• 第一章 绪论

1.1简易温度检测电路概述

1.1.1基本概述

温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。可见，温度测量的应用领域是宽广的，即便是在日常生活中它都具有广泛的用途，疫情期间用额温枪非接触测量体温就是其中的应用实例。目前，国内外通用的温度测量仪器大致有五种，分别为热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。这些温度测量仪器的温度测量范围、最大分辩能力、测温响应时间等都不尽相同。同时随着生产的发展，新型的温度测量仪器还会不断出现。本次课程设计的温度检测电路就属于电阻温度计中的一种简单设计，通过这个实践过程理解温度测量的重要性并学会简易的设计电路。

1.1.2 设计的技术要求

①制作一个输出电压为直流7.5V，误差小于2%的稳压电源，由红色发光管指示，作品的其余部分用此电源供电。

②利用提供的负温度系数热敏电阻作为传感器件，设计并制作一个温度检测电路，要求实现以下功能：

1. 在室温下，数码管稳定显示“1”；
2. 在体温下，数码管稳定显示“3”；
3. 在高温下，数码管显示“8”，并且数字不停闪烁，闪烁频率大约为    4~10Hz，同时扬声器发出报警声。

注： * 热敏电阻在摄氏25度时的标称电阻为10k，响应时间约10秒。

* 测量体温时，可对热敏电阻吹（呵）气，或用手指紧贴热敏电阻，注   意手指不要触及热敏电阻引脚。

* 测量高温可将电烙铁靠近热敏电阻，保持一定距离，注意不要烫坏热   敏电阻。

③报警器输出波形不限，要求基波频率为1024Hz，误差小于10%。

④在高温报警同时将报警信号降频处理，得到一个周期秒脉冲，以绿色发光管显示，即绿色发光管以1秒为周期闪烁。 注： *可采用降频后发光管闪烁判断报警器的音频频率。

⑤由于有低功耗要求，在高温报警状态下要求稳压电源输出电流小于50mA。

⑥在温度单调变化过程中，数码管显示数字不得反复跳变，不得显示非法字符，报警与降频电路仅在高温状态下启动。

1.2实习目的及意义

本次电子工艺实习是自动化专业学生的一次重要的实践教学环节，其题目选取为2020年江西省电子设计大赛的现场赛赛题。实习的目的及意义如下：

1. 目的：巩固和加深学生对所学的专业课知识，主要是模拟电子技术和数字电子技术；促进学生将所学理论应用于实践中，提高学生的动手能力和自学能力；让学生熟练掌握Proteus软件的仿真设计，掌握常见元器件的使用方法以及集成芯片的引脚功能的应用；提高学生对电子设计的生产制作、调试、改良的能力，培养学生分析问题与解决问题的能力；让学生了解电子产品的设计、研发与生产，培养学生电子设计的模块化思想，同时提高学生本身的焊接工艺。
2. 意义：通过实践教学能激发学生主动学习，并将所学理论应用于实践中；以2020年江西省电子设计大赛赛题为实习内容，不仅让学生巩固专业课知识、将理论和实践很好的结合在一起，还让学生在这个实践过程中熟悉电子设计大赛；培养了自动化专业学生在电子设计方面的模块化思想和工程性理念；让学生在这个过程中了解电子产品的设计、研发与生产，同时通过实践提高学生的焊接工艺水平；本次实践契合自动化培养工程性人才的总体目标，为今后自动化专业学生从事电子产品制作与创新设计工作奠定初步的实践基础。

• 第二章 简易温度检测电路的总体设计方案

2.1 电路基本组成与说明

2.1.1 电源稳压电路

模块说明：先通过电源适配器（变压器）将电压降幅，再经过整流桥的整流作用和电容的滤波作用得到直流电压；该电压再经过三端稳压电源芯片LM317进行稳压；由资料知LM317提供的基准电压为1.25V，据Uo=（1+R2/R1）U计算出R2=5×R1，这里取用R1=200Ω，R2=1k进行设计；再外加一个发光二极管作为电源正常输出的指示，同时串联电阻R3进行限流，以保护发光二极管。这样，理论上便实现了一个稳压7.5V输出的电源稳压模块。电路图如图2.1.1所示：

图2.1.1 -- 电源稳压模块

2.1.2 电压比较及数码管显示电路

模块说明：（1）电压比较模块：NTC型热敏电阻检测周围环境温度，环境温度变化表现为热敏电阻的电阻值变化，从而影响其与R10之间的电势，该电势作为LM393的两个运算放大器的正端输入。另一回路由三个电阻串联，给出两电势分别作为两个运算放大器的负端输入，设计电阻值以确定数码管显示跳变的临界温度。（2）数码管显示模块：根据数字电子技术的知识进行逻辑的设计，控制CD4511译码器的正确输入，实现要求的“1”、“3”、“8”显示以及消隐端的控制。同时注意数码管的正确接线。如图2.1.2为理论上实现的模块电路图：

图2.1.2 -- 电压比较模块和数码管显示模块

2.1.3 蜂鸣器报警电路

模块说明：简单得采用555模块的输出给一个具有一定频率的定时翻转的电平驱动蜂鸣器工作，如图2.1.3是理论上可行的蜂鸣器报警电路：

图2.1.3 --蜂鸣器报警模块

2.1.4 555多谐振荡器及计数输出电路

模块说明：（1）555多谐振荡器模块：该模块是一个由555构成的基本的多谐振荡器，由于设计要求，这里将该555设计为仅在数码管显示“8”时工作，从而实现对555的控制。根据f=1/T≈1.44（R4+2×R5）×C5对该模块进行设计，同时在已有的元器件中取用合适的参数设计一个基波频率为1024Hz，误差小于10%。（2）计数器输出模块：将555的3脚输出给到计数器CD4040，经过计数器的分频作用得到我们需要的频率。取用8Hz的输出频率反馈到CD4511的消隐端，控制数码管显示“8”时的数码管闪烁；取用1Hz的频率控制发光二极管闪烁，实现高温报警的指示作用。如图2.1.4是理论上实现的电路图：

图2.1.4 --555多谐振荡器模块

2.1.5 整体电路仿真图

图2.1.5 --仿真总电路图

2.2 设计能力要求

（1）对模拟电子技术和数字电子技术的知识有一定的掌握，且具备基本的电路知识和分析电路的能力；（2）设计与焊接电路板都应分模块进行，即模块化思想；（3）知道并掌握基本的电源稳压模块、整流滤波和稳压原理、555构成的多种基本电路及其设计方法、计数器分频作用、基本的蜂鸣器驱动、数码管类型和接法、运算放大器构成的电压比较器的使用、数电逻辑设计、译码器的使用及译码方式；（4）熟悉Proteus的基本操作，能够通过软件进行设计和调试。（5）具备一定基础的电子电路焊接水平，以及电路错误检查和错误分析的能力。

第三章 设计过程及其说明

3.1 基本元器件

序号	名称	规格型号	单位	数量
1	排针	普通	排	1
2	插针	圆孔	排	1
3	整流二极管	1N4007	支	4
4	发光二极管	红灯	支	1
5	发光二极管	绿灯	支	1
6	三极管	9018(NPN型)	支	1
7	电容	470uF	个	1
8	电容	10uF	个	2
9	电容	100uF	个	1
10	电容	0.1uF	个	1
11	电容	0.01uF	个	1
12	集成块	LM317	个	1
13	集成块	NE 555	个	1
14	集成块	4040	个	1
15	集成块	LM393	个	1
16	集成块	4001	个	1
17	集成块	4011	个	1
18	集成块	4511	个	1
19	IC座	8脚	个	2
20	IC座	14脚	个	2
21	IC座	16脚	个	2
22	电阻	200Ω	个	2
23	电阻	1k	个	2
24	电阻	10k	个	4
25	电阻	65k	个	1
26	电阻	7.5k	个	1
27	电阻	5.1k	个	2
28	电阻	470Ω	个	7
29	热敏电阻	NTC型	个	1
30	电位器	502 (5k可调)	个	1
31	数码管	七段(共阴极)	个	1
32	蜂鸣器	普通	个	1
33	开关	三脚	个	2
34	电池盒	普通	个	1
35	锂电池	9V	块	1
36	万能板	玻纤/10cm*22cm	块	1
37	标签贴纸	普通	张	2
38	锡丝	普通	cm	若干
39	跳线	红色	cm	若干
40	铁丝	普通	cm	若干

3.2 重要元器件功能图

3.2.1 LM393原理图和仿真图

LM393 是双电压比较器集成电路。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制。当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。

图3.2.1 -- LM393原理图(左)和仿真图(右)

引出端序号	功能	引出端序号	功能
1	输出端1	5	正向输入端2
2	反向输入端1	6	反向输入端2
3	正向输入端1	7	输出端2
4	GND	8	VCC

表3.2.1 -- LM393引脚功能表

3.2.2 CD4511原理图和仿真图

CD4511 是一片 CMOS BCD—锁存/7 段译码/驱动器，用于驱动共阴极 LED 数码管显示器的 BCD 码-七段码译码器。具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，其可直接驱动共阴LED数码管。且CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。

图3.2.2 -- CD4511原理图(左)和仿真图(右)

CD4511各个引脚功能如下：

BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A0、A1、A2、A3为8421BCD码输入端。

Ya、Yb、Yc、Yd、Ye、Yf、Yg：为译码输出端，输出为高电平1有效。

8脚为VSS，接地；

16脚为VDD，接电源正极。

3.2.3 CD4040原理图和仿真图

CD4040是12位二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器。计数器在时钟下降沿进行计数，CR为高电平时，对计数器进行清零。由于在时钟输入端使用斯密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制。所有输入和输出均经过缓冲。

图3.2.3 -- CD4040原理图(左)和仿真图(右)

CD4040各个引脚功能如下：

（1）10脚：时钟输入端；11脚：清除端；

（2）Q0～Q11：计数器脉冲输出端；

（3）VDD：接电源正极；Vss：接地。

3.2.4 CD4001原理图和仿真图

CD4001是2输入正向或非门。CD4001或非门为系统设计者提供了直接的或非功能。补充了已有COS/MOS门系列所有输人和输出经过缓冲。改善了输人/输出传输特性使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维持到最小。CD4001提供了14引线多层陶瓷双列直插D熔封陶瓷双列直插J塑料双列直插P和陶瓷片状载体C4种封装形式。

图3.2.4 -- CD4001原理图(左)和仿真图(右)

CD4001各个引脚功能如下：（1）“1、2、3”、“4、5、6”、“8、9、10”、“11、12、13”为四组或非门，3、4、10、11为四个或非门的输出端，其余为对应或非门的输入端；（2）7脚为VSS，接地；（3）14脚为VDD，接电源正极。

3.2.5 CD4011原理图和仿真图

四 2 输入与非门芯片 CD4011 内部由四 2 输入端与非门单元电路构成，采用 N 和 P 沟道增强型 MOS 晶体管提供的对称电路，具有很高的抗干扰度。 CD4011 属于数字电路，当将或非门的两个输入端相连时，就变成了一个非门。

图3.2.5 -- CD4011原理图(左)和仿真图(右)

CD4011各个引脚功能如下：（1）“1、2、3”、“4、5、6”、“8、9、10”、“11、12、13”为四组或非门，3、4、10、11为四个与非门的输出端，其余为对应与非门的输入端；（2）7脚为VSS，接地；（3）14脚为VDD，接电源正极。

3.2.6 NE555原理图和仿真图

555定时器（又称时基电路）是电子工程领域中广泛使用的一种中规模集成电路，它将模拟与逻辑功能巧妙地组合在一起，具有结构简单、使用电压范围宽、工作速度快、定时精度高、驱动能力强等优点。555定时器配以外部元件，可以构成多种实际应用电路。广泛应用于产生多种波形的脉冲振荡器、检测电路、自动控制电路、家用电器以及通信产品等电子设备中。

图3.2.6 -- NE555原理图(左)和仿真图(右)

NE555各个引脚功能如下：

（1）1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

（2）8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

（3）3脚：输出端Vo。

（4）2脚：低触发端。

（5）6脚：TH高触发端。

（6