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1、清華大學(xué)模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書溫度報(bào)警器學(xué)生姓名: 專 業(yè): 電氣工程及其自動化 班 級: 學(xué) 號: 完成時間: 2015年7月 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院:電氣與信息工程學(xué)院 適應(yīng)專業(yè):自動化、電氣工程及其自動化、通信工程、電子信息工程 指導(dǎo)教師學(xué)生姓名課題名稱溫度報(bào)警器內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)利用集成溫度傳感器、集成運(yùn)放等設(shè)計(jì)一個溫度報(bào)警裝置。當(dāng)被測溫度達(dá)到測量上限值時,可通過LED或蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲(光)報(bào)警。電路設(shè)計(jì)方案自行確定。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、電路設(shè)計(jì)方案比較;2、電路參數(shù)分析計(jì)算和選擇; 3、 單元電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行分析;4、實(shí)物制作;5、系統(tǒng)調(diào)試(使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表)
2、;6、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。三、設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)1、檢測范圍:室溫50;2、被測溫度達(dá)到50時,指示燈亮(熄滅)或蜂鳴器工作;3、測量精度±1;四、擴(kuò)展要求與指標(biāo)1、用數(shù)字電壓實(shí)現(xiàn)溫度顯示,電壓表滿刻度對應(yīng)50;主要參考資料1 康華光編.模擬電子技術(shù)(第5版).北京:高等教育出版社,20122 童詩白編, 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版).北京:清華大學(xué)出版社,20093 華成英編, 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版).北京:清華大學(xué)出版社,2011教研室意見教研室主任:(簽字)年 月 日模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院:電氣與信息工程學(xué)院 適應(yīng)專業(yè):自動化、電氣工程及其自動化、通信工程、電子信息工程 指
3、導(dǎo)教師學(xué)生姓名課題名稱直流穩(wěn)壓電源內(nèi)容及任務(wù)一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個直流穩(wěn)壓電源,當(dāng)輸入為有效值220V的交流電壓時,能產(chǎn)生±12V、±5V三組直流電壓輸出。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、電路設(shè)計(jì)方案比較;2、電路參數(shù)分析計(jì)算和選擇; 3、 單元電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行分析;4、實(shí)物制作;5、系統(tǒng)調(diào)試(使用的儀器、測試數(shù)據(jù)表);6、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。三、設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)1、要求輸入電壓為有效值220V、50HZ的市電交流電壓,電源輸出電壓為±12V、±5V。2、最大輸出電流為Iomax=500mA,紋波電壓VOP-P5mV,穩(wěn)壓系數(shù)Sr5%。四、擴(kuò)展要求與指標(biāo)1、能顯示電源
4、輸出電壓值,00.0-12.0V; 2、要求有短路過載保護(hù)。主要參考資料1 康華光編.模擬電子技術(shù)(第5版).北京:高等教育出版社,20122 童詩白編, 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版).北京:清華大學(xué)出版社,20093 華成英編, 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版).北京:清華大學(xué)出版社,2011教研室意見教研室主任:(簽字)年 月 日 摘 要隨著技術(shù)的不斷開發(fā)和應(yīng)用,電子技術(shù)的發(fā)展十分迅速,不斷運(yùn)用到生活的各個方面。設(shè)計(jì)結(jié)合溫度傳感器技術(shù),集成運(yùn)算放大器,以及電壓比較器,和發(fā)光二極管組成的非常靈敏的溫度報(bào)警器。設(shè)計(jì)采用熱敏電阻作為溫度傳感器,相比傳統(tǒng)的熱傳感器更具抗干擾能力,利用電壓比較技術(shù),更加強(qiáng)了
5、電路的穩(wěn)定性。附帶LED發(fā)光二極管報(bào)警技術(shù),使報(bào)警效果更明顯,在被測溫度大于50度時,發(fā)光二極管被點(diǎn)亮,可實(shí)現(xiàn)其報(bào)警功能,完全能滿足設(shè)計(jì)要求。穩(wěn)壓直流電源采用變壓器降壓電路,二極管整流橋整流,濾波電路和穩(wěn)壓電路組成,可穩(wěn)定輸出+5V和-5V,+12V和-12V的直流電壓。關(guān)鍵詞:熱敏電阻;集成運(yùn)算放大器;二極管整流橋;二極管報(bào)警目 錄1溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)11.1溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)方案11.2熱敏電阻傳感電路的設(shè)計(jì)11.3 放大電路的設(shè)計(jì)21.4比較電路和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)22直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)42.1設(shè)計(jì)方案和原理42.2電源模塊的設(shè)計(jì)42.3 直流穩(wěn)壓電路整體圖62.4元器件選擇及計(jì)算63電路的仿真
6、(Multisim)84實(shí)物測試與調(diào)試105設(shè)計(jì)總結(jié)與體會14參考文獻(xiàn)15致 謝16附 錄17附錄A直流穩(wěn)壓電源原理圖17附錄B溫度報(bào)警器原理圖18附錄C直流穩(wěn)壓電源pcb圖19附錄D溫度報(bào)警器的PCb圖20附錄E直流穩(wěn)壓電源和溫度報(bào)警器實(shí)物圖21附錄F直流穩(wěn)壓電源元件清單22附錄G溫度報(bào)警器的元件清單221 溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)1.1溫度報(bào)警器的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)一個溫度在室溫至50范圍內(nèi)時不報(bào)警,當(dāng)溫度超過50時,報(bào)警器能精確報(bào)警的溫度報(bào)警器。溫度傳感器應(yīng)將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化,集成放大電路將得到的電壓信號進(jìn)行放大,電壓比較器電路將放大的電壓信號與參考電壓進(jìn)行比較,然后再接報(bào)警電路。報(bào)警電路電
7、壓比較器放大電路熱敏電阻直流穩(wěn)壓電源供電 圖1溫度報(bào)警器的方案圖電路采用熱敏電阻作為溫度傳感器,把變化的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號,再經(jīng)過集成運(yùn)算放大電路,把得到的電壓信號放大,再經(jīng)電壓比較器的比較,把得到的電壓信號輸給發(fā)光二極管報(bào)警電路從而實(shí)現(xiàn)溫度的報(bào)警。1.2熱敏電阻傳感電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個當(dāng)溫度大于50時報(bào)警的溫度報(bào)警器,需要用電壓變化來代表溫度的變化,設(shè)計(jì)的原理如圖2所示:在熱敏電阻傳感電路里,選擇(在室溫下)電阻值為10k的熱敏電阻R1作為溫度傳感器,在25度時,電源電路輸出給集成運(yùn)放放大器的電壓為454mv,溫度每升高1度,該熱敏電阻阻值就下降256,輸出電壓下降11.2mv,因此,當(dāng)溫度從
8、25度升高到50度時,溫度報(bào)警器的電阻降為3.6k,經(jīng)計(jì)算,理論輸出電壓從454mv降為174mv。R8選用10k的電位器,便于電路的調(diào)節(jié);R6選用100k的電阻,是為了得到輸出為毫伏級的電壓;R1是熱敏電阻(電阻值隨溫度的升高而降低)。 圖2 熱敏電阻傳感器電路1.3 放大電路的設(shè)計(jì)為了得到更大的電壓,把熱敏電阻采集到的電壓信號加到電壓放大倍數(shù)為28倍的正向比例放大器(如圖3),經(jīng)過放大,可以得到輸出電壓12.7v4.9v。(R4取25k,電位器R7取10k,便于增益的調(diào)節(jié),結(jié)合電路的需要,最后把R7調(diào)到2k左右,R2取1k;增益Au=R2+(R7+R4)/R2=1+(2+25)/1=28)
9、圖3 放大電路 1.4比較電路和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)然后把放大的電壓加到選擇電壓為5v的反向電壓比較器上面去(如圖4),當(dāng)溫度到50度時,比較器輸入電壓4.9v(4.9v<5v),比較器翻轉(zhuǎn),比較器輸出電壓為5v,點(diǎn)亮發(fā)光二極管。為了保護(hù)發(fā)光二極管不被燒壞,在二極管前面串聯(lián)了一個760的保護(hù)電阻。 圖4 比較電路和報(bào)警電路選擇NE5532P集成運(yùn)放芯片作為電路放大與電壓比較器,NE5532P為8腳雙運(yùn)放,用一個運(yùn)放供電電壓為+5V和-5v,用兩個運(yùn)放供電電壓為+12v和-12v。電壓放大增益Av=1+Rf/R2=28,電壓信號放大后,可以得到比較器輸入電壓(12.7v4.9v),與比較電壓5v
10、進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)精確報(bào)警。二極管保護(hù)電阻取760的理由:由于二極管的導(dǎo)通電壓為1.5v-2.5v,電流范圍為5mA-18mA,保護(hù)電阻R3的取值范圍為12V/18=666到12v/5=2400,為了使報(bào)警效果更明顯,R3取760。2直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)在各個單元電路與總體電路設(shè)計(jì)過程中,有3個模塊需要直流穩(wěn)壓電源供電,因此,需要制作一個具有穩(wěn)定輸出的直流穩(wěn)壓電源。2.1設(shè)計(jì)方案和原理在電子電路設(shè)備中,一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電,而平常生活中用到的都是頻率為50HZ,有效值為220V的單項(xiàng)交流電壓,因此需要將它轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定,輸出電流較小的直流電壓。在一般情況下,所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的
11、有效值相差較大,因此需要通過電源變壓器降壓后,再對交流電壓進(jìn)行處理。在溫度報(bào)警器電路中,需要用512V的直流電源供電,因此需要設(shè)計(jì)一個輸出為±12V和±5V的穩(wěn)壓直流電源,直流電壓的設(shè)計(jì)方案圖如圖5所示變壓器濾 波電 路整 流電 路穩(wěn) 壓 電 路圖5 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖在電路中輸入220V(50HZ)的交流電壓,通過電源變壓器降壓(變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要)然后變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓,即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈沖電壓,為了減少電壓的脈動,需通過濾波電路濾波,使輸出電壓平滑,因此應(yīng)將部分交流分量或者全部濾掉,使濾波電路輸出電
12、壓僅為直流電壓,然而,由于濾波電路為無源電路,所以接入負(fù)載后會影響其濾波效果,對于要求不高的電子電路,整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源,但當(dāng)電網(wǎng)電壓濾波或者負(fù)載變化時,其平均值也將隨之變化,穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本保持,不受電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載電阻變化的影響,從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。2.2電源模塊的設(shè)計(jì)根據(jù)方案和原理:電源模塊采用220-16V變壓器降壓,再經(jīng)橋式整流堆(型號為2w10)進(jìn)行整流,濾波電容進(jìn)行濾波,再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片,就能穩(wěn)壓輸出+12v,-12v和+5v,-5v的直流電壓。(1)變壓器:型號為220v/16v的降壓變壓器,它將220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓
13、,并送給整流電路,變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定,降壓電路如圖6所示。 圖6 降壓電路(2)整流電路:利用(單向?qū)щ娫┒O管組成的整流橋(2w10),把50Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電 ,整流電路圖如圖7所示。 圖7 整流電路圖(3)濾波電路和穩(wěn)壓電路:濾波電路采用雙電容并聯(lián)結(jié)構(gòu),可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除,從而得到比較平滑的直流電壓。穩(wěn)壓電路采用穩(wěn)壓芯片78xx系列,則使輸出的直流電壓穩(wěn)定,不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化,電路圖如圖8所示。 圖8濾波和穩(wěn)壓電路圖2.3 直流穩(wěn)壓電路整體圖 圖9 直流穩(wěn)壓電路整體圖220V電網(wǎng)電壓經(jīng)過通用變壓器T1降壓至
14、12V,12V交流電壓經(jīng)整流橋整流、電容的濾波作用后變成直流電壓供給集成三端穩(wěn)壓器7812,經(jīng)過7812穩(wěn)壓后變成所需的+12V直流電壓。然后再經(jīng)過一級電容,將電壓送至穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后,就可得到+5v較穩(wěn)定的直流電壓了,同理可得到-12v,和-5v的直流電壓。2.4元器件選擇及計(jì)算1)變壓器采用雙12v降壓變壓器,規(guī)格I/P:220v AC 50HZ 2)整流橋堆的選擇 整流橋堆選用規(guī)格為2W10,與選用單個二極管整流的優(yōu)勢在于,可利用波形在負(fù)半軸的電壓,提高電源的利用率。一般情況下,允許電網(wǎng)電壓有±10%的波動,因此在選擇整流橋的二極管保證二極管安全工作。3)濾波電容的選擇電路
15、中C2,C10應(yīng)選用較大的電容進(jìn)行濾波,選擇電容稍大一些,則輸出電壓中得到的紋波成分越小,為了得到平滑的負(fù)載電壓。d=RLC>=(3-5)T/2 (1)T=1/f=0.02s (2)RL=VL/IL=12V/500MA=24(3)C=(3-5)T/2*RL=1250uf2083uf(4)考慮到電網(wǎng)電壓的波動,則電容器承受的最高電壓VCMVCM=*(12/1.2)*1.1=15.5V根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可取,C2=C10=2200uf,C1=C3=C7=C8=0.1uf(是為了防自激)。4)整流橋和穩(wěn)壓管的選擇穩(wěn)壓管正向輸出選擇LM7812和LM7805系列,反向輸出選擇LM7912和LM7905
16、系列,因?yàn)槿斯潭ㄊ郊煞€(wěn)壓管W7812和W7805的最大輸出電流IOMAX為1.5A,因此每個二極管流過的平均電流ID=0.5Iomax=0.5×1.5=0.75A,整流管的參數(shù)IF應(yīng)該比平均值ID大(0.52)倍,在此選擇1A50V的整流橋堆。3電路的仿真(Multisim)+12v直流電壓輸出-12v直流電壓輸出 圖10 ±12v直流穩(wěn)壓源仿真輸出電壓波形圖-5v直流電壓輸出+5v直流電壓輸出 圖11 ±5v直流穩(wěn)壓源仿真輸出電壓波形圖 圖12 溫度為50度時發(fā)光二極管發(fā)光電路圖4 實(shí)物測試與調(diào)試 圖13 溫度報(bào)警器調(diào)試圖 圖14 溫度報(bào)警器測試圖 圖15
17、+12v輸出電壓圖16 +5v輸出電壓圖17 +5v輸出電壓 圖18 -12v輸出電壓表一 直流穩(wěn)壓電源數(shù)據(jù)理論值實(shí)測值誤差+12v+12.06v0.005-12v-12.08v0.006+5v+4.98v0.004-5v-4.96v0.008誤差均小于0.01,因此,在誤差允許的范圍內(nèi),直流穩(wěn)壓電源符合設(shè)計(jì)要求。5設(shè)計(jì)總結(jié)與體會 通過為期三周的努力,我們設(shè)計(jì)的溫度報(bào)警器終于完成了,在此次課程設(shè)計(jì)過程中我們遇到了許多問題也了解了許多知識,同時我發(fā)現(xiàn)有很多知識都是老師曾經(jīng)在課上講過的,比如電路的電源電路還有穩(wěn)壓電路等等。在解決問題的過程中,我意識到自己知識的不足以及團(tuán)隊(duì)合作的重要性,通過理論與實(shí)
18、踐的比較,更讓我意識到實(shí)踐的重要性。剛開始我們通過圖書館,網(wǎng)絡(luò),以及上一級的學(xué)長,了解和收集到了本次設(shè)計(jì)需要的資料,從而我們對本次設(shè)計(jì)有了初步的了解方案。首先大家的任務(wù)就是認(rèn)識面包板及其布局,元器件的功能及管腳圖,接著我們采用分塊連接電路,以便于檢測,把部分電路連好后在電腦上用multism進(jìn)行仿真記錄相關(guān)數(shù)據(jù),最后把部分電路整合連成整體電路進(jìn)行仿真看是否報(bào)警,是否符合要求。在操作過程中遇到許多問題,例如測的數(shù)值不符合要求、正負(fù)電源接反導(dǎo)致電容燒壞、實(shí)際電路的電阻選擇、電路中某段沒有電壓,電路不工作等等,最后在老師和同學(xué)的幫助下我們都一一解決了。 設(shè)計(jì)基本能滿足任務(wù)要求,設(shè)計(jì)的不足之處在于我們
19、為了追求更簡單,沒有采用蜂鳴器報(bào)警電路,沒有采用LED顯示屏去顯示被測溫度。設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于,穩(wěn)定性較高,靈敏度好。參考文獻(xiàn)1 康華光.模擬電子技術(shù)(第5版).北京:高等教育出版社,2012.454463.2 童詩白.模擬電子技術(shù)(第4版).北京:清華大學(xué)出版社,2009.430433.致 謝這次課程設(shè)計(jì)的完成,要感謝伍麟珺老師和同學(xué),感謝學(xué)校給了我們這樣一個學(xué)習(xí)的機(jī)會,這次課程設(shè)計(jì)不僅僅使我們學(xué)到了很多新知識,也使我們認(rèn)識到了自己還有很多的不足。從這次課程設(shè)計(jì)的開始到完成的整個過程,我們遇到了很多意想不到的困難,但在自己的努力下,以及伍老師的指導(dǎo)與幫助下,我們基本完成了設(shè)計(jì)要求,這次課程設(shè)計(jì)使我們受益匪淺
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