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超温报警
电子工程实践课程设计报告
学 学院：电气工程与自动化学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 弱冠而立 指导老师： 时 间： 2020年1月12日 摘 要
电子工程实践课程设计是集成电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、电路实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验相结合的综合设计课程。它包括课程选择、电子电路设计、组装、调试和总结报告的编制。其发展是为了提高和提高学生对电子技术知识的综合分析和应用能力。这对于提高学生的电子工程素质和科学实验能力非常重要，是电子技术人才培养成长的必由之路。 温度报警课程设计报告由四部分开展。首先，指出实践课程所需的设计对象，然后提出课程设计的总体概念，为模块解释的单元电路提供平台，并将整个设计分为四个模块LM317为核心，直流电源模块包括变压、整流、滤波和稳压；LM324和三极管电路的信号采集和放大模块；NE555、CD4511和CD基于4017三种芯片和自己设计的二极管电路数显模块；NE555驱动报警模块。最后，本课程实践的成品主要可以完成数字显示和温度报警功能。
关键词:集成电路分析；模拟电子技术；数字电子技术；单元电路；数字显示；温度报警； 目 录
第一章 设计目标及要求 1 1.1课程设计目标 1 1.2.课程设计要求 1 第二章 设计方案和思路 2 2.1整体电路构思 2 2.2设计方案 2 第三章 单元电路设计 2 3.1直流稳压电源模块 3 3.1.1.设计任务和要求 3 3.1.2设计方法 3 3.1.3元器件选择 3 3.1.4整流电路 4 3.1.5滤波电路 4 3.2信号采集比较放大电路 5 3.2.1.设计任务和要求 5 3.2.2设计方案 5 3.2.3模块介绍 5 3.3报警电路 6 3.3.1.设计任务和要求 6 3.3.2设计方案 6 3.3.3模块介绍 7 3.4数显电路 9 3.4.1.设计任务和要求 9 3.4.2设计方案 9 3.4.3模块介绍 10 第四章 电路模拟图及装配分析 14 4.1电源模块 14 4.信号采集和放大模块 14 4.3报警电路模块 14 4.四数显电路模块 15 4.5实验结果 15 参考文献 16 附录 17 致 谢 20
第一章 设计目标及要求 1.1 课程设计目标 首先，让学生初步掌握电子线路的测试和设计方法。即学生根据设计要求和性能收集和分析类似电路的性能，并通过组装调试等实践活动实现性能指标。 第二，课程设计为后续的毕业设计奠定了良好的基础。 毕业设计是一种系统的工程设计实践，课程设计的重点是让学生逐渐从理论学习的轨道引向实际应用， 逐步掌握工程设计的步骤和方法， 了解科学实验的程序和实施方法。 三是培养勤于思考的习惯，设计制作电子产品，增强学生的自信心和兴趣。 本课程设计以电工电子技术的基本理论为基础，注重电路设计装配和性能参数的调试方法。 1.2 课程设计要求 本课程的设计任务要求是完成温度报警器的生产。在现实生活中，通常有一种工程技术，具有自动温度补偿设备，并在规定的温度内正常工作。但是，为了设备安全，需要设置工作的上限温度。如果温度补偿失效，一旦设备温度超过上限温度，立即切断工作电源并报警。设备修复后，投入使用。用数显电路代替工作件，接通电源后，数显电路将一次又一次地按5 2 0 1 3 1 4 6 显示数字。当加热烙铁靠近热敏元件（负温度系数热敏电阻）时，约几秒钟后，热敏元件感觉温度超过工作部件温度上限，温度控制电路工作，首先切断加热部件电源，发光二极管明亮，1秒后切断数字显示电路电源，并发出间歇报警声。当温度恢复正常时，报警声停止，数字显示和加热部件电源恢复，电路重新工作。本设计中充分展示了模拟电子技术的优点，利用放大电路、比较电路、采样电路进行温度的判定，再结合数字电子技术的优点，充分利用单元电路的功能来实现报警，将模拟电子技术与数字电子技术紧密结合。
第二章 设计方案和思路 2.1 整体电路构思 蜂鸣器作为报警电路的电声元件，用于设计温度报警电路LM324两个输入端电压的变化模拟温度，然后通过三极管放大输出信号驱动继电器打开蜂鸣器关闭数字电路或关闭蜂鸣器打开数字电路。另外，采用数显模块NE555定时器周5定时器周复始发送到十进制计数码器CD4017年，每个脉冲都有，只有一个输出端输出高电平，通过所需的数字样本设计符合要求的二极管单向导电路驱动CD4511，CD4511通过译码驱动共阴极数码管达到数显目的。 2.2 设计方案 根据总体概念，设计的电路分为直流电源、信号采集和比较放大电路、报警电路和数字显示电路四个模块。直流电源由变压器、整流桥、滤波电路和稳压电路组成；信号采集和比较放大电路由集成运输和放大电路组成LM324.由多个电阻和三极管组成；报警电路由报警电路组成；NE由555定时器、继电器、继电器和蜂鸣器组成；NE555定时器、CD4017、CD由继电器、共阴极数码管、多个二极管单向导通电路组成。
第三章 单元电路设计 3.1 直流稳压电源模块 3.1.1 设计任务及要求 直流稳压5V,12V电源设计，输入交流电220V（峰值312V) 50Hz。 稳定直流电源设计的一般思路是让输入电压交流电220V（峰值312V) 50Hz首先通过电压变压器(如16V），然后通过整流网络〈将正弦波电压转换为直流脉动电压(均有直流交流成分)，然后通过滤波网络(降低电压脉动)，最后，通过稳压网络(使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻的影响〉。 利用整流桥实现整流的目的， 以1000uF大电解电容作为滤波电路， 固定三端集成稳压器LM稳定输出电压317。 3.1.2 设计方法 通过变压器设计电路220V交流电转换为14V通过整流交流电VD1-VD4 将交流电转换为单相脉冲电。通过大电容C2滤波，以及LM317稳压功能，后续电容滤波，最终输出可通过R调节的直流稳压电。
图3- 1直流稳压电源原理图
3.1.3 元器件选择 万用板一块（159CM），5.1KΩ电阻一个，300Ω电阻一个，5KΩ一个电位器，7个续流二极管(4007)，0.01uF电容一个，10uF电容一个，220uF电容一个，1000uF电容一个，LM317一个，LED两个，排针多，跳线多。 3.1.4 整流电路 整流电路：50个单向导电元件HZ正弦交流电压变成脉冲直流电。在V2正半周，电流从变压器副线圈上端流出，仅通过D1流向RL,在由D因此，三流回变压器D1、D3正向导通，D2、D4反向截止。在负载上产生上正下负极性的输出电压。实线箭头表示电流通路。同理在V2负半周时，D2、D4正向导通，D1、D3反向截止。在负载上产生上正下负的输出电压。 综上所述，输入端通过变压器获得副线圈的单向脉动电压。 二极管在整流电路中的选择： A:变压器副边电压：U2=12V; B:桥式整流电路中二极管承受的最大反向电压为：1.414U2≈17V; C:桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：Io/2=0.8/2=0.4; 选择整流二极管查手册IN其参数为4007：反向击穿电压U=50V﹥17V，最大整流电流I=1A﹥0.4A. 3.1.5 滤波电路 滤波电路可以滤除滤波电路输出电压中的大部分交流成分，从而获得相对光滑的直流电压。 滤波电路中滤波电容的选择： 滤波电容的大小可用 C=（Iot）/△Ui 求得。 求△Ui： 根据稳压电路的稳压系数： 设计要求 △Uo≤15mV，Sv≤0.003 Sv=(△UoUi)/(Uo△Ui) Uo= 3V~ 18V Ui=14V 代入上式，就可以得到△Ui 滤波电容 C 设定Io=Iomax=1A，t=0.01s 则可求得C>4285uF 滤波电容在电路中承受的最高电压为1.414U2≈17V，因此，所选电压的耐压应大于17V。 注：由于大容量电解电容器具有一定的绕组电感分布，容易引起自激振荡，形成高频干扰。因此，稳压器输入断肠并入辞职的小容量电容器，以抵消电感效应，一直是高频干扰。 3.2 信号采集和比较放大电路 3.2.1 设计任务及要求 设计负灵敏系数热敏电阻在电阻值小于50%（电路接近3秒）的温度报警器，需要用电压量模拟温度。通过比较收集到的热敏电阻电位变化和反向输入端的基准电位，可以改变输出端的电位，驱动三极管放大模拟量。 3.2.2 设计方案 如下图所示，选择运算放大器LM324和NPN作为信号采集和比较放大模块的主角，通过RV1和R当1的电阻值设置基准电位时RV当电阻值发生变化时，集成运算放大器LM324正负输入端的电位差发生变化，输出相应变化通过三极管放大输出驱动后模块。
图3- 信号采集和放大模块
3.2.3 模块介绍 其中LM324包括四个独立、高增益、内部频率补偿的操作放大器，适用于电源电压范围广的单电源， 在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
图3- 3 LM324内部结构图
特点: ★ 内部频率补偿 ★ 直流电压增加(约1000)dB) ★ 单位增益频带宽(约1)MHz) ★ 电源电压范围宽:单电源(3-32V) 双电源(±1.5—±16V) ★ 适用于电池供电 ★ 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，等于电源电压范围 ★ 输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)
3.3 报警电路 3.3.1 设计任务与要求 设计一个可以在信号采集与放大电路提供的电压足够的条件下开启蜂鸣器，关闭数码管的电路。其中蜂鸣器的输入信号须为方波。 3.3.2 设计方案 如下图报警电路主要由NE555、继电器和蜂鸣器组成，其中继电器受控于信号采集与放大电路，从左到右第一个继电器的输入端与NE555的三端相连，为给继电器选中的那一端提供方波，常闭端为数显模块的CD4014输入时钟脉冲其作用在后续模块将再做介绍，另外一端与蜂鸣器导通，当信号采集与放大电路提供的电压达到第一个继电器吸合的条件，继电器则导通P7.3口，蜂鸣器工作，与此同时CD4017停止工作，数码管将不再显示。
图3- 4报警电路
3.3.3 模块介绍 继电器 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。
图3- 5继电器 NE555模块 NE555功能表与原理图如下：
表3- 1NE555功能表 清零端 高触发端TH 低触发端 Qn+1 放电管T 功能 0
0 导通 直接清零 1
0 导通 置0 1
1 截止 置1 1
Qn 不变 保持
图3- 6 NE555原理图
555电路有两个输入端，分别与两个基准电压进行比较，反相输入端（6脚），电压高于2/3Vcc时，Vo=0，同相输入端（2脚）电压低于1/3Vcc时，Vo=1。若两个输入端连在一起，当输入电压高于2/3Vcc，Vo=0；当输入电压低于1/3Vcc时，Vo=1；而当输入电压为1/3Vcc~2/3Vcc，Vo= Qn ，即维持原有状态不变（若原Vo=0，仍Vo=0）。而555电路总是要避开两个输入端中同时有U6 > 2/3Vcc，而U2<1/3Vcc的状况。
555芯片引脚： 1脚GND: (接地)-地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 2脚TRIG：(触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC。 3脚OUT：(输出) -当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到0伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 4脚RESET：(重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 5脚CONT：(控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 6脚THRES：(重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 7脚DISCH：(放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 8脚VCC：这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 3.4 数显电路 3.4.1 设计任务与要求 数显电路需要在接通电源但未报警的情况下周而复始的显示“5 2 0 1 3 1 4 6 1”，在蜂鸣器报警的时候需要数码管关闭数显。 3.4.2 设计方案 如下图数显电路由NE555、CD4511、CD4017、共阴极数码管、继电器、二极管单向导通电路等组成。其中NE555在继电器常闭时为CD4017提供稳定的方波脉冲，具有约翰逊计数特点的CD4017的十个输出端有且仅有一段输出高电平通过设计的二极管单向导通电路为CD4511的A/B/C/D四个输入端提供高电平。其中CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的七段码译码器由 四个输入端决定哪些输出端导通即数码管显示的数字。
图3- 7 数显电路
3.4.3 模块介绍 CD4511
图3- 8 CD4511引脚图
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。 EL：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。 A1、A2、A3、A4：为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 表3- 2引脚功能表 引脚 符号 功能 1 9 CLOCK 时钟输入端 7 15 RESET 消除端 2 10 ENABLE 计数允许控制端 3 4 5 6 Q1A-Q4A 计数输出端 11 12 13 14 Q1B-Q4B 计数输出端 8 VSS 地 16 VDD 电源正
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。实际使用时需要注意CD4511的8角和16角不能接错负责会烧坏芯片。
表3- 3 CD4511真值表 输 入 输 出 LE BI LI D C B A a b c d e f g 显示 X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8 X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 9 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐 1 1 1 X X X X 锁 存 锁存
CD4017 简要功能介绍:CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输cd4017入端的施密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。 引脚功能图
图3- 9 CD4017引脚图
CO：进位脉冲输出 CP：时钟输入端 CR：清除端 INH：禁止端 Q0-Q9：计数脉冲输出端 VDD/VSS：正电源/地
CD4017真值表
表3-4 CD4017真值表
下表为CD4511与CD4017功能的总结，CD4017的输出为CD4511提供输入，表中例出一些简单的数字，通过自己设计的二极管电路将真值表稍微变换了一些，可以随意按照自己需要的数字在数码管上显示。
表3-5 计数编码真值表
数码管 对照真值表，设计自己所需要的数显数字。
表3- 6 数码管真值表
第四章 电路的仿真图以及装调与分析 备注：各个部分的仿真图已经在第三章单元电路中拆开详解过了，下面给出完整的电路仿真图
图4- 1 电路仿真原理图
4.1 电源模块 由于考虑在模拟电子技术课程实践中设计的直流稳压电源并不可靠，以此在电子工程实践中直接将实验室已有的开关电源作为供电源，避免重复设计电源造成浪费。 4.2 信号采集与放大模块 发现最初无论怎么样最后输出的电压未能达到要求，在加上电压调试后发现，集成运放LM324的两个输入端的电位未达到要求，经过不断的调试与改变滑动变阻器的阻值，终于可以驱动继电器，同将电路稍加改—进去掉一个运放，电路依然符合要求，也节省了许多焊接的时间。 在实际电路焊接过程中，特地留意了继电器的线圈输入端存在正负之分，只有正负方向确认好了，方能驱动继电器的工作。也以此特地在继电器两个输出端加上发光二极管显示继电器导通的位置。 4.3 报警电路模块
电路接好后，调试发现蜂鸣器不能按照所需要的频率工作，经过改进发现很多原因，其一由于在继电器两端忘记接电容，导致线圈不能放电，二来通过示波器发现NE555模块未输出所需的正确的方波，再改变合理的阻值参数后输出正常。 4.4 数显电路模块 由于对芯片知识的陌生导致即使直接按照自己的意愿设计出来了大致能正常工作的电路，但是在显示的时候存在很多问题，可能是二极管电路也可能是其他原因，导致显示并非实验所需的数字，这个问题最终还是没有解决，但是在数码管的共阴极端加上一个下拉电阻，使用继电器可以关闭数码管的数显。 4.5 实验结果 焊接完成的电路最初部分出现问题，数显模块正常运行，但是改变运放输入端的阻值，可以听见继电器的导通发生变换，但是蜂鸣器仍然不能正常工作，于是另外找了一块板子重新加上线路太过繁杂的模块—CD4511部分，重新焊接调试后，在改变集成运放LM324的正向输入端电位器的阻值后就可以正常工作，但是数显存在问题，并不是本次设计最初设计的数字。再三检查电路依然没有找到问题，只是猜测是由于二极管单向导通电路的加入改变了CD4511四个输入端的正确的脉冲输入。 最终结果基本上符合要求，只是再改进的电路上存在一定问题。
参考文献 [1]小教资源库. 电子技术综合课程设计. 原创立文档.2011（3）：1～19 [2]铃木雅臣[日本]，周南生. 晶体管电路设计[上]. 科学出版社出版，2010 [2]王港元. 电子设计制作基础[修订版].江西：江西科学技术出版社.2017
附录
附录图-1 实物正面图1
附录图-2 实物正面图2
附录图-3实物背面图
附录图-4仿真原理
附录表-1 温度报警物料清单