湖南工学院《模拟电子技术》课程设计说明书温度报警器学生姓名:专业: 电气工程及其自动化班级:学号:完成时间: 2015年7月《模拟电子技术》课程设计任务书学院:电气与信息工程学院《模拟电子技术》课程设计任务书学院:电气与信息工程学院随着技术的不断开发与应用,电子技术的发展十分迅速,不断运用到生活的各个方面。
设计结合温度传感器技术,集成运算放大器,以及电压比较器,与发光二极管组成的非常灵敏的温度报警器。
设计采用热敏电阻作为温度传感器,相比传统的热传感器更具抗干扰能力,利用电压比较技术,更加强了电路的稳定性。
附带LED发光二极管报警技术,使报警效果更明显,在被测温度大于50度时,发光二极管被点亮,可实现其报警功能,完全能满足设计要求。
稳压直流电源采用变压器降压电路,二极管整流桥整流,滤波电路与稳压电路组成,可稳定输出+5V与-5V,+12V与-12V的直流电压。
关键词:热敏电阻;集成运算放大器;二极管整流桥;二极管报警目录1温度报警器的设计 (1)1、1温度报警器的设计方案 (1)1、2热敏电阻传感电路的设计 (1)1、3 放大电路的设计 (2)1、4比较电路与报警电路的设计 (2)2直流稳压电源的设计 (4)2、1设计方案与原理 (4)2、2电源模块的设计 (4)2、3 直流稳压电路整体图 (6)2、4元器件选择及计算 (6)3电路的仿真(Multisim) (8)4实物测试与调试 (10)5设计总结与体会 (14)参考文献 (15)致谢 (16)附录 (17)附录A直流稳压电源原理图 (17)附录B温度报警器原理图 (18)附录C直流稳压电源pcb图 (19)附录D温度报警器的PCb图 (20)附录E直流稳压电源与温度报警器实物图 (21)附录F直流稳压电源元件清单 (22)附录G温度报警器的元件清单 (22)1 温度报警器的设计1、1温度报警器的设计方案设计一个温度在室温至50℃范围内时不报警,当温度超过50℃时,报警器能精确报警的温度报警器。
温度传感器应将温度的变化转化为电压的变化,集成放大电路将得到的电压信号进行放大,电压比较器电路将放大的电压信号与参考电压进行比较,然后再接报警电路。
图1温度报警器的方案图电路采用热敏电阻作为温度传感器,把变化的温度转化为电压信号,再经过集成运算放大电路,把得到的电压信号放大,再经电压比较器的比较,把得到的电压信号输给发光二极管报警电路从而实现温度的报警。
1、2热敏电阻传感电路的设计设计一个当温度大于50℃时报警的温度报警器,需要用电压变化来代表温度的变化,设计的原理如图2所示:在热敏电阻传感电路里,选择(在室温下)电阻值为10k的热敏电阻R1作为温度传感器,在25度时,电源电路输出给集成运放放大器的电压为454mv,温度每升高1度,该热敏电阻阻值就下降256Ω,输出电压下降11、2mv,因此,当温度从25度升高到50度时,温度报警器的电阻降为3、6k,经计算,理论输出电压从454mv降为174mv。
R 8选用10k的电位器,便于电路的调节;R6选用100k的电阻,就是为了得到输出为毫伏级的电压;R1就是热敏电阻(电阻值随温度的升高而降低)。
图2 热敏电阻传感器电路1、3 放大电路的设计为了得到更大的电压,把热敏电阻采集到的电压信号加到电压放大倍数为28倍的正向比例放大器(如图3),经过放大,可以得到输出电压12、7v～4、9v。
(R4取25k,电位器R7取10k,便于增益的调节,结合电路的需要,最后把R7调到2k左右,R2取1k;增益Au=R2+(R7+R4)/R2=1+(2+25)/1=28)图3 放大电路1、4比较电路与报警电路的设计然后把放大的电压加到选择电压为5v的反向电压比较器上面去(如图4),当温度到50度时,比较器输入电压4、9v(4、9v<5v),比较器翻转,比较器输出电压为5v,点亮发光二极管。
为了保护发光二极管不被烧坏,在二极管前面串联了一个760Ω的保护电阻。
图4 比较电路与报警电路选择NE5532P集成运放芯片作为电路放大与电压比较器,NE5532P为8脚双运放,用一个运放供电电压为+5V与-5v,用两个运放供电电压为+12v与-12v。
电压放大增益Av=1+Rf /R2=28,电压信号放大后,可以得到比较器输入电压(12、7v～4、9v),与比较电压5v进行比较,从而实现精确报警。
二极管保护电阻取760Ω的理由:由于二极管的导通电压为1、5v-2、5v,电流范围为5mA-18mA,保护电阻R3的取值范围为12V/18=666Ω到12v/5=2400Ω,为了使报警效果更明显,R3取760Ω。
2直流稳压电源的设计在各个单元电路与总体电路设计过程中,有3个模块需要直流稳压电源供电,因此,需要制作一个具有稳定输出的直流稳压电源。
2、1设计方案与原理在电子电路设备中,一般都需要稳定的直流电源供电,而平常生活中用到的都就是频率为50HZ,有效值为220V的单项交流电压,因此需要将它转换为幅值稳定,输出电流较小的直流电压。
在一般情况下,所需直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大,因此需要通过电源变压器降压后,再对交流电压进行处理。
在温度报警器电路中,需要用5～12V的直流电源供电,因此需要设计一个输出为±12V与±5V的稳压直流电源,直流电压的设计方案图如图5所示图5 直流稳压电源的设计图在电路中输入220V(50HZ)的交流电压,通过电源变压器降压(变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要)然后变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压,即将正弦波电压转换为单一方向的脉冲电压,为了减少电压的脉动,需通过滤波电路滤波,使输出电压平滑,因此应将部分交流分量或者全部滤掉,使滤波电路输出电压仅为直流电压,然而,由于滤波电路为无源电路,所以接入负载后会影响其滤波效果,对于要求不高的电子电路,整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源,但当电网电压滤波或者负载变化时,其平均值也将随之变化,稳压电路的功能就是使输出直流电压基本保持,不受电网电压波动与负载电阻变化的影响,从而获得足够高的稳定性。
2、2电源模块的设计根据方案与原理:电源模块采用220-16V变压器降压,再经桥式整流堆(型号为2w10)进行整流,滤波电容进行滤波,再经过稳压芯片,就能稳压输出+12v,-12v与+5v,-5v的直流电压。
(1)变压器:型号为220v/16v的降压变压器,它将220V交流电压变换成符合需要的交流电压,并送给整流电路,变压器的变比由变压器的副边电压确定,降压电路如图6所示。
图6降压电路(2)整流电路:利用(单向导电元件)二极管组成的整流桥(2w10),把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电 ,整流电路图如图7所示。
图7整流电路图(3)滤波电路与稳压电路:滤波电路采用双电容并联结构,可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除,从而得到比较平滑的直流电压。
稳压电路采用稳压芯片78xx系列,则使输出的直流电压稳定,不随交流电网电压与负载的变化而变化,电路图如图8所示。
图8滤波与稳压电路图2、3 直流稳压电路整体图图9直流稳压电路整体图220V电网电压经过通用变压器T1降压至12V,12V交流电压经整流桥整流、电容的滤波作用后变成直流电压供给集成三端稳压器7812,经过7812稳压后变成所需的+12V直流电压。
然后再经过一级电容,将电压送至稳压器7805稳压后,就可得到+5v较稳定的直流电压了,同理可得到-12v,与-5v的直流电压。
2、4元器件选择及计算1)变压器采用双12v降压变压器,规格I/P:220v AC 50HZ2)整流桥堆的选择整流桥堆选用规格为2W10,与选用单个二极管整流的优势在于,可利用波形在负半轴的电压,提高电源的利用率。
一般情况下,允许电网电压有±10%的波动,因此在选择整流桥的二极管保证二极管安全工作。
3)滤波电容的选择电路中C2,C10应选用较大的电容进行滤波,选择电容稍大一些,则输出电压中得到的纹波成分越小,为了得到平滑的负载电压。
てd =RLC>=(3-5)T/2 (1)T=1/f=0、02s (2)R L =VL/IL=12V/500MA=24Ω(3)C=(3-5)T/2*RL=1250uf～2083uf(4)考虑到电网电压的波动,则电容器承受的最高电压VCMVCM= 2 *(12/1、2)*1、1=15、5V根据计算数据可取,C2=C10=2200uf,C1=C3=C7=C8=0、1uf(就是为了防自激)。
4)整流桥与稳压管的选择稳压管正向输出选择LM7812与LM7805系列,反向输出选择LM7912与LM7905系列,因为三端固定式集成稳压管W7812与W7805的最大输出电流IOMAX为1、5A,因此每个二极管流过的平均电流ID=0、5Iomax=0、5×1、5=0、75A,整流管的参数IF应该比平均值ID大(0、5～2)倍,在此选择1A∕50V的整流桥堆。
3电路的仿真(Multisim)图10±12v直流稳压源仿真输出电压波形图+12v直流电压输出-12v直流电压输出图11 ±5v直流稳压源仿真输出电压波形图图12温度为50度时发光二极管发光电路图+5v直流电压输出-5v直流电压输出4 实物测试与调试图13温度报警器调试图图14温度报警器测试图图15+12v输出电压图16+5v输出电压图17+5v输出电压图18-12v输出电压表一直流稳压电源数据理论值实测值误差+12v+12、06v0、005-12v-12、08v0、006+5v+4、98v0、004-5v-4、96v0、008误差均小于0、01,因此,在误差允许的范围内,直流稳压电源符合设计要求。
5设计总结与体会通过为期三周的努力,我们设计的温度报警器终于完成了,在此次课程设计过程中我们遇到了许多问题也了解了许多知识,同时我发现有很多知识都就是老师曾经在课上讲过的,比如电路的电源电路还有稳压电路等等。
在解决问题的过程中,我意识到自己知识的不足以及团队合作的重要性,通过理论与实践的比较,更让我意识到实践的重要性。
刚开始我们通过图书馆,网络,以及上一级的学长,了解与收集到了本次设计需要的资料,从而我们对本次设计有了初步的了解方案。
首先大家的任务就就是认识面包板及其布局,元器件的功能及管脚图,接着我们采用分块连接电路,以便于检测,把部分电路连好后在电脑上用multism进行仿真记录相关数据,最后把部分电路整合连成整体电路进行仿真瞧就是否报警,就是否符合要求。
在操作过程中遇到许多问题,例如测的数值不符合要求、正负电源接反导致电容烧坏、实际电路的电阻选择、电路中某段没有电压,电路不工作等等,最后在老师与同学的帮助下我们都一一解决了。