• 用壓電陶瓷蜂鳴器作為電聲元件。
• 當溫度在10度至30度范圍內(允許誤差士1度)時報警器不發聲響，當溫度超過這范圍時，報警器發出聲響，并根據不同音調區分溫度的高低，即：
  

(1)當溫度高于30時，報警器發出兩種頻率交替的“嘀-嘟”聲響。

(2)當溫度低于10時，報經區發出單頻串聲響。

3、溫度傳感器輸出電壓可由直流信號源模擬，以0度為0mv,溫度每上升1度，遞增2mv。

• 設計并制作電路所用直流電源。
  

• 系統設計
  

根據其項目的要求要有電源的提供，即直流電源電源部分設計。

當溫度在10℃至30℃范圍內時報警器不發聲響。當溫度超過這范圍時，報警器發出聲響，并根據不同音調區分溫度的高低，即低溫單頻報警電路設計和高溫雙頻報警電路設計。

溫度傳感器輸出電壓可由直流信號源模擬，以0℃為0mv，溫度每上升1℃，遞增2mv；所以要把直流小電源放大到所需求的范圍，可見要有比較器和放大器的組成部分，即放大電路設計和比較電路設計。

根據所學的知識就可以使用555定時器的功能和LM324四運放集成電路可以實現自制溫度報警器設計與制作。

圖1系統框圖

本次溫度報警電路的設計我們用蜂鳴器作為報警電路的電聲元件，通過電壓的變化來模擬溫度的高低，以0℃為0mV，溫度每上升1℃，遞增2mV；由于變化的電壓值較小，所以我們采用放大電路對其進行放大100倍，然后通過后級比較電路對電壓進行比較，當溫度在10℃至30℃范圍內（即電壓在20mV至60mV時報警器不發聲響，當溫度超過這個范圍時，即當接收到的輸入電壓（前級放大器的輸出）小于2V（10℃時放大器的輸出為2V）或者大于6V時（30℃時放大器的輸出為6V），輸出高電平以驅動后級的發生報警電路，報警器發出聲響，并根據不同音調區分溫度的高低，即當溫度高于30℃時，報警器發出兩種頻率交換的“嘀---嘟”聲響；當溫度低于10℃時，報警器發出單音頻率聲響。

根據以上電路的構思，總電路可分為四大部分：電源電路、放大電路，比較電路，以及報警電路（報警電路分：低溫單頻報警電路和高溫雙頻報警電路）。

• 工作原理
  

溫度報警電路的設計我們用蜂鳴器作為報警電路的電聲元件，通過熱敏電阻采集溫度，以0℃為0mV，溫度每上升1℃，遞增2mV；由于變化的電壓值較小，所以我們采用放大電路對其進行放大100倍。然后通過比較電路對電壓進行比較：

當溫度在10℃至30℃范圍內，即電壓在20mV至60mV時報警器不發聲響；

當溫度超過這個范圍時：①當接收到的輸入電壓（前級放大器的輸出）小于2V（10℃時放大器的輸出為2V），輸出高電平以驅動后級的發生報警電路，報警器發出聲響，并根據不同音調區分溫度的高低，即當溫度低于10℃時，報警器發出單音頻率聲響;②當接收到的輸入電壓（前級放大器的輸出）大于6V時（30℃時放大器的輸出為6V），輸出高電平以驅動后級的發生報警電路，報警器發出聲響，并根據不同音調區分溫度的高低即當溫度高于30℃時，報警器發出兩種頻率交換的“嘀---嘟”聲響。

電路所需的直流電壓由兩個電源適配器分別提供:

•       輸入220V  輸出12V
•           輸入220V  輸出5V
  

• 元器件介紹
  

• NE555
  

NE555電路的工作原理

555電路的內部電路方框圖如圖2所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發器，一個放電開關T，比較器的參考電壓由三只5KQ的電阻器構成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為和。A1和A2的輸出端控制RS觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號輸入并超過時，觸發器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電，開關管導通;當輸入信號自2腳輸入并低于時，觸發器置位，555的3腳輸出高電平，同時放電，開關管截止。

是復位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接VCC。

Vc是控制電壓端（5腳)，平時輸出作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩定。

T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電電路。

         圖 2 工作原理圖圖 3 引腳圖

引腳功能如下：

1腳：外接電源負端VSS或接地，一般情況下接地

2腳：低觸發端

3腳：輸出端Vo

4腳：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平

5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01μF電容接地，以防引入干擾

6腳：TH高觸發端

7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電

8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 ~ 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 ~ 18V。一般用5V

555定時器應用：

555定時器構成多諧振蕩器

由555定時器和外接元件R1、R2、C構成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩態，僅存在兩個暫穩態，電路亦不需要外接觸發信號，利用電源通過R1、Rz向C充電，以及C通過Rz向放電端放電，使電路產生振蕩。電容C在和之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波。

圖4多諧振蕩器圖5多諧振蕩器波形圖

2.LM324

LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器，具有真正的差分輸入。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態電流為MC1741的靜態電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。

圖6原理圖圖7引腳圖

LM324系列運算放大器是價格便宜的帶差動輸入功能的四運算放大器。可工作在單電源下，電壓范圍是3.0V-32V或±16V.

LM324的特點如下:

• 短跑保護輸出
• 真差動輸入級
• 可單電源工作:3V-32V
• 低偏置電流:最大100nA (LM324A)
• 每封裝含四個運算放大器。
• 具有內部補償的功能。
• 共模范圍擴展到負電源
• 行業標準的引腳排列
• 輸入端具有靜電保護功能
  

圖8電壓參考圖

LM324應用

（1）雙電壓比較器電路

當去掉運放的反饋電阻時,或者說反饋電阻趨于無窮大時(即開環狀態),理論上認為運放的開環放大倍數也為無窮大(實際上是很大,如LM324運放開環放大倍數為100dB，既10萬倍)。此時運放便形成一個電壓比較器，其輸出如不是高電平(V+)，就是低電平(V-或接地)。當正輸入端電壓高于負輸入端電壓時，運放輸出低電平。

圖9雙電壓比較器電路圖

（2）電壓放大器電路

放大器電壓放大倍數Av僅由外接電阻Ri、Rf決定：Av=-Rf/Ri。負號表示輸出信號與輸入信號相位相反。按圖中所給數值，Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri與信號源內阻相等，然后根據要求的放大倍數在選定Rf。Co和Ci為耦合電容。

圖10電壓放大器電路圖

3.壓電陶瓷蜂鳴器

壓電陶瓷，是以稀土材料和金屬燒結制作而成，一般都是圓餅形狀。外圍引出導線連接電路中去，當電壓施加在陶瓷片上的時候，引起稀土陶瓷的形變。如果通一定頻率的交流電。就能來回震動。在陶瓷片上引起周期性的微小振幅。帶動空氣也跟著震動。

壓電陶瓷蜂鳴器，就是內部這樣一個陶瓷片，外面的塑料外殼，形成腔體，當頻率達到某個頻點的時候，腔體參與共振，引發很強的聲音。這就是壓電陶瓷蜂鳴器的結構。

圖11壓電陶瓷蜂鳴器圖

• 電源設計
  

采用電源適配器又叫外置電源，便攜式電子設備及電子電器的供電電壓變換設備。

本課題采用兩個電源適配器，分別提供:

（1）輸入220V  輸出12V

（2）輸入220V  輸出5V

工作原理：

在開關管VT飽和導通期間，C1正極的直流電壓Ui經過L→VT→C2正極→C2負極充電。一方面使C2兩端建立直流電壓，另一方面使儲能電感L中的磁能不斷增大。當開關管VT截止期間，L感應出左負、右正的電壓，則L中的磁能經續流二極管VD向C2及負載釋放。電源適配器輸出端電壓Uo的高低由VT的飽和導通時間的長短決定，即由基極激勵脈沖寬度決定。而基極激勵脈沖的寬度，由誤差取樣、放大電路決定。

在串聯型電源適配器中如果沒有續流二極管VD，則當開關管突然由飽和導通轉為截止時，由于L中的磁能不能釋放，將感應出極高的電壓。該電壓極易導致開關管VT擊穿。而接入續流二極管VD后，當開關管由飽和導通轉為截止時，L中的磁能通過VD向C2及負載電路釋放，一方面使L兩端的電壓下降，使開關管集電極-發射極壓降為輸入Ui值，并有足夠的余量;另一方面，在VT截止期間，L將通過續流二極管VD釋放能量，使負載電路在開關管截止期間，得到能量的補充，這將使輸出端電壓更平滑，電源適配器的效率更高。

圖12電源適配器圖

• 放大器電路的設計
  

放大電路是同相比例運算電路，電路引入了電壓串聯負反饋。

電路的放大倍數：A=(1+R3∕R1)=100

R2處加一個+12V的直流電壓，通過熱敏電阻來改變放大器的輸入電壓。根據實驗設計要求（當溫度在10℃至30℃范圍內且允許誤差±1℃）時報警器不發聲響，當溫度超過這個范圍時，報警器發出聲響。以0℃為0mV，溫度每上升1℃，遞增2mV。①低于20mV報警（單頻）；②20mV—60mV不報警；③高于60mV報警（雙頻）。熱敏電阻經過LM324放大100倍后，就變為①0—2.0V報警（單頻）；②2V—6V不報警；③大于6v報警（雙頻）。

圖13放大器電路圖

• 比較器電路的設計
  

由LM324中的兩個運放組成1個比較器，以12V為電源電壓，通過調節電位器RV1、RV2來確定比較器的兩個基準電壓，使分別為2V、6V，調節好后使其穩定不再變化。放大器的輸出電壓UO與兩個基準電壓進行比較：

若UO小于2V，則B運放輸出為高電平，輸出端接一個保護電阻（R4阻值500）經過D1 (5V穩壓管)使輸出電壓穩定在5V；

若UO在2V與6V之間，則運放B與C輸出都為低電平，即電壓為0；

若UO大于6V，則運放C輸出為高電平，輸出端接一個保護電阻（R5阻值500）經過D2（5V穩壓管）使輸出電壓穩定在5V。

穩壓管D1、D2的作用是穩定窗口比較器的輸出電壓，但前提是窗口比較器的輸出電壓必須大于穩壓管D1、D2的穩壓值。運放輸出端所加保護電阻不應過大，否則穩壓管將不起作用。

圖14比較器電路圖

• 溫度報警電路的設計
  

根據任務與要求，要有兩種不同的報警聲音，因此我們設計兩種報警電路，單頻報警和雙頻報警電路，即低溫報警電路和高溫報警電路。音頻報警電路的制作可以用555和電阻、電容組成，我們選用555集成定時器來制作多諧振蕩器從而做出音頻電路。多諧振蕩器是在Vc大于Vt-時充電，小于Vt+時放電。

1.低溫單頻報警電路的設計

此電路中4端口接窗口比較器的D1穩壓輸出，4端口為一個復位端，當D1為高電平（溫度低于10℃即放大電路輸出電壓小于2V）時，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發出單頻聲音報警。

充放電時間為：τ=RC

充電時間為：T1=(R6+R12)·C1·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

放電時間為：T2=R6·C1·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

此振蕩電路的振蕩周期為:T=T1+T2

=(R12+2R6)·C1·㏑(Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

=(R12+2R6)·C1·㏑2

=0.15s

占空比：q=T1/T=(R6+R12)/（R12+2R6）=0.52

圖15低溫單頻報警電路電路圖

2.高溫雙頻報警電路的設計

高溫報警采用雙頻報警，該部分用到了兩片555定時器。U2的作用是控制高低音的持續時間，高電平持續時間即為電容C的充電時間，低電平持續時間即為電容C的放電時間；U3的作用是將高音與低音轉換成合成頻率輸出。

對于U2振蕩電路的充電時間為：T1=(R7+R8)·C5·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

放電時間為：T2=R8·C5·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

占空比為：q=T1/T=(R7+R8)/(R7+2R8)=0.6

當U2輸出為高電平時，C6的充電閾值為：VT1+= Vcc?10K/（10K+R11//5K）=3.75V

放電閾值為：VT1-= Vcc?5K/（10K+R11//5K）=1.88V

充電時間為：TH=（R9+R10）?C6?㏑((Vcc－Vt1-)/(Vcc－Vt1+)) =0.14s

放電時間為：TL=R10?C6?ln（（0-Vt1+）/(0-Vt1-）)=0.07s

則振蕩周期TO為：T0=TH+TL

=（R9+R10）?C6?㏑((Vcc－Vt1-)/(Vcc－Vt1+))+R10?C6?ln（（0-Vt1+）/(0-Vt1-）

=0.21s

低音頻率為：fL=1/T0 =4.76HZ

當U2輸出低電平時，C6的充電閾值為：Vt2+=Vcc?(R11//10K)/(5K+(R11//10K)) =0.67V

放電閾值為：Vt2-=Vcc?(R11//10K)/2(5K+(R11//10K)) =0.33V

充電時間為：TH1=（R9+R10）?C6?㏑((Vcc－Vt2-)/(Vcc－Vt2+))= 0.01s

放電時間為：TL1=R10?C6?ln（（0-Vt2+）/(0-Vt2-）)=0.07s

則振蕩周期T為：T=TH+TL

=（R9+R10）?C6?㏑((Vcc－Vt2-)/(Vcc－Vt2+))+ R10?C6?ln（（0-Vt2+）/(0-Vt2-）

=0.08s

高音振蕩頻率為：fH=1/T=12.5HZ

根據參數、計算公式可得，雙頻的高低音持續時間以及高低音頻率只與和555外部連接的電容C和電阻R有關，因此我們可以通過改變555外部電路的電容和電阻的大小來控制多諧振蕩電路的振蕩周期，從而控制蜂鳴器發出聲音的高低和頻率。

U3的4端接D2端穩壓輸出電壓，當D2為高電平（溫度高于30℃即放大電路輸出電壓大于6V）時，此多諧振蕩器工作，蜂鳴器發出“嘀---嘟”的雙頻聲音報警。

圖16高溫雙頻報警電路電路圖

• 總電路設計
  

采用熱敏電阻作為敏感元件的溫度報警器，當由熱敏電阻所接觸的溫度通過傳感器到開關，如果溫度超過預定值，此時的開關即開啟，連接放大電路放大信號，再送入比較電路，通過調節電位器RV1、RV2來確定比較器的兩個基準電壓，使分別為2V、6V，調節好后使其穩定不再變化。放大器的輸出電壓UO與兩個基準電壓進行比較：

①0—2.0V報警（啟動低溫單頻報警電路）；

②2V—6V不報警；

③大于6v報警（啟動高溫雙頻報警電路）。

第  頁

圖17總電路圖

第  頁

• Proteus 仿真軟件介紹
  

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。在PROTEUS繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理圖中看到模擬的實物運行狀態和過程。

PROTEUS不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。 使用Proteus 軟件進行單片機系統仿真設計，是虛擬仿真技術和計算機多媒體技術相結合的綜合運用，有利于培養學生的電路設計能力及仿真軟件的操作能力；在單片機設計和全國大學生電子設計競賽中，我們使用 Proteus 開發環境對學生進行培訓，在不需要硬件投入的條件下，學生普遍反映，對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，更容易提高。實踐證明，在使用 Proteus 進行系統仿真開發成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統設計效率。因此，Proteus 有較高的推廣利用價值。

圖18 Proteus界面

第  頁

• 系統仿真
  

圖19溫度報警器設系統仿真圖

第  頁

仿真工能介紹：

圖20仿真功能圖

①紅色圓圈：RV1替代熱敏電阻采集溫度信號模擬電壓

②紅色矩形：顯示放大后的電壓（由RV1控制）

③深藍圓形：RV2滑動變阻器調節溫度下限

④深藍矩形：顯示調節溫度下限的電壓（由RV2控制）

⑤淺藍圓形：RV2滑動變阻器調節溫度上限

⑥淺藍矩形：顯示調節溫度上限的電壓（由RV3控制）

⑦黃色矩形：顯示低溫單頻報警電路電壓（接近5V啟動；接近0V則不啟動）

⑧黃色圓形：低溫單頻報警電路啟動時，此蜂鳴器工作

⑨紫色矩形：顯示高溫雙頻報警電路電壓（接近5V啟動；接近0V則不啟動）

⑩紫色圓形：高溫雙頻報警電路啟動時，此蜂鳴器工作

仿真運行時整體不同情況對比：

①0V—2.0V報警（啟動低溫單頻報警電路）:

圖21溫度低于10℃時仿真運行圖

如圖此時經放大電路放大電壓為1.37V，小于2V；此時溫度為6.85℃，小于10℃；啟動低溫報警，用示波器觀察結果如下：

當溫度低于10℃時示波器輸出波形:

圖22溫度低于10℃輸出波形圖

②2V—6V不報警:

圖23溫度10℃-30℃時仿真運行圖

如圖此時經放大電路放大電壓為4.68V，大于2V小于6V。此時溫度為23.4℃，大于10℃，小于30℃；不觸發報警電路，用示波器觀察結果如下：

當溫度在10℃到30℃時示波器輸出波形:

圖24溫度10℃-30℃時輸出波形圖

③大于6v報警（啟動高溫雙頻報警電路）:

圖25溫度高于30℃時仿真運行圖

如圖此時經放大電路放大電壓為9.80V，大于6V。此時溫度為49℃，大于30℃；觸發高溫報警電路，用示波器觀察結果如下：

當溫度高于30℃時示波器輸出波形:

圖26溫度高于30℃輸出波形圖

• 結果分析
  

在單元電路連接與仿真測試中，發現了電路存在的一些誤差與不足。如在比較電路的設計時，發現通過滑動變阻器RV1并不能調節出所需的2.0V電壓，而只能調節出2.04V電壓。當溫度在10℃至30℃范圍內時，放大電路里電壓范圍為1.97-6.05V，存在一些誤差。在連接好整個電路進行仿真時，當放大電路在1.97-6.05V內調節時，比較電路的理論輸出電壓應為0V，但實際輸出電壓為0.29V。仿真時還出現了蜂鳴器不響的情況，經檢查將設定值改為3V后蜂鳴器才能正常發聲。

• 實物安裝
  

圖27正面實物圖圖28背面實物圖

• 調試
  

圖29實物分解圖

①紅色圓形：RV替代熱敏電阻采集溫度信號模擬電壓，方便調節

②綠色圓形：RV1滑動變阻器調節溫度下限

③綠色矩形：溫度低于下限則此蜂鳴器單頻報警“滴~滴”

④黃色圓形：RV2滑動變阻器調節溫度上限

⑤黃色矩形：溫度高于上限則此蜂鳴器雙頻報警“滴~嘟”

⑦紫色箭頭：接220V轉+12V電源適配器

⑧紅色箭頭：接220V轉+5V電源適配器

⑨黑色箭頭：接地

調試過程：

調節綠色圓形區域，使得電壓為2V(接近2v),此步驟為設置溫度報警器的溫度下限，2V對應溫度為10℃，如圖：圖28調試設置下限。

2.調節黃色圓形區域，使得電壓為6V(接近6v),此步驟為設置溫度報警器的溫度上限，6V對應溫度為30℃，如圖：圖29調試設置上限。

圖28調試設置下限

圖29調試設置上限

在調試中出現的很多問題:

•   開始蜂鳴器不響，經排查是一處地線沒連接，導致供不上電。連接后蜂鳴器正常了，但是無法出現想要的結果，然后調節可變電阻，設置溫度上下限，電路正常工作。
•   開始電源都選用12v，電路在短時間里可以工作，但時間一長NE555芯片發燙，整個電路電壓不穩定、起伏大，導致熱敏電阻擊穿；電源都選用換用5v,放大電路和比較電路，電壓達不到所需要求。最后選用12V和5V電壓同時使用:放大電路和比較電路使用12v電源,報警電路使用5V電源。
•   因為電源選用不當導致已有熱敏電阻擊穿，整個電路無法正常工作；經過再三思索，采用多余的1K滑動變阻代替1K熱敏電阻，和仿真統一。
  
  • 測試結果
    

該實物可以實現，當（通過電壓的變化來模擬溫度的高低）溫度在10度至30度范圍內(允許誤差士1度)時報警器不發聲響，當溫度超過這范圍時，報警器發出聲響，并根據不同音調區分溫度的高低：

當溫度低于10時，報警器發出兩種頻率交替的“嘀”聲響。

當溫度高于30時，報警器發出兩種頻率交替的“嘀-嘟”聲響。

以上內容的Word格式文檔51黑下載地址：

小惜自制溫度報警器51hei設計51hei書.docx (1.89 MB, 下載次數: 38)