫度的范圍調(diào)節(jié)，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(yōu)點:電路簡單，理論上也能實現(xiàn)報警功能。
缺點：電路少了放大電路，導致電壓的調(diào)節(jié)變得困難，難以實現(xiàn)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(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算電路，電路引入了電壓串聯(lián)負反饋。
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)實驗設(shè)計要求（當溫度在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(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(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。運放輸出端所加保護電阻不應過大，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 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(nèi)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(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(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(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(jié)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(jié)果分析
模電課程設(shè)計報告.doc
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