“模电”课程设计任务书

                                                   简易测温电路

2018 年 01 月 15日
目录
1. 设计任务描述  ………………………………………………… - 1 -
1.1 设计任务 ………………………………………………… - 1 -
1.2 设计要求 ………………………………………………… - 1 -
1.3 设计目的 ………………………………………………… - 1 -
2. 设计思路      ………………………………………………… - 1 -
3. 设计框图      ………………………………………………… - 2 -
4. 各部分电路设计及原理分析  ………………………………… - 3 -
4.1 输出信号电路  …………………………………………  - 3 -
4.2 比较器    ………………………………………………  - 3 -
4.3 模拟电路图    …………………………………………  - 4 -
4.4 扩展模块  ………………………………………………  - 6 -
    4.4.1 报警电路     …………………………………… - 6 -
    4.4.2 散热电路     …………………………………… - 8 -
    4.4.3 显示电路    …………………………………… - 10 -
 4.4.4 电源电路    …………………………………… - 14 -
5. 工作过程分析   ……………………………………………… - 16 -
6. 实物电路图     ……………………………………………… - 20 -
7. 元器件清单     ……………………………………………… - 24 -
8. 主要元器件介绍 ……………………………………………… - 26 -
9. 小结  …………………………………………………………  - 28 -
10.参考文献 ……………………………………………………  - 29 -
11.附录：简易测温电路 ………………………………………  - 29 -

 

1.设计任务描述

1.1 设计任务

    根据要求，完成对简易测温电路的仿真设计、装配与调试。  

1.2 设计要求

① 设计一简易测温电路，要求含有电桥式测量电路以及预放大电路，每增高10℃用多点亮一个 LED 表示，测量范围为 20℃-50℃，当温度高于 50℃时由蜂鸣器报警。
② 选择电路方案，完成对电路的设计。
③ 基于 Multisim 设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作基本原理并仿真实现系统功能。
④ 基于面包板或万能板搭建实物电路，布局布线整洁合理，连线牢固可靠，并调试通过。
⑤ 按规范要求格式完成课程设计报告。
⑥ 制作 PPT，配合实物演示，完成验收及答辩。      

1.3 设计目的

①掌握比较器、热敏电阻传感器的构成、原理与设计方法;        ②熟悉模拟元件的选择、使用方法。    

2.设计思路

    设计简易测温电路，温度变化，由LED指示灯显示。我设计的是20ºC时1个灯亮；30ºC时2个灯亮；40ºC时3个灯亮；50ºC时4个灯亮。由于模拟仿真中没有热敏电阻，所以用滑动变阻器代替。
    基本模块由两个部分组成：输出信号电路和基于LM324运放的电压比较电路（注意：这里的运放LM324不能引入负反馈环节，此时运放工作在非线性区，不起放大作用，只起到比较电压的作用）。输出信号电路采用电桥输出，通过调节滑动变阻器的阻值，改变输出电压的大小。将输出信号接到LM324的同相输入端，当LM324的同相输入端的输入电压大于反相输入端，则LM324的输出为UOH，LED亮；反之，当LM324的同相输入端的输入电压小于反相输入端，则LM324的输出为UOL，LED不亮（这里的UOH、UOL由运放的供电电压决定，LM324为双电源供电）。
    扩展模块由三部分构成：显示电路、报警电路、电源模块
 

3.设计框图

   

4.各部分电路设计及参数计算

   

4.1 输出信号电路

输出信号电路仿真图       输出电压   ①当R16为10%，即R16=10kΩ时，Uout1=2V；
②当R16为20%，即R16=20kΩ时，Uout2=3.6V；
③当R16为30%，即R16=30kΩ时，Uout2=4.286V；
④当R16为40%，即R16=40kΩ时，Uout2=4.667V；

 

4.2 比较器  

                                      比较器电路仿真图


设运放的 3 引脚电压为 V3 ，运放的 2 引脚电压为 V2 。
当 V3>V2 时， LED 导通，灯亮；
当 V34.3 模拟电路图       

4.4 扩展模块 

4.4.1 报警电路

                            报警电路仿真图

①主要器件介绍
A.LM358：运算放大器（用于电压跟随器）
B.2N222：三极管（用于放大信号，驱动蜂鸣器工作）
C.BUZZER（蜂鸣器）


    Multisim中蜂鸣器有三个参数，频率主要决定蜂鸣器的声音的高低，频率高则声音高；电压和电流是蜂鸣器工作的条件，只有满足要求才能发出声音。

②功能：报警电路部分主要是防止温度过高，当温度高于阈值温度40ºC或发生火灾时，蜂鸣器长鸣以警示工作人员

③原理：图中左边部分是由LM358构成的电压跟随器，右边部分是由2N222构成的蜂鸣器驱动电路，输入信号端接在LED3。
    当温度低于40ºC时，LED3不发光，此时LED3的电位（非接地端电位，下同）低于0，信号经电压跟随器再到2N222输入端，由于2N222的基极B的电位低于发射极E电位，三极管不导通，所以蜂鸣器不响；
    同理，当温度高于40ºC时，LED3发光，此时LED3的电位高于0，信号经电压跟随器再到2N222输入端，由于2N222的基极B的电位高于发射极E电位，三极管导通，所以蜂鸣器发出长鸣，起到报警的功能；
    图中采用电压跟随器的原因是提高LED3输出端的带载能力，若不接电压跟随器部分，直接将信号输入到2N222的输入端，那么2N222则相当于接在LED3两端的负载，LED3带载后的电位就有可能过低，导致三极管的基极电位不能比发射极电位高出一个PN结的导通压降，可能会出现即使LED3发光，但由于带载后电位降低，使得三极管截止不能驱动蜂鸣器长鸣报警这种情况。而电压跟随器具有输入阻抗大，输出阻抗低的特性，可以提高带载能力，使得输出电压不受后级电路阻抗的影响，前后级电路之间互不影响。

④仿真结果
LED3亮，蜂鸣器报警；LED3不亮，蜂鸣器不发声。
 

4.4.2 散热电路

①主要器件介绍（无）  注：图中电风扇用发光二极管代替

②功能：散热电路部分主要是降低温度，当温度高于阈值温度40ºC或发生火灾时，驱动直流电机带动风扇进行散热，达到自救的功能

③原理：要使电机M运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如 当Q3管和Q8管导通时，电流就从电源正极经Q3从左至右穿过电机，然后再经Q8回到电源负极。电机顺时针转动。当三极管Q4和Q7导通时，电流将从右至左流过电机，驱动电机逆时针方向转动。

④仿真结果
    LED3亮，电动机转动；LED3不亮，电动机不转。 注：在答辩课上，与老师讨论了这一方案，发现人为将三极管Q5的基极置于低电平，导致晶体管始终处于截止状态，集电极就相当于接到Vcc，晶体管Q3的发射结就导通，导致Q3管始终处于导通状态，浪费资源。所以此方案有待改进。

4.4.3 显示电路   

                                    显示电路仿真图 ①主要器件介绍
A.74LS08：与门
B.74LS32：或门
C.74LS04：非门
D.74LS48：译码器


    74LS48译码器是输出高电平有效的译码器，有DCBA四个输入端，为8421码。若高电平信号从不同的接线端输入，则代表着不同数字，DCBA分别代表数字8、4、2、1；若低电平信号输入，则四个输入端都代表数字0。译码器就是通过ABCD的高低电平来控制数码管的显示，例如：A为高电平，BCD为低电平，则表示十进制“1”，因此数码管显示“1”（输出端接数码管）
E. 七段数码管（共阴）：用来显示温度

②功能：显示电路部分主要是将温度测量模块测得的温度通过七段数码管以数字的形式显示出来

③原理：图中开关S1～S4分别对应温度测量模块的4个发光LED灯（从左到右）。S1闭合，则代表LED1亮；S2闭合，则代表LED2亮；以此类推。然后将信号通过与门、或门、非门的一系列数字处理，再将处理结果输入到译码器，从而实现了不同情况对应着不同输出，也就通过七段数码管显示出不同的数字，既而实现了将温度以数字的形式显示出来。以下是逻辑推理（ABCD代表译码器的ABCD四个输入端，abcd代表开关S1～S4或者LED1～LED4）       显示数字 拆分 2（LED1亮） 2 3（LED2亮） 2+1 4（LED3亮） 4 5（LED4亮） 4+1       A（1）；LED2亮，同时LED3不亮，此时需要数字1；LED4亮，也需要数字1
B（2）：只要LED3不亮，就需要数字2
C（4）：只要LED3亮，就需要数字4

④仿真结果
                            开关S1闭合（LED1亮，20ºC）

                       开关S1、S2闭合（LED1、LED2亮，30ºC）

                开关S1、S2、S3闭合（LED1、LED2、LED3亮，40ºC）

                            开关全闭合（LED全亮，50ºC）
       

4.4.4 电源电路

                                        电源电路仿真图


①主要器件介绍
A.3N259：整流桥堆
B. LM317：三端稳压芯片

②功能：电源电路部分主要是为整个基础功能和扩展功能电路提供直流电源。 

③原理：降压变压器将市电220V，50Hz的交流电变为到电压值较低的交流电。变压器二次电压经过3N259整流桥堆整流后，从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。为了减小电压的脉动，需通过滤波电路滤波，使输出电压平滑。交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之改变。LM317单端稳压芯片的功能是使得输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

④仿真结果

   在输出端负载上获得接近于12V的直流电源        

5.工作过程分析

    （1） 滑动变阻器为10%时            
                Eout1                                                  UR31
 
一个灯亮

（2）滑动变阻器为20%时
                  
                      
                 Eout2                                                  UR32 两个灯亮
（3）滑动变阻器为30%时
                      
                 Eout3                                                  UR33

 
三个灯亮

（4）滑动变阻器为40%时
                  
               
                 Eout3                                                  UR33
 
四个灯亮，蜂鸣器报警    

6.实物电路图

6.1 基本功能实现


模拟20度时，一个LED（上方部分）亮。
 
模拟30度时，两个LED（上方部分）亮。
 
模拟40度时，三个LED（上方部分）亮，蜂鸣器报警。
        模拟50度时，四个LED（上方部分）亮，蜂鸣器报警。 6.2 拓展功能实现
（1）散热电路
 
    当温度达到40度（实物搭建时将报警及散热电路接在40度输出）时，下方LED点亮代表电机转动，但是接上直流电机时发现电机不会转动，测得电机电压符合标准值但是电流过小，因此该散热电仍需要改进。
注：在答辩课上，与老师讨论了这一方案，发现导致电流不够的原因可能是因为在选择购买功率管的时候没有考虑到实际元件的参数，（实物搭建用的是8550）所以导致电流不够大。

（2） 电源电路
    该实物电路供电均采用仿真所设计的电源供电，因此电源电路能够达到所需要的要求。
（3）数码管电路
    由于多次搭建失败，未能达到预期要求，且课设时间有限，因此最终未能完成该部分电路，有待今后继续研究。    

 

 

7.元器件清单

序号 原件 型号 数量 1 芯片 LM324AD 4 2 电阻 金属膜电阻200Ω/0.5W 14 3 电阻 金属膜电阻 1kΩ/0.5W 9 4 电阻 金属膜电阻 10kΩ/0.5W 4 5 电阻 金属膜电阻 100Ω/0.5W 4 6 电阻 金属膜电阻 5kΩ/0.5W 1 7 电阻 金属膜电阻 110Ω/0.5W 1 8 电阻 金属膜电阻 240Ω/0.5W 1 9 滑动变阻器   6 10 电容 铝电解电容 0.33μF/16V 1 11 电容 铝电解电容 470μF/16V 1 12 变压器 19:1 1 13 LED 红 {MOD} 1 14 LED 绿 {MOD} 1 15 LED 蓝 {MOD} 1 16 LED 黄 {MOD} 1 17 蜂鸣器   2 18 芯片 2N2222 2 19 芯片 LM358AD 1 20 芯片 整流桥3N259 1 21 芯片 LM317AH 1 22 芯片 74LS04D 1 23 芯片 74LS08D 1 24 芯片 74LS32D 1 25 开关   4 26 芯片 74LS48D 2 27 芯片 2N5551 2 28 芯片 2N3702 2 29 芯片 2N2222A 2 30 二极管 1N4148 4

8.主要元器件介绍

    LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。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上图所示的符号来表示，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相位相反;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。
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
    封装类型:SOIC
    3dB带宽增益乘积:1.2MHz
    变化斜率:0.5V/μs
    器件标号:324
    器件标记:LM324AD
    增益带宽:1.2MHz
    工作温度最低:0°C
    工作温度最高:70°C
主要特性：
    短路保护输出
    真正的差分输入级
    单电源供电：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A）
    低输入偏置电流：100 nA最大值（LM324A）
    每个封装有4个放大器
    内部补偿
    共模范围扩展至负电源
    行业标准的引脚分配
    输入端的ESD钳位提高了可靠性，且不影响器件工作
    提供无铅封装      

9.小结               

1.优点：基本实现了课程设计的要求，还加入了不同的扩展功能 
2.缺点
①显示温度模块不能实现温度的连续性显示，只能显示一些分立的温度值；
②散热模块未能达到预定的效果，流过电机的电流多小，可能是功率管的选择不恰当。
3.感想：
    在这次的课设中，我担任了小组组长，主要负责了电路的设计仿真和搭建测试电路工作。虽然作为组长，不可避免的承担了大部分的工作，但是在繁重的工作中，我收获到了很多在课堂上无法得到的知识，自己的动手能力也得到了提高。这次课设的结果还算是比较满意，学到了很多，明白了仿真与实际的有着很大的差距，同时对电子技术这一门课程有了更深刻的认识。
 

10.参考文献

1.简易测温电路
2.较大功率的直流电机H桥驱动电路的设计方案
3.直流稳压电源Multisim仿真
4.智能照明LED灯显示与报警电路设计
 

11.附录：简易测温电路

 

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