温度报警器设计

温度报警器设计报告
一、设计任务与要求：
（1）温度报警器方案设计
温度0~100±1℃可测,小于10℃或大于30℃报警（LED亮）
①将被测温度（0～100℃）转换为电压值；
②小于10℃或大于30℃声、光报警（LED亮）；
③可采用箔电阻组成测量电桥；
二、设计过程：
1．设计思路
设计中首先利用基于热电偶效应的温度传感器LM35采集温度后，转变为相应的电压值，再经过运算放大器LM358，将待测电压值放大、输出，以便于检测、显示及控制。

显示电路是由A/D转换器及Led显示器构成的数字电路，控制电路是通过五个电压比较器与数字控制电路的组合来实现。

报警电路以555振荡电路及扬声器等器件为基础构成组成。

2．方案设计
图1 系统设计框图
如图1所示，系统由以下几部分构成：
温度测量电路、放大电路、电压比较电路、A/D转换电路、译码显示电路。

各部分电路的工作原理如下。

2.1 对温度进行测量
首先通过温度传感器采集温度，将温度值转换为相应的电压值输出。

2.2 温度控制
传感器的输出电压作为放大器输入信号，经同相运算放大电路进行放大后分别输出给多路电压比较器。

将要控制的温度所对应的电压值作为基准电压V
REF ，用实际测量值v
i
与V
REF
进行比较，比较结果（输出状态）输入数字控制电路，调节系统温度。

本题对温度的限定较多，需采用四个电压比较器，配合数字控制电路，实现由输出电平的变化来控制数模转换电路。

3．单元电路设计
3.1温度传感器
LM35是电压输出型集成温度传感器， LM35集成温度传感器是利用一个热电阻检测相应的温度。

LM35 无需外部校准或微调，可以提供±1/4℃的常用的室温精度。

•工作电压：直流4～30V；
•精度：0.5℃精度（在+25℃时）；
•比例因数：线性+10.0mV/℃；
•非线性值：±1/4℃；
•使用温度范围：-55～+150℃额定范围。

引脚介绍：①正电源Vcc；②输出；③输出地/电源地。

传感器电路采用核心部件是 LM35，供电电压为直流15V 时，工作电流为120mA，功耗极低，在全温度范围工作时，电流变化很小。

电压输出采用差动信号方式，由2、3 引脚直接输出，电阻R 为18K 普通电阻，VD为1N4148。

如图1。

此电路适用于测温范围为-55～+150℃场合。

LM35的线性度良好。

图2 传感器电路原理图
LM35温度传感器输出电压与摄氏温标呈线性关係，转换公式如式(1)，0℃时输出为0V，每升高1°C，输出电压增加10mV。

V
out_LM35
(T)=10mv/℃*T℃……(1)，即V=0.01T。

3.2运算放大电路
LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

4脚接地，8脚接Vcc。

运算放大器LM358放大5倍电压,即V=0.05T.
温度采集放大电路如图2。

图3 温度采集放大电路
3.3 A\D转换电路
AD转换电路采用ADC0809。

ADC0809是一种逐次比较型模数转换器件。

它是采用CMOS工艺制成的8位8通道A/D转换器，采用28只引脚的双列直插封装，其原理图和引脚图如图3所示。

各引脚功能如下：
（1）IN
0～IN
7
是八路模拟输入信号；
（2）ADDA、ADDB、ADDC为地址选择端；
（3）2-1～2-8为变换后的数据输出端；
（4）START（6脚）是启动输入端。

（5）ALE（22脚）是通道地址锁存输入端。

通常将ALE和START连在一起，使用同一个脉冲信号，上升沿锁存地址，下降沿则启动转换。

（6）OE（9脚）为输出允许端，它控制ADC内部三态输出缓冲器
（7）EOC——转换结束信号，高电平有效。

该信号在A/D转换过程中为低电
平，其余时间为高电平。

在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC 也可作为启动信号反馈接到START 端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。

图4 A/D 转换器原理图
主要特性:
1）8路输入通道，8位A ／D 转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs(时钟为640kHz 时) 4）单个＋5V 电源供电
5）模拟输入电压范围0～＋5V ，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度
7）低功耗，约15mW 。

启动
时钟
8
3位tef ref CC IN 3IN 4IN 5IN 6IN 72－V CC REF (＋2－210－1－2－3
－4－8
REF (－)
－6(b )(a ) 功能框图
引脚图
图5 A/D转换电路原理图
3.3 温度显示电路
显示器件分为数码管和液晶显示，本设计中采用的是Led数码管显示器。

LED显示器
（一）LED显示器结构
LED的主要部分是七段发光管，图3-15a是7段LED显示器的段排列结构图。

这七段发光管分别称为a/b/c/d/e/f/g,有的产品还附带有一个小数点DP，七段式发光管名称就是由此而来。

通过7个发光段的不同组合，可以显示0～9和A～F共16个字母数字，从而实现十六进制数的显示。

图6 LED显示器原理图
这里采用两个Led显示器。

配合7448显示译码器，将A/D输出的二进制数转换为7段数码显示。

同时，配合12进制计数器，达到每5度一档显示。

（二）计数器
单时钟同步十进制可逆计数器74LS290
图7 74290管脚图
图8 显示译码电路
3.4电压比较器
简单地说，电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电
压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高。

电压比较器的性能指标
(1）阈值电压(2）输出电平 (3）灵敏度 (4）响应时间
测量信号经放大后与比较器运放反相或同相输入端比较，利用电平的高低跳变，控制报警电路，加热以及降温电路。

本设计中采用LM139
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器。

该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；
2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；
3）对比较信号源的内阻限制较宽；
4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；
5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；
6）输出端电位可灵活方便地选用。

LM339集成块采用C-14型封装，图9为外型及管脚排列图。

图9外型及管脚排列图
单限比较器电路
图10单限比较器电路
比较器电路如下图：
电路图如下:
图13高温报警电路原理图
Ⅱ、低温报警电路
如图所示，两个555电路均为多谐振荡器。

适当选择定时元件，使f=1Hz。

由于低频振荡器A的输出接高频振荡器B的复位端，故只有u01输出为高电平时，B
振荡器才振荡，u01输出为0时，B停止振荡，使扬声器发出l kHz“呜呜”的间歇
声响。

工作波形。

其中，A片的4脚接比较器的输出。

当温度低于10℃时，555的A
片触发振荡，Uo1输出高低电平，控制B片，使报警器发出间歇的声响。

电路如图：
图14 低温报警电路原理图。