上下限越限声光报警电路设计说明

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2015年7月15日
课程设计说明书
学校代码： 10128 学 号： 201220302029
题 目：高、低限越限声光报警器电路设计 学生X X ： 孙 振 山
学 院： 机械学院
班 级： 测控12-2
指导教师： 徐永祥 徐刚
摘要
声光报警电路被广泛用于生活和工作当中，用发光和发声等信号来提醒人们。

温度报警电路中温度检测是重要的一环。

将现场温度控制在一定围，是在各种实际应用的重要保证和前提。

因此温度检测系统在工业控制领域中十分重要。

本论文主要是针对被测量是温度的高低限越限声光报警设计。

电路主要由检测电路，放大电路、比较电路、报警电路三部分构成，论文分别针对每一部分的电路进行了展开设计。

检测电路采用热敏电阻接在电桥放大电路中，将输出送入到电压比较电路中，电压比较电路采用的是窗口电路。

电桥电路的输入值和比较电路的阈值进行比较，如果不在设定的阈值围，将会输出高电平触发报警电路，报警电路由555定时器和扬声器、二极管构成。

得到高电平信号后扬声器会发出一定频率的声音，二极管会被点亮实现声光报警。

此系统的设计可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域，将来也可以渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动各行业的技术改造和产品的更新换代，相信会有较好的应用前景。

关键字：热敏电阻；越限报警；温度检测；声光报警
Abstract
The alarm circuit is widely used in our daily life and work, reminding peoplewith the light and sound signals.Temperature detection is an important part in temperature alarm circuit.Keeping the temperature onspot in a certain range is a key guarantee and premise of various practical applications.Therefore, temperature control system is very important in industrial controlling area.
This thesis is mainly aimed at the measurement of the high and low limit of the temperature of the sound and light alarm design. The alarm circuitis made by the detection circuit, the amplifying circuit, the comparison circuit and the alarm circuit.We design each part of the circuit in detail.The detection circuit contacts the thermistor in the electric bridge amplifying circuit and the output is fed into the voltage comparator circuit, which used the window circuit.The input value of the bridge circuit is compared with the threshold of the comparison circuit. If it is out of thethreshold range, the high level trigger will be output to the alarm circuit, which is composed of 555 timer and speaker and diode.High level signal is obtained after the speaker will emit a certain frequency of sound, the diode will be lit to achieve sound and light alarm finally.
This system can be applied to the storagetemperature measurement, air-conditioning control in buildings, and productionprocess monitoring, and other areas. It can be widely used in common people’s life, where they work and live. It can be a strong impetus for the upgrading of technologyand products in many industries. It is bound to have a bright future.
Keywords: Thermistor ; Transcend range alarm ;Temperature detection;Sound and light alarm
目录
第一章概论1
1.1研究目的与意义1
1.2国外研究现状1
1.2.1 国外温度控制系统的发展情况1
1.2.2 国温度控制系统的发展概况2第二章温度检测声光报警器设计3
2.1总体设计方案3
2.2.1基于单片机的温度报警电路3
2.2.2基于热敏电阻的温度报警电路4
2.2温度检测电路的设计4
2.2.1 温度检测分类4
2.2.2 温度检测元件5
2.2.3电路设计与参数计算5
2.3比较电路的设计6
2.3.1 窗口比较器介绍6
2.3.2电位器6
2.3.3 电路设计与参数计算7
2.4报警电路设计7
2.4.1 越限报警原理7
2.4.2 555定时器8
2.4.3 扬声器9
2.4.4电路设计以与参数计算9
2.5总体电路结论11
第三章总结与展望11
3.1 课题研究成果11
3.2工作总结12
3.3展望13
参考文献13
第一章概论
1.1研究目的与意义
声光报警器（Audible and visual alarm）又叫声光警号，是为了满足客户对报警响度和安装位置的特殊要求而设置。

同时发出声、光二种警报信号。

报警器经常应用于系统故障、安全防、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域，如红外报警器、水位报警器和煤气感应报警器等。

本设计任务用数字电路、模拟电路与相关知识设计的报警电路，其结构简单、使用方便，如果将其连接不同的传感器，可以设计成各种不同用途的报警器。

而本文主要以温度检测为切入点，当温度超过设定的围时，会触发报警电路，实现声光报警功能。

可以应用于各种场合，如食品储存、植物养殖、大棚温度检测、火灾报警等。

随着科学技术的发展，报警器的应用也越来越广泛。

在汽车、摩托车、仓库大门以与家庭的保安系统中，几乎无一例外地使用了报警器电路。

随着人们生活水平的提高，人们对报警器的性能也提出了更高的要求，声光电报警器的使用简单，可靠性高，人们在日常生活中可以将声光报警器广泛的利用在很多领域，来提高自己日常生活的安全度。

温度报警电路的应用也相对广泛，针对这次的任务书，作者以温度为例设计高、低限越限声光报警器来检测温度的变化。

产品专用领域：银行，政府机关，邮政，电信，酒店，大厦，工厂商场商铺、别墅、ATM,周界防越系统与保安服务公司等；是消防火灾自动报警系统中的一个配件产品。

1.2国外研究现状
1.2.1 国外温度控制系统的发展情况
自70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以与自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。

在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器与仪器仪表，并在各行业广泛应用。

它们主要具有如下的特点：
1）适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。

2）能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。

3）能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。

4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工
智能等理论与计算机技术，运用先进的算法，适应的围广泛。

5) 温控器具有参数自整定功能。

借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数与特性进行自动整定的功能。

有的还具有自学习功能，能根据历史经验与控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。

6) 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。

目前，国外温度控制系统与仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。

1.2.2 国温度控制系统的发展概况
温度控制系统在国各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国生产的温度控制器来，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。

目前，我国在这方面的总体技术水平还处于 20 世纪80 年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制与常规的 PID 控制器为主，只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统。

而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国技术还不十分成熟，形成商品化并
广泛应用的控制仪表也较少。

目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面： 1)行业企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不强，制约技术发展。

2)商品化产品以 PID 控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。

目前，国企业复杂的与精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪表。

3)仪表控制用关键技术、相关算法与控制软件方面的研究较国外滞后。

例如：在仪表控制参数的自整定方面，国外己有较多的成熟产品，但由于国外技术
与我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自设定软件，控制参数大多靠人工经验与现场调试来确定。

这些差距，是我们必须努力克服的。

随着我国经济的发展与加入 WTO，我国政府与企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作与独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的发展。

第二章 温度检测声光报警器设计
2.1总体设计方案
2.2.1基于单片机的温度报警电路
如图2-1所示流程图。

其程序设计思想为：首先，利用温度传感器DS18B20对待测温度进行采样，并将采样值进行A/D 转换和数字滤波。

其次，将处理过的温度数字量与设定的温度越上限报警值相比较，如果越上限，就给越上限标志
位置 1，并输出声光报警信
号；否则，取设定的温度越
上限复位值。

接着，将温度
数字量与温度越上限复位值
相比较，如果小于该值，就复位上限，并将越上限标志位清零，撤消声光报警信号；
否则，返回主程序。

同理，
将温度数字量分别与越下限
报警值、越下限复位值相比较，来判断程序是否需要进
行越下限报警或者复位下
限。

最后，当上述报警程序
处理完毕后，返回主程序。

本方案以单片机为核心，组成一个集温度的
采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制
系统，其原理框图如图2一2所示整个电路是以
单片机为核心控制LCD 和报警电路，对温度传
感器检测的信号进行处理。

当采取多点测试时，
总体成本和效率会非常高。

图2-2 系统原理框图
图2-1 单片机温度报警流程图
2.2.2基于热敏电阻的温度报警电路
图2-3 系统原理框图
热敏电阻的温度变换·热敏电阻是非线性电阻,它的非线性表现在其电阻值与温度间呈数关系(电流随电压的变化不是线性的)·即用电阻-温度特性来表示热敏电阻RT随温度T的变化规律,一般通过对热敏电阻值的变化来间接测量环境温度，检测电路将阻值的变化通过电桥放大电路输出为电压值，送到比较电路和设定的阈值电压进行比较，如果超出设定的围将会输出相应的电平送到报警电路。

,以达到测量或控制温度的目的电路原理图如图2-3所示。

综合比较两种方案，若采用方案一，使用温度传感器，则需要设计信号调整电路，AD转换与相应的接口电路，才能把传感器输出的信号送到计算机里去处理。

这样，由于各种因素会造成较大的偏差；若检测环境复杂，测量点多，信号传输距离远与各种因素干扰，会使系统稳定性和可靠性变差；因为本文主要是想设计单点温度检测报警，只需要用热敏电阻的电路就比较简单，没有必要使用单片机去连接电路编写程序，工作量可能会小一些，而且价格也会相对比较便宜。

通过比较选择稳定性好、灵敏度高、体积小、输出信号大的热敏电阻作为温度检测的灵敏元件。

故选择方案二。

2.2温度检测电路的设计
2.2.1 温度检测分类
按温度的高低分类通常可以分为低温测量、中温测量、中高温测量。

（1）低温测量：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做热电阻传感器，按热电阻的性质可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。

电阻温度传感器广泛用于中、低温围温度测量，一般常用于﹣200～500℃，随着科学技术的发展，电阻温度传感器使用围也不断扩展，低温方面已成功地应用于 1～3K 的温度测量。

（2）中低温测量
集成温度传感器常用来进行中低温度的测量，尤其适用于室温环境中。

（3）中高温测量
2.2.2 温度检测元件
热敏电阻的电阻值具有随温度变化的特性,而且具有价格低、性能稳等特点,用它制成的温度传感器被广泛用于工业、农业、国防、科学技术和现代生活的各个领域·比如用于温度测量、度控制、温度补偿、稳压稳幅、自动增益调整、气压稳定、气体和液体分析、火灾报警、过负荷保护以与红外探测等，热敏电阻在温度检测与转换中的应用日益受到人们的重视。

热敏电阻由半导体材料制成,是一种敏感元件。

其特点是在一定的温度围，它的电阻率T随温度T的变化而显著地变化，因而能直接将温度的变化转换为电量的变化。

一般半导体热敏电阻随温度升高电阻率下降，称为负温度系数热敏电阻（简称“NTC”元件），其电阻率T随热力学温度T的关系为
，式中A0与B为常数，由材料的物理性质决定。

2.2.3电路设计与参数计算
温度检测电路部分一般
有桥式和分压式两种电路形
式,热敏电阻即为桥臂中的
一个,如图2所示[1],图中
UT为输出的随温度变化的电
压信号,RX为接入放大器的
输入电阻,一般满足RX>>RT,
而RT与R1、R2的阻值相近,令RX→∝,则输出电压UT的大小与热敏电阻阻值RT
的关系可简单表示为
（1）
式中,α=0时为分压式;a=R1/(R1+R2)时为桥式。

本文目标设计对温室大棚温度检测报警装置，根据资料显示，检测温度围是25℃~40℃，如检测温度不在围会触发报警装置，再进行其他的控制措施。

选用的热敏电阻是负温度系数的NTCmfh103-3950。

参照温度表可以得出25℃时电阻值是10KΩ，40℃时电阻值温度（℃）阻值（Ω）
25 10000
26 9566
28 8763
32 7379
36 6241
40 5316
图2-4 一般温度检测电路
表2-1 mfh103-3950R-T分度表
5.3164KΩ。

假设R1=R2，E=12V，在25℃时，RT=10KΩ，因为a=1/2,所以R/(RT+R)应大于1/2，所以取R=20KΩ。

将温度上下限的阻值分别带入式（1）中，可以得出输出的阈值上下限，25℃时，U1=2V,40℃时，U2=3.48V。

2.3比较电路的设计
2.3.1 窗口比较器介绍
窗口比较器是由一个反向输入差动任意电平比较器和另一个同相输入差动任意电平比较器适当地组合而成。

采用窗口比较电路作阈值开关可以检测电压等物理量是否超过上限和下限。

窗口比较器常用两个比较器组成（双比较器），它有两个阈值电压UTH（高阈值电压）与UTL（低阈值电压），与UTH与UTL比较的电压UI输入两个比较器。

若UTL≤UI≤UTH，Uout输出高电平；若UI＜UTL，UI＞UTH，则Uo输出低电平。

本文中两个比较器采用集电极开路集成电压比较器LM119，LM119为集电极开路输出，两个比较器的输出可以直接并联，公用外接电阻，实现“线与”，如图2-5（a）所示，所谓的线与，是指只有在比较器1和2的输出均为高电平时，Uo才为高点平，否则就是低电平的逻辑关系。

对于一般的输出方式的集成电压比较器或运放，两个电路的输出端不得并联使用：否则，当两个电路输出电压产生冲突时，会因输出回路电流过大造成器件损坏。

图2-5 （a）窗口比较器(b)输出波形
分析（a)所示电路，UTH>UTL，则当ui < UTL时，A1输出为高点平，A2输出为低电平，输出电压uo = 低电平；当UTH > ui > U TL时，A1 和A2的输出都是高点平，则输出电压uo 为高点平；当ui > UTH时，A1输出为低电平，A2输出为高点平，输出电压uo = 低电平，其电压传输特性如图2-5（b）所示。

2.3.2电位器
电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。

电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。

当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。

电位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。

后者可视作一可变电阻器。

电位器是可变电阻器的一种。

通常是由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠一个动触点在电阻体上移动，获得部分电压输出。

电位器的作用——调节电压（含直流电压与信号电压）和电流的大小。

电位器的结构特点——电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。

2.3.3 电路设计与参数计算
图2-6 窗口比较电路的设计
(2)
(3)
因为U TL=2V，设E=12V，则Uz=10V，稳压管型号Uz10bsc，封装DO-35
U TH=3.48V。

带入公式（3）求得K=0.148（K值由电位器控制调节温度上下限）。

稳压二极管的最小稳定电流和最大稳定电流（5~25mA），
U R=E-U Z=2V
因此Rmax=
Rmin=
因此取R8得阻值为100Ω
R1+Rp=1KΩ，Rp=148Ω，R1=852Ω。

当输入电压大于3.48V或者小于2V时，会输出高电平（12V）送到报警电路。

2.4报警电路设计
2.4.1 越限报警原理
越限报警是自动控制系统中最常见的一种报警方式，分为上限报警、下限报
警和上下限报警。

报警参数可以是被测参数、被控参数、输入偏差与控制量等；设需要判断的报警参数为X，该参数的上限值为Xmax，下限值为Xmin，则有如下三种越限报警情况：
（1）上限报警。

如果X>Xmax，则发出上限报警信号，否则不触发报警电路。

（2）下限报警。

如果X<Xmin，则发出下限报警信号，否则不触发报警电路。

（3）上下限报警。

如果X>Xmax，则发出上限报警信号；否则判断是否X<Xmin，若成立，则发出下限报警信号，否则否则不触发报警电路。

一般设计报警程序时，为了避免测量值在极限值附近来回摆动而造成频繁报警，因此在上、下限值附近设置了一个回差带，则越限报警围如图2-7所示。

图2-7越限报警X围
图2-7 中，H、L 分别为上限回差带宽和下限回差带宽。

当测量值超过 A 点（越上限报警值）时，才算越上限，设置相应的标志位，输出越上限报警信号；而当测量值回复到 B 点（越上限复位值）以下时，进行越上限复限，撤销越上限标志和停止报警。

同理，当测量值向下超过 C 点（越下限报警值）时，才算越下限，设置相应的标志位，输出越下限报警信号；而当测量值回复到 D 点（越下限复位值）以上时，进行越下限复限，撤销越下限标志和停止报警。

在上图中可以看出，被测信号如果不稳定，在界限周围不会持续很长时间。

所以采取延时的方法触发报警电路。

延时所选的器件为555定时器。

如果越上限或者下限超过设定的延时时间后才会触发报警电路。

如果再设定的时间由返回到上下限围，则不会报警。

2.4.2 555定时器
555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极
性工艺制作的称为555，用CMOS 工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555 定时器的电源电压围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在3~18V 工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

表2-2 555定时器的逻辑功能表
2.4.3 扬声器
扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、机、定时器等电子产品中作发声器件。

扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式（即动圈式）、静电式（即电容式）、电磁式（即舌簧式）、压电式（即晶体式）等几种，后两种多用于农村有线广播网中；按频率围可分为低频扬声器、中频扬声器、高频扬声器，这些常在音箱中作为组合扬声器使用。

这里利用的属于低频扬声器。

2.4.4电路设计以与参数计算
因为越限报警的界限可能会一定围发生波动，就像图2-5所示，所以需要一个延时的电路来消除抖动现象。

就是当温度在一个时间段一直超过设定的围，才会触发报警装置。

这个时间段就是利用555定时器设定的。

利用555定时器还有一个优点是扬声器发出的声音和二极管发出的光是有一定频率的，不是常响的刺耳的声音。

Tw 是响应的延时时间也叫暂稳态的持续时间，取决于外接电阻R 和电容C 的大小。

Tw=1.1RC 。

设定延时时间为5.5s,则R 10=500K Ω，C 1=10uf.报警的频率由电容的充放电时间决定， 充电时间+
-
--+
=T CC T CC V V V V C R ln
R T 12111）（
2ln )(1211C R R += 放电时间-
12100ln
T T T V V C R --=+
2ln 12C R =
故电路的震荡周期是T=T 1+T 2 振荡频率2
ln )2(1
11211C R R T f +=
=
取R 11=5K,R 12=10K,C2=1uf
则f =231Hz
报警电路可以实现消除“振铃”的功能，延时时间为5.5秒,当越限时间稳定后会触发报警电路。

扬声器的报警频率所示231Hz 。

图2-8 报警电路设计原理图
2.5总体电路结论
图2-9所示电路检测温度围时
25℃~40℃，适用于大棚温度的实时
检测报警。

UTH=3.48V,UTL=2V,若
检测温度不在围（25~40℃），检测
电路的输出电压值也不会再
2V~3.48V围，那么比较电路的输出
就会是低电平。

通过反相器之后变
为高电平（在比较电路之后的报警
电路需要高电平触发，而比较电路
的越限输出是低电平。

所以需要用
一个反相器相连），高点平会触发
第一个由555定时器构成的单稳态
触发器，VCC开始给电容C1充电，
3口输出为1，置位第二个555定时
构成的多谐振荡器。

开始驱动发光
二极管和扬声器，延时时间5.5s，扬
声器频率为231Hz。

最终实现声光报
警功能。

这个电路可以应用于大棚
温度的检测，仓库温度检测，温度
围可以通过滑动变阻器来设定。

图2-9 温度检测越限报警电路设计原理图
第三章总结与展望
3.1 课题研究成果
随着社会发展，一些新的电子技术产品越来越受人们青睐，就像报警器，应用广泛，成本低廉。

所以本文以高低限越限声光报警电路为课题进行设计研究。

本次的设计任务是1）具有信号检测与转换功能电路；（2）具有信号比较功能
电路；（3）具有声光报警功能电路;本篇文章设计了一个上下限可调的温度越限声光报警电路，完成了设计任务。

本论文针对高、低限越限声光报警电路设计与实现，具体做了以下几个方面的研究:（1）分析了当前国外研究的现状与特点，阐述了声光报警器必要性和现实意义;（2）就温度报警这一方面论述了分析了基于单片机的温度报警电路组成与其工作原理和基于热敏电阻的温度越限报警电路。

对比两种设计方案，最终确定以方案二进行设计;（3）方案二中电路主要由检测电路，放大电路、报警电路三部分，文章大部分容对器件的介绍选择，电路设计以与参数计算。

这个报警器由于制做简单,使用方便、造价低廉,不用交流电源且耗电极省,特别适合广大农户自制和使用。

3.2工作总结
对整个课题系统的设计与研究，主要按以下四个阶段进行。

第一阶段，对课题的分析研究与前期准备工作，包括课题的市场调研和系统的可行性分析，查阅相关资料、参考文献等容。

第二阶段，设计各个电路部分，包括流程图，方案比较选择。

选择最合理的方案和最适合的电路。

第三阶段，计算各部分电路的参数，进行验算整理。

第四阶段，将各部分电路进行整理，绘制总的电路图并进行仿真。

通过此次的科研训练，自己将之前的所学容进行很好的回顾和总结，将很多门的知识进行了融合整理。

将数电、模电、测控电路、传感器和电子仿真课上的知识进行运用。

最初遇到的问题，（1）信号检测电路和放大电路该如何联系，当找到到传感器上讲的电桥放大电路时恍然大悟。

（2）最初对于双限比较电路始终没能找到一个合适的电路，一般只是单限比较电路，后来联想到测控电路上的窗口比较电路，正好满足条件。

（3）流程图的绘制，在Visio中绘制流程图非常简便。

一开始不太熟练，通过练习几个流程之后，也很快熟悉了这个软件。

（4）电路的组合整理，因为本系统由三大模块组成，现有的资料知识针对其中一个或者两个模块进行论述的，基于对之前所学电子设计仿真课上的知识。

运用Altium Designer将电路进行了整理融合。

（5）论文的整理和排版，确实比之前论文排版水平又有了很大的提升。