温度检测报警系统2.doc

前 言 随着人们生活水平的逐渐提高，人们在物质上的要求也越来越高，比如说每个人家中都有空调，热水器，电饭煲等等电器设备，而这些东西都因为跟电联系到一起，所以存在很大的安全隐患。而怎么解决这些安全安全是大家一直关心的问题，而要解决这些问题就必须在一定层面上实现这些电器的智能化。同时，现在流感非常的严重，为了防止疫情的进一步扩散，也为了能让患者能够及时接受治疗，对流动人口进行温度检测变得非常重要。 基于PT100所测量的温度温范围能够满足我们的要求，而且它有测量温度准确的特点，最重要的是我们能定义它的报警温度，当温度超过一定的值时，我们能通过一定电路驱动报警器的报警，对于解决一些由于温度造成的安全的问题非常的有用。 该电路的最主要的特点就是它制作简单，而且稳定性，有一定的抗干扰能力，与其他的数字电路相比较，他的最大的特点就是它造价简单，有很好的实用价值。 第一章 设计要求§1.1课程设计要求1、设计任务和要求 检测温度范围为0º100 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； 可设定报警温度上限值0º100 º，我们选的是超过60摄氏度的时候报警； 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、 任务分配：将该温度检测系统分为五个模块，由五个人分别完成一个独立模块。第二章 系统组成及工作原理§2.1温度采集和放大首先，通过温度传感器(PT100,I<35MA)将温度模拟信号转化成一定的电信号，由于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，通过理伦计算当温度100的时候，对应的电信号最大，约等于0.15，所以我们的差分放大倍数在30-100内可调节。§2.2 信号的过滤 信号采集和放大处理好了，我们知道任何一个信号的采集都会夹杂着一些干扰信号，所以这个时候要对这个信号进行过滤了，而我们需要的信号是一个变化很缓慢的信号，所以我们选择2阶低通滤波器，上限频率约为100HZ，根据fh=1/2piRC，于是我们取R=5.1k，C=0.33uF.§2.3信号的控制 如图所示我们用到的是最普通的比较器，通过设定相应的阈值（0-5.6V可调），然后与采集到的信号做比较，当大于设置的信号时输出低电平，当小于设置的信号输出高电平。其中跟随器是输出电压稳定，增加带负载的能力。§2.4蜂鸣器的驱动 根据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=1.39M，C=0.33uF.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，反之不响。§2.5电源 先通过变压器变压，然后通过整流，滤波，问呀，最终我们得到正负12V和5V 的电压。图2-1 直流电源电路方框图第三章 信号的采集及报警电路的设计§3.1温度采集检测 图 3-1 PT100实物图 pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0 时阻值为100欧姆，在100时它的阻值约为138.5欧姆。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匀速增长的。 PT100分度表温度/度阻值/欧姆温度/度阻值/欧姆温度/度阻值/欧姆0100.0040115.5480130.9010103.9050119.4090134.7120107.7960123.24100138.5130111.6770127.08110149.29表 3-1方案一： 1.电路图 图 3-2 方案一原理图2.参数的选择 由上图可知PT100的在100-200之间变化，而通过PT100的电流不能大于35MA，所以我们选1K 的电阻来限流。3. 工作原理和调试方法（1）、调试方法： 当温度是0摄氏度的时候，调节200欧姆电位器，使从1、2出来的电压差为0， 并保持这个阻值不变。（2）、工作原理： 随着温度升高，pt100的阻值也会随着温度的升高而增大，根据分压原理，从1出来的电势势必会比1处高，形成一定的压差，这样就把温度信号转化了电信号了。方案二：1.电路图 图3-3 方案二原理图2.参数的选择 选取电阻R1为200欧姆，输入的信号为直流电源5伏。3.工作原理 当外界温度改变的时候，PT100的阻值R也会随着改变，根据U0=-5R/R1可知此时输出的电压也随着温度的变化而发生了变化，这样就把变化的温度转化了可变的电压。方案的比较和选择1.方案一（1） 、PT100总会存在一定的误差，理论上0摄氏度的是对应的阻值是100欧姆，而实际上是有误差的，我们在边上加一个可调电阻可以通过调节减少这个误差。（2） 、电路只有电阻组成因此造价便宜。而且又能很好的实现电路的效果。2.方案二（1） 、外围电阻的构造简单，直观而且不需要进行任何调试就能实现一定的效果。（2） 、由于运放会因为输出电压过大而工作在非线性区，所以检测温度的范围比较小，同时方案二不能像方案一通过可调电阻去减少误差，所以最后的误差会大于方案一的误差。（3）、通过比较我们最终选择了方案一。§3.2蜂鸣器驱动模块1.设计原因 该系统是温度检测报警系统，当温度超过某个温度时，要通过一定去告知人们现在处于超温状态，所以我们通过去驱动蜂鸣器发出报警的声音来告知人们。2.设计原理当运放的反相端输入高电平，由于这是个比较器电路因此输出的是就是低电平，这个时候（温度没有超过设定的温度），三极管工作在截止区，蜂鸣器不会响，当反相端输入的是低电平，输出高电平，通过给电容充电，然后放电产生方波，这个时候在半个周期工作在截止，在另外半个周期工作在饱和，从而控制了蜂鸣器以1HZ的频率报警。3.参数的选择 如上面的仿真电路图1.3，产生的方波，周期接近一秒，根据公式T=2R3Cln(1+R2/R1),所以我们选择了R1=R2=10K,C=0.33UF,R3=1.39M。如图1.4蜂鸣器的驱动部分，其中二极管是防止基电极和射极电压过高的，我们选了放大倍数为100倍的三极管9013，电阻选10k都是为让三极管不在截止状态时工作在饱和区。4.芯片资料LM324是常见的一种常见的集成运算放大器，它具有14个管脚，其引脚图见图3-2，具体相关介绍见附录2。 图3-4 LM324管脚图实验中的电路如图3-5所示图3-5 蜂鸣器报警电路图5. 报警模块元器件清单序号名称数量规格1电阻310k2电阻11M3电阻1390K4电容10.33UF5运算放大器1LM3246三极管1IN90137蜂鸣器18二极管1IN40076.仿真模块 图3-5 仿真 第四章 电路及系统调试4.1 组装调试为了验证实验系统的合理性和可行性,需要对系统进行组装调试。本次课设五人一组，各尽其能，分了五个模块，有直流电源电路，温度检测放大电路，滤波电路，控制比较电路和蜂鸣器驱动报警电路。大家一起合作完成了五个模块的组装调试，最后一起进行了整个系统的调试。调试仪器：主要用到的是万用表。1.直流电源的装调选用一个变压器，一个IN4007桥堆，一个LM7812，一个LM7912，一个LM7805，1个1k电阻，1个发光二极管以及若干电容，接好直流稳压电源电路。问题 用万用表测量从LM7812和LM7912输出的电压值不对。故障排除 误以为LM7812和LM7912是同样的，导致电压值不对。通过对这两个稳压芯片的拆装，并不断用万用表在一旁测量，然后用万用表测得LM7812和LM7912分别输出12V和12V，满足要求。最后，用万用表测量从LM7812输出的电压值约为12V，从LM7805输出的电压值约为5V，从LM7912输出的电压值约为12V后，就完成了直流电源部分。2.温度检测放大电路的装调选用一个PT100，两个1k电阻和一个200电位器组成测量电桥作为温度传感器；选用一个LM324中的三个集成运放，两个1k、两个390、两个20k电阻和1个10k电位器组成放大电路。问题 组装过程中由于LM324管脚多，易于弄错，有接错管脚的现象发生。故障排除 仔细核对检查各管脚所对应的集运放和输出电路，并用万用表测试其输入和输出电压。最后，通过改变电位器数值至最大阻值10k，经万用表的测量，放大倍数约为60。3.滤波电路的装调选用两个5.1k、一个1k电阻，两个0.33F电容和一个LM324中的一个集成运放，组成一个二阶低通滤波电路。滤波电路起到对信号过滤作用，其所用元器件较少且电路连接较为简单，基本上没什么问题。4.控制比较电路的装调选用一个510、一个1k电阻，LM324中的两个集成运放，一个10k电位器，一个5.6V稳压管和一个发光二极管，接好比较电路。这部分电路连接也较为简单。最后，通过改变放大电路中10k的电位器阻值，并用万用表测得电压跟随器的输出电压在05.6V变化；通过改变与比较器相连接的10k电位器阻值，控制电压值来控制报警温度。5.驱动报警电路的装调选用三个10k、一个1M、1个390k电阻，一个0.33F电容，LM324中的一个集运放，一个IN4007二极管，一个IN9013三极管和一个蜂鸣器，连接好驱动蜂鸣器电路。问题 连接上比较麻烦，管脚易接错。故障排除 通过个管脚接线的标示明朗化，使得各个管脚所对应的连线明确。由于这是系统的最后一个部分，也可以通过对整个电路的调试来发现其问题所在，同样可以对其它部分加以检验。4.2 总系统调试在各个部分都连接完成后，进行整个系统的调试工作。问题1 整个系统共地连接时，有一处疏忽使得系统不能正常工作。故障排除 仔细查看电路板并用万用表对各处电压进行校验，发现一处需要接地的地方未接地。将该处接上地，使得系统工作正常，这处遗漏的接地花费了不少时间发现。问题2 蜂鸣器的声音不够响。故障排除 蜂鸣器顶部的粘有一张贴纸，堵住了发音孔。揭去顶部贴纸，蜂鸣器发声响亮许多。图4-1系统电路图（1） 、将PT100放入冰水混合物中，调节电桥中的电位器使U3的电压为0伏，并一直保持R1的阻值不变。（2） 、将PT100放入刚加热完的热水中，保持U4的电压为5.6伏（可调的最大的电压），调节电位器R2使U3的电压为5.6伏。（3） 、我们的温度报警系统是在温度超过60摄氏度的时候报警，因此我们的调试过程是，先将温度加热到60摄氏度，调节电位器R3直至让蜂鸣器发声。温度（摄氏度） U1(V) U2(V) U3(V) U4(V) 0 0.45 0.45 0 0 60 0.45 0.55 4.4 5.0 100 0.45 0.61 5.6 5.6总结1.通过这次实验我们得出了一下结论：LM324可以放大信号。2.在设计的过程中，将系统模块化，更有利于我们去选择电路的参数，更有利我们去分析和调试电路。3.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，虽然将所学的知识运用到现实当中去了，但是我们从这次课设中总结的结论是，理论永远是理论知识，而实际往往和理论的有些偏差，因为我们不可能把实际当中的任何情况都能考虑进去，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。4.通过这次课程设计过程，我觉得不能什么事都说成是理所应当是这样，我们这次试验中就以为7912和7812是同样的原理，结果导致我们出现了种种问题，浪费了很多的时间。5.我们对电路和低频这两本书有了更深层次的认识，掌握了如何运用书本的知识去做一个较简单的系统，最终，通过大家努力把温度检测报警系统设计出来了。6.但是，就实际情况而言，本电路还是其不足之处。首先，本电路所用的元器件以及整体构思都比较一般，并没有什么先进性。其次，元器件的精确度也不是很高，比如用LM324放大器，其精确度也是有限的。再有，自己所设计的放大部分的参数选取不够完美，问题考虑不周，并不是所有温度都能超限报警。然后，由于所学知识和能力有限，设计的电路还有不完善之处，许多地方仍然需要改进，从而减小误差，增加其实用性。这个可以当我们所学知识更加充分时去完善它。展望本次课设加深了对所学理论知识的理解，使自己得到了锻炼，也同样遇到了许多问题，实验的电路性能不是很完善。实验中需要将学到的知识熟练应用，做到理论与实际相结合。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。在做系统调试时，虽然知识运用于实践，但是实际往往和理论有所偏差。实际中存在着许多客观和人为的因素，比如仪器的精准与否，元器件的实际值等，这些都需要加以考虑，做到理论联系实际，才能有助于实验的成功。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,20062邱关源,罗先觉.电路.5版. 北京:高等教育出版社,20063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:南昌航空大学信息工程学院电子实验实践中心(自编),2010附1元器件清单：序号名称规格数量1电阻1M12电阻390k13电阻20k24电阻10k45电阻1k66电阻51017电位器10k28电位器20019电容1000F210电容100F211电容0.33F512电容0.1F113二极管IN4007114稳压二极管5.6V115发光二极管216三极管IN9013117桥堆IN4007118稳压芯片LM7812119稳压芯片LM7912120稳压芯片LM7805121温度传感器PT100122运算放大器LM324223变压器124蜂鸣器125万用板2附2部分元件介绍：1.lm324简介：LM324系列器件为价格便宜的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的引脚排列见图3-4。 2.参数描述：运放类型低功率放大器数目4 带宽1.2MHz 针脚数14工作温度范围0°C to +70°C电源电压 最大32V 电源电压 最小3V 型号324低偏置电流最大100nA 输入偏移电压 最大7mV额定电源电压+15V 变化斜率0.5V/s 3.78系列集成稳压芯片（输出为固定电压值）3LM7805、LM7812、LM7912LM7805 LM7812 LM7912附图3-3 三种稳压芯片的管脚图如附图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。附3整体电路图：附图3-1 直流电源电路附图3-1 温度检测报警电路附图3-2 直流电源电路附图3-3附图3-4附图3-5设计实物图1附图3-6 设计实物图2 21