模电课程设计--温度报警器的设计与制作

郑州科技学院

《模拟电子技术》课程设计

题目温度报警器的设计与制作

学生姓名李涛

专业班级10级电子科学与技术三班

学号201031065

指导教师刘筠筠

完成时间2012年10月22日

1 绪论 (1)

2 课程设计的任务与要求 (1)

2.1简要说明 (1)

2.2任务和要求 (2)

3 整体电路构思 (2)

3.1总体方案 (2)

3.2设计方案 (3)

4 电路工作原理及说明 (3)

5 单元电路的设计 (4)

5.1 单元电路介绍 (4)

5.2 lm358 引脚图和功能说明 (5)

5.3 9014三极管参数 (6)

5.4 热敏电阻 (8)

5.4.1 热敏电阻的主要参数 (8)

5.4.2 热敏电阻的分类 (9)

5.4.3 NTC热敏电阻 (9)

5.4.4 热敏电阻的应用 (11)

6 硬件的制作与调试 (11)

6.1 制作电路 (11)

6.2 调试电路 (12)

7 设计总结 (12)

参考文献 (14)

附录1 总体电路原理图 (15)

附录2 元器件清单 (16)

1 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。日常生活也可以见到，如电冰箱的自动制冷、空调器的自动控制、大棚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的中间，改变电阻的分压，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时（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时（高温），触发声响集成电路工作。即达到了调节微调电阻器的阻值，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。

2 课程设计的任务与要求

2.1 简要说明

在一些要求恒温的场所，如生物实验室、蔬菜大棚等，对温度有一定的温度要求。如果温度太高，则应及时采取降温措施；如果温度太低，则应及时采取升温措施。为便于及时了解温度是否正常，可使用温度报警器。

2.2 任务和要求

(1）当温度在30℃至60℃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：当温度高与60℃时，报警器发出不同的声音。

(2）可用5—15V直流稳压电源供电。

(3）在保证性能的前提下，尽量减少功耗，降低成本。

3 整体电路构思

3.1 总体方案

本次温度报警电路的设计我们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；由于变化的电压值较小，所以我们采用放大电路对其进行放大100倍，然后通过后级比较电路对电压进行比较，当温度在30℃至60℃范围内（允许误差±1℃）即电压在20mv至60mv时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，即当接收到的输入电压（前级放大器的输出）小于2V （30℃时放大器输出为2V）或者大于6V时（60℃时放大器输出为6V），输出高电平以驱动后级的发生报警电路报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低。

电路所需直流电源由5v-15v的直流电压提供。

3.2 设计方案

电路框图如下：

图3-1 电路框图

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；放大器的设计采用集成运放放大；对于比较器我们选择窗口比较器，通过电压的变化可以模拟实现高温。

4 电路工作原理及说明

如图4-1电路原理图，利用电路中的运算放大器LM358做

成的一个电压比较器。所谓电压比较器，就是当它的同相输入端

（第3脚）的电位高于反相输入端（第2脚）的电位的时候，其

输出端（第1脚）输出为高电平；当同相输入端的电位低于反相

输入端的时候，输出端立刻翻转为低电平。根据这个特点，我们

在其两个输入端分别建立一个独立的分压回路，其中的固定电阻

R1、R2为运放的反相端提供一个固定不变的参考电位。而运放

的同相输入端的电位则由RT、R3及RW共同决定，当温度升高

的时候，负温度系数的热敏电阻RT的阻值会明显降低，导致运

放同相输入的电位在原来的基础上升高。调节RW，可以使达到某个设定温度时，运放的同相输入端电位正好高于反相输入端的电位，这时输出端为高电平，这个高电平能够使得一只小功率NPN三极管9014饱和导通，蜂鸣器得电发出高频声响。

图4-1 电路工作原理图

5 单元电路的设计

5.1单元电路介绍

其中直流电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压器组成；

放大器的设计采用集成运放放大；

比较器采用窗口比较器，通过电压的变化可以模拟实现高温低温的变化；

图5-1 窗口比较器电路及传输特性

将做好的电路接在一个5V~10V的直流电源上，左右调节电位器RW，在正常情况下，当电位器处于最大阻值时蜂鸣器应发声，而最小阻值时应无声。如果你做好的电路不是这样的话，多数是电路焊接有误或者是元件取值偏差太大！如果电路正常的话，可以调试使得本电路在“危险温度”的时候发出报警声。至于这个“危险温度”设置在什么位置，完全由你个人决定。

5.2 lm358 引脚图和功能说明

LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。

图5-2 lm358引脚图及引脚功能

LM358封装有塑封8引线双列直插式和贴片式两种。LM358的特点:

. 内部频率补偿

. 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

. 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—30V)；

. 双电源(±1.5 一±15V)

. 低功耗电流，适合于电池供-1.5V

5.3 9014三极管参数

集电极最大耗散功率PCM＝0.4W（Tamb=25℃）

集电极最大允许电流ICM=0.1A

集电极基极击穿电压BVCBO=50V

集电极发射极击穿电压BVCEO=45V

发射极基极击穿电压BVEBO=5V

集电极发射极饱和压降VCE(sat)=0.3V (IC=100mA; IB=5mA)

基极发射极饱和压降VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)

特征频率fT=150MHz

HFE：A=60~150; B=100~300; C=200~600; D=400~1000

（1）非9014,9013系列三极管管脚识别方法：

(a) 判定基极。用万用表R×100或R×1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管如9013，9014,9018。

(b) 判定三极管集电极c和发射极e。(以PNP型三极管为例)将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。

不拆卸三极管判断其好坏的方法：

在实际应用中、小功率三极管多直接焊接在印刷电路板上，由于元件的安装密度大，拆卸比较麻烦，所以在检测时常常通过用万用表直流电压挡，去测量被测管子各引脚的电压值，来推断其工作是否正常，进而判断三极管的好坏。

如9013，9014一样NPN的用万用表检测他们的引脚，黑表笔接一个极，用红笔分别接其它两极，两个极都有5K阻值时，黑表笔所接就是B极。这时用黑红两表笔分别接其它两极，黑表笔所接那个极和B极，表指示阻值小的那个黑表所接就是C 极（以上所说为用指针表所测，部分的正负级是和指针表相反的）。

5.4 热敏电阻

热敏电阻是电阻值对温度极为敏感的一种电阻，也称为半导体热敏电阻，是热敏元件同时又是敏感电阻的一个种类。热敏电阻的主要特点是对温度灵敏度高、热惰性小、寿命长、体积小、结构简单、可以有不同的外形，成为目前应用十分广泛的敏感电阻。

5.4.1热敏电阻的主要参数

热敏电阻有如下几个主要参数：

(1)标称电阻值R1。它是指元件上所标注的电阻值，也称为零功率电阻值，是指在25℃时采用引起电阻值变化不超过0.1%所测得的电阻值，故常用R25℃来表示(单位为Ω)。

(2)额定功率。热敏电阻在规定的技术条件下，长期连续工作所允许消耗的功率称为额定功率，一般用PE表示(单位为W)。

厂家在参数表中提供的额定功率值是指在25℃时的功率值。当温度高于25℃时，应当降额使用。

(3)电阻温度系数。它是指在零功率条件下，温度每变化1℃时电阻值的变化量，一般用αT表示，单位为1/℃。若温度变化前的电阻值是R，温度变化后电阻值的变化量为△RT，温度变化量为△T，则电阻温度系数可表示为αT=(△RT/R)△T。

(4)转变点温度。一般指临界热敏电阻和开关型正温度系数热敏电阻的电阻—温度特性曲线上的拐点温度，通常用Tc表示，单位为℃或K。转变点温度也称为居里点温度。

5.4.2 热敏电阻的分类

热敏电阻的种类繁多，按照电阻值温度系数分正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)两大类；按其阻值随温度变化的大小可分为缓变型(即线性)和突变型(即非线性)；

图5-3功率型

热敏电阻(NTC)

图5-4温度补偿型

热敏电阻(NTC)

图5-5电子体温计

用热敏电阻(NTC) 5.4.3 NTC热敏电阻

NTC热敏电阻是采用多晶金属如铁、钴、镍、铜、锰、钛、

钒等氧化物半导体制成的，其电阻值随温度升高而降低。NTC热

敏电阻在电路中常用作温度补偿、温度检测与控制的感温元件，

也用作浪涌电流限制器。NTC热敏电阻的电阻—温度特性曲线如

图5-6所示。不同材料制成的NTC热敏电阻的电阻—温度特性

曲线存在一些差异，但其共同点就是都具有负的温度系数，范围

一般为-(1～6)×10-2/℃。限制浪涌电流用NTC热敏电阻通常连

接在桥式整流器输入线路上，如图5-7所示。在接通AC线路之

后，将有一个非常大的电流对平滑滤波电容器充电。由于NTC

热敏元件(RT)的接入，其在室温下的电阻较大，对浪通电流起

限制作用。随RT温度升高，其电阻值急剧降低，对输入电流的

影响很小。

图5-6 NTC 热敏电阻温度—阻值

图5-7 NTC热敏电阻的限流电路曲线

5.4.4热敏电阻的应用

热敏电阻可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温

差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁。

6 硬件的制作与调试

6.1 制作电路

电路装调。本次课设三人一组，各尽其能，我们分了四个模块，有直流电源电路，放大电路，窗口比较器电路，单蜂鸣报警电路以及双蜂鸣报警电路。大家一起完成了四个模块的组装先将集成电路焊接在面包板上，然后将各个电阻及三极管焊上。在焊接电路的时候务必保证不要将集成电路的引脚搞错，所有的电阻无方向性，而三极管的三个引脚则要先区分其极性！不同的三极管有不同的管脚定义规则。

蜂鸣器也焊接在电路板上，注意蜂鸣器的两个引脚也是有顺序的（一般在蜂鸣器的外壳上有标注！）。将热敏电阻用一根细长的软皮线焊接在热敏电阻的两端做成一个温度探头，将做好的

热敏电阻与电路板上对应点相接。电路中的电位器不要焊接在电路板上，而是用两根细皮线引出，这样做的目的是为了调试方便，如图6-1所示。最后，将电路的电源线接长一点开始调试。

图6-1热敏电阻

6.2 调试电路

将做好的电路接在一个5V~10V的直流电源上，左右调节电位器RW，在正常情况下，当电位器处于最大阻值时蜂鸣器应发声，而最小阻值时应无声。如果你做好的电路不是这样的话，多数是电路焊接有误或者是元件取值偏差太大。如果电路正常的话，可以调试使得本电路在“危险温度”的时候发出报警声。至于这个“危险温度”设置在什么位置，完全由你个人决定。

7 设计总结

本次课程设计加深了我们对所学理论知识的理解，并能将其熟练应用，做到理论与实际相结合。设计的过程中遇到过挫折和困难，当我们发现电路连接完却不能正常运行时大家都很沮丧，但我们又立刻振作起来，与别组同学进行了探讨。课程设计时很

累，但生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。同时我认为我们的工作是一个团队的方式进行的，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

而用实际器件搭建电路，培养了我们学生分析问题、解决问题的实践能力。在本次课程设计中受益匪浅，为将来的学习，毕业设计以及工作打下坚实的基础。

总之，通过这次课程设计学习，让我对各种电路都有了大概的了解，也学会了常用绘图软件的使用，加深了我对专业的了解，培养了我对学习的兴趣，为以后的学习打下了好的开端，我受益匪浅。同时，让我明白：这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深理解，才会有收获，正所谓“实践是检验真理的唯一标准”。

参考文献

[1]《模拟电子技术基础》第四版主编:童诗白华成英高等教育出版社

[2] 《电子设计从零开始》主编：杨欣

王玉凤刘湘黔清华大学出版社2005

年

[3] 陈梓城. 实用电子电路设计与调试.

北京：中国电力出版社，2006

[4] 谢自美. 电子线路设计、实验、测

试，第二版. 武汉：华中科技大学出版

社，2000

[5] 李万臣. 模拟电子技术基础实验与

课程设计. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出

版社，2001

附录1 总体电路原理图

VCC

R1 10kΩ

R2 10kΩ

R3 5.0kΩ

2.0kΩ

50kΩ

Key=B

40%

50kΩ

Key=A

35%

U1A

LM358M

BUV22

BUZZER

200 Hz

XMM1