双功能温度报警器设计1

摘要本文针对本实验项目“双功能温度报警器电路设计”的要求，设计通过调节电阻的阻值可以将温度控制在一定范围内，超出范围的电路通过BL进行自动报警。

在这个过程中提出了两个方案。

从温度传感器电路的工作原理出发，先大致的确定了各模块的结构作用，再由总体到内部进行了详细的设计。

在设计过程中，我们根据我们的实验要求，先确定了实验模块的器件，分析了器件的参数选择，形成初步的电路原理图，再逐步的完善，最后测试通过。

我们把通过的原理图利用DXP布线，排版，然后再通过制作PCB板，最后做成了一个温度报警器。

关键词：温度传感器；报警电路；窗口比较器；双功能目录第1章绪论 (1)第2章方案总体设计 (2)2.1设计任务分析 (2)2.2传感器选型 (2)2.3 总体设计 (3)第3章电路设计 (4)3.1 温度检测电路设计 (4)3.2 放大电路设计 (4)3.3 窗口比较电路设计 (5)3.4 报警电路设计 (6)3.4.1 低温报警电路 (7)3.4.2高温报警电路 (7)第4章电路仿真与结果分析 (10)第5章课程设计总结 (12)参考文献 (13)附录Ⅰ (14)第1章绪论温度是一个十分重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。

随着现代工、农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制温度。

温度控制电路在工、农业生产中有着广泛的应用。

日常生活中也可以见到，如电冰箱的自动制冷、空调器的自动控制、大鹏种植温度的自动控制等等。

利用（模拟）温度控制开关和声响集成电路制作一个温度报警器，也可以演示自动控制电路的工作原理。

电路的触发端接在固定电阻器和微调电阻器中间，改变电阻分压，我们就模拟外界环境的温度变化或降低。

当电路的触发端电压降低到我们预设的低电压（低温），触发声响集成单频电路工作。

当电路的触发端电压升高到我们预设的高电压（高温），触发声响集成双频电路工作。

即达到了调节微调电阻的阻值，改变电路以不同声响报警时的温度。

从而达到了以电压模拟温度变化的控制。

现代社会是信息化的社会，随着安全化程度的日益提高，无论是室内还是室外都比寻做预防火灾的准备。

其安全工作已成为重中之重，一旦发生火灾，将导致人身生命安全、巨大的财产损失和不良的社会影响，因此我们本次的课程设计就是设计一个会不同声响报警的双功能温度报警器。

第2章方案总体设计2.1设计任务分析这次设计是一个环境温度检测装置，主要应用在仓库、宾馆等环境下环境监测、火灾报警。

系统可在温度较低或较高时进行报警。

传感器可采用中低温度测量传感器即可，根据传感器选择的不同设计相应的信号处理、放大、滤波等电路。

同时设计报警电路。

最后将温度信号转化为电压信号输出。

根据测量的温度，输出不同的电压；进行电路仿真，或进行电路板焊接。

这次设计的温度控制在0℃~80℃之间，当温度在8℃~54℃范围内时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即：当温度高于54℃时，报警器发出两种频率交换的“嘟一嘟”声响；当温度低于8℃时，报警器发出单频率声响。

2.2传感器选型传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。

本设计采用热敏电阻传感器CU50。

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。

热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。

正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。

热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。

热敏电阻的工作原理：在温度的作用下，电阻丝的电阻随之变化而变化，其偏差极小。

CU50是一种将热电阻信号，经全隔离放大转换成与温度成正比的标准直流信号，从而实现对被测温度信号精确测量的仪器。

铜热电阻的温度系数比铂大，价格低，而且易于提纯。

测温范围该变送器输入、输出、电源三方全隔离，抗干扰能力强。

输入、输出选择范围宽，准确度高，电源可选择，广泛应用于各种对温度进行测量的监控系统中。

CU50技术指标：精确度：±0.2%FS对应温度范围：200℃~600℃内各量程输入阻抗：10MΩ输出负载：≧5K（电压输出）；≦250Ω（电流输出）频率响应：≦45HZ温度系数：150ppm/℃2.3 总体设计根据整体构思，所设计电路分为四个模块：直流电源、信号放大电路、比较电路和报警电路。

其中直流电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压器组成；放大器的设计采用三运放高工模抑制比电路，比较器用窗口比较器，通过电压变化可以模拟实现高温低温。

报警电路有单双频之分，选用555定时器作成多谢振荡器，以分别实现单双频报警。

图2.1 总体框图致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同向输入通用运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，V3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制V1，V2的共模信号，并适应接地负载的需要。

由于三运放放大电路输出反向，反向放大电路主要功能是对三运放放大电路输出反向放大，使其信号为正向信号。

本电路的差动增益就是对Ui1和Ui2两端之间产生的电位差进行放大时的增益，将-IN 端接地后，A1的增益AV1可用下式求出：AV1=1+R1/R0 （3-4）A2可以作为反相放大电路用（Ui2接地），所以AV2要用下式求出：AV2=-R1/R0 （3-5）AV1-AV2就是差动增益AVD ，所以AVD 可按以下普通公式计算：AV3=（1+R2/R0）Ui2-R2/R0Ui1 （3-6）Uo1=“1”，Uo2=“1”，则Uo=“3.4 报警电路设计根据人物与要求，当传感器感应到温度过高或者过低时要进行报警。

当温度低于8℃时采用单峰鸣低温报警电路，当温度高于54℃时采用双峰鸣高温报警电路。

音频报警电路的制作可以用NE555和电阻、电容组成，我们选用555集成定时器来制作多谐振荡器从而做出音频电路。

3.4.1 低温报警电路此电路中4端口接窗口比较器的D1稳压输出，4端口为一个复位端，当D1为高电平（温度低于8℃即放大电路输出电压小于2V ）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出单频声音报警。

此振荡电路的振荡周期为:对于U5振荡电路的充电时间为：T1=（R7+R8）*C5*ln(Vcc-VT1+)/（Vcc-VT1-) （3-11）即高电平持续时间也就是低音的持续时间。

放电时间为：T2=R8*C5*ln [(0-VT+)/(0-VT-)] （3-12）即低电平持续时间，也就是高音的持续时间。

T=T1+T2=(R7+2R8)*C5*ln2 （3-13）占空比：q=(R7+R8)/(R7+2R8) （3-14）当U5输出为地电平时对于U6振荡电路的振荡周期为：T0=T1+T2=(R9+R10)*C6*ln[(VE-VT2-)/(VE-VT2+)+R10*C6*ln[(0-VT2+)/(0-VT2-)] （3-15）低音振荡频率：f=1/T0 （3-16）根据参数计算公式可得，双频的高低音持续时间以及高低音频率只与555外部连接的电容C和电阻有关，因此我们可一通过改变555外部电路的电容和电阻的大小来控制多谐振荡电路的振荡周期从而控制蜂鸣器发出声音的高低和频率。

U6的4端接D2端稳压输出电压，当D2为高电平（温度高于30℃即放大电路输出电压大于6v）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出“嘀—嘟”的双频声音报警。

图3.6 高温报警电路第4章电路仿真与结果分析本次电路仿真用的是Protuse软件，Proteus软件是英国Labcenter electronics 公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、A VR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。

这些功能是：1．原理布图2．PCB自动或人工布线3．SPICE电路仿真革命性的特点：1．互动的电路仿真用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

2．仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、A VR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

仿真结果：1.当温度低于8℃时，发出单频报警输出波形如下：2.当温度高于54℃时，发出双频报警信号输出波形如下：第5章课程设计总结本次双功能温度报警器的设计用压电陶瓷蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过电压的变化来模拟温度的高低，以0℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv；由于电压变化的电压值较小，所以要将电路放大。

电路采用热敏电阻和运算放大器集成电路等元器件制作而成，具有灵敏度高，稳定性好等特点，器温度控制范围为0℃~80℃。

温度控制电路在工、农业生产中有着广泛的应用。

日常生活中也可以见到，如电冰箱的自动制冷、空调器的自动控制、大鹏种植温度的自动控制等等。

利用（模拟）温度控制开关和声响集成电路制作一个双功能温度报警器。

参考文献[1] 张国雄，李醒飞.测控电路.第4版.天津大学：机械工业出版社，2011.1[2] 杨欣，王玉凤，刘湘黔.电子设计从零开始.北京：清华大学出版社，2005.10[3] 李中发.数字电子计时.第一版.北京：中国水利水电出版社，2001[4] 阎石.数字电子技术基础.第五版.北京：高等教育出版社，2006[5] 高振东，邱丹.测控技术.第11期.1999[6] 苑惠娟，秦勇，周真，王雁.电气电子教学学报. 第4期.2010[7] 宋文绪，杨帆.传感器与检测技术.第2版.北京：高等教育出版社，2009.11。