实用压力检测与报警系统设计

压力检测与报警系统设计参赛学院：电气与信息工程学院参赛队号：队员姓名：景世广汪炜炜赵海东目录设计摘要 (1)引言 (2)一方案设计与论证 (2)1.1总体方案设计与比较 (2)二模块电路设计 (4)2.1电源模块电路设计 (4)2.1.1电源模块电路设计原理 (4)2.1.2电源模块电路图 (5)2.2放大及滤波模块电路设计 (6)2.2.1放大模块电路图 (6)2.2.2 滤波模块电路图 (7)2.2.3 放大及滤波模块电路图 (9)2.3 声光报警模块电路设计 (9)2.3.1 声光报警模块电路设计原理 (9)2.4 数码显示模块电路设计 (11)2.4.1 数码显示模块电路图 (11)三结论 (12)附件1(压力检测与报警系统设计完整电路图) (13)附件2（压力检测与报警系统设计元器件清单列表） (14)参考文献 (15)压力检测与报警系统设计设计摘要：本设计分四个模块：电源模块、放大及滤波模块、声光报警模块和数码显示模块。

本电路应用压力传感器采集电压的微小变化，经过放大滤波电路的放大滤波后送入A/D转换芯片ICL7107，对输入电压信号进行转换，转换成数字量输出，显示模块直接连接数码管构成，显示实际测量值。

同时根据输出，自动判断出所加压力的大小来改变量程，实现自动换挡。

外部电路非常简单，方便制作。

一方案设计与论证1.1 总体方案设计与比较方案一：通过压力传感器产生电压信号，经放大及滤波电路把信号放大滤波后输入A/D转换芯片ICL7107进行A/D转换，由于此芯片可直接驱动数字显示模块，故转换后的数字量直接用数码显示器进行显示。

另外，当压力超过预设值时系统会声光报警。

此方案的优点是外部电路非常简单，同时能实现较高的精度。

缺点是无法对A/D转换进行控制。

其电路方框图如图1.1所示：图1.1 方案一方框图方案二：通过压力传感器产生电压信号，经放大及滤波电路把信号放大滤波后输入A/D转换芯片AD7799进行A/D转换，转换后的数字量输入单片机，由单片机进行数据处理和对A/D转换的控制，再由单片机输出显示信号，通过显示电路进行显示。

另外，通过单片机输出控制信号可以更好的控制声光报警系统。

此方案的优点是可控制性好，电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限，另外设计要求明确说明设计方案中不能使用单片机、可编程逻辑器件等可编程器件，故我们弃用此方案。

其电路方框图如图1.2所示：图1.2 方案二方框图二模块电路设计本设计是以A/D转换芯片ICL7107为核心，包括电源模块、放大及滤波模块、显示模块和声光报警模块。

2.1 电源模块电路设计根据设计要求整个系统供由220v交流，设计5v的直流输出电路。

2.1.1 电源模块电路设计原理交流220V转直流5V电路由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，其方框及波形图如图2.1.1所示。

图2.1.1 电源模块方框及波形图变压器的作用是将较高的交流电压U1变换成较低的交流电压U2，整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。

滤波电路一般由电容组成，其作用是将脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。

由于得到的输出电压U4易受负载、输入电压和温度的影响而不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U5。

2.1.2电源模块电路图考虑到压力传感器、运算放大器和A/D转换器的工作电压，集成三端稳压芯片采用LM7805CT和LM7905CT，其具有较高精度且塑料封装价格便宜，加上电容滤波可以同时为整个系统提供稳定的±5V直流稳压电源，同时绿色LED1灯可以监测电源模块电路是否工作正常，其电路图如图2.1.2所示。

经Multisim电路仿真软件模拟后，本电路完全符合设计要求。

图2.1.2 电源模块电路图2.2放大及滤波模块电路设计根据设计要求放大电路的放大倍数在200以上，低通滤波截止频率为50HZ。

2.2.1放大模块电路图通过比较我们决定采用运放精度较高的OP1177AR运算放大器组成仪用放大器电路，其电路图如图2.2.1所示。

其中放大系数)21(1234R R R R A v +-= 题目要求 200>v A ，则由200)21(1234>+R R R R 可取K R 104=，K R 6.53=，K R 6.52=，Ω=1001R 代人求得8.201=v A2.2.2 滤波模块电路图滤波模块电路采用有源低通滤波器电路设计，其电路图如图2.2.2。

图2.2.1放大模块电路图图2.2.2 滤波模块电路图其放大倍数为431R R A A up uo +==，特征角频率为212121C C R R o ∙∙∙=ω， 取R R R ==21，C C C ==21则 CR o ∙=1ω。

品质因子up A Q -=31，取2=Q 时o H f f =，可得586.123=-=up A ，即586.043=R R ；由Hz f H 50=得5021=RCπ，即31018.3-⨯=RC 。

考虑元件取K R 6.53=，K R 104=，K R 10=，uf C 33.0=截止频率理论值为Hz RC f H 25.481033.01010212163=⨯⨯⨯⨯⨯==-ππ。

但实际通过Multisim 电路仿真软件模拟后，发现此电路低通滤波的截止频率为67Hz 。

其Multisim 电路仿真频域图如图2.2.3所示。

这个结果与题目所要求的低通滤噪截止频率不符，通过利用Multisim 电路仿真软件对电路参数修改，当将电容C1、C2均改为430nF 后其滤波电路的低通滤噪截止频率近似为50Hz 。

修改后的滤波模块电路图如图2.2.4所示，图2.2.3Multisim 电路仿真频域图图2.2.4修改后的滤波模块电路图其Multisim电路仿真频域图如图2.2.5所示。

图2.2.5参数修改后的Multisim电路仿真频域图2.2.3 放大及滤波模块电路图在整个放大滤波后电路输出电压为负值所以应该加一级反向放大电路，要求其放大系数为1。

整个放大滤波模块电路图如图2.2.6所示。

通过Multisim 电路仿真软件对放大滤波模块电路仿真后得到其放大倍数315=u A ，低通滤波的截止频率为50Hz ，完全符合设计要求。

2.3 声光报警模块电路设计 2.3.1 声光报警模块电路设计原理声光报警电路利用电压比较器将输入电压与基准电压比较，当i V >ref V 时，电压比较器输出+5V 直流电压，激发由LM555CM 组成的多谐振荡电路产生频率为Hz f 10=周期方波信号来驱动发光二级管和蜂鸣器工作。

因其方波频率121)(43.1C R R f ∙+=，故取Ω=K R 221，Ω=K R 112，uF C 3.31=。

通过Multisim 电路仿真软件对多谐振荡电路仿真模拟后得到的波形结果完全符合设计要求。

其由LM555CM 组成的多谐振荡电路仿真振荡波形如图2.3.1所示。

压力传感器的输出电压V<1mv ，整个放大滤波电路的放大系数为315=u A ，所以放大滤波电路的最大输出电压为315mv 。

电压比较器的基准电压采用ΩK 2的可调电阻与ΩK 22电阻串联其调节范围为0～416mv,所以通过可调电阻R5可以任意设定声光报警电路的报警工作电压。

其声光报警模块电路图如图2.3.2所示。

图2.2.6放大滤波模块电路图图2.3.1 由LM555CM组成的多谐振荡电路仿真模拟振荡波形图2.3.2声光报警模块电路图2.4数码显示模块电路设计2.4.1 数码显示模块电路图数码显示模块我们采用ICL7107 芯片直接驱动数码管显示。

ICL7107是美国Intersil公司专为数字仪表生产A/D转换芯片。

该芯片集成度高,转换精度高,抗干扰能力强,输出③积分电容CINT可直接驱动发光数码管,只需要很少的外部元件,就可以构成数积分电容。

其数码显示模块电路图如图2.4.1所示。

2.4.1 数码显示模块电路图关于数码显示模块电路模数（A/D）转换芯片ICL7107的几个参数选择说明：1、参考电压：由于该芯片产生满量程的读数输出时需要的模拟输入电压为Vin=2Vref，题目给出压力传感器的输出电压V<1mv，整个放大滤波电路的放大系数为315倍，则芯片的满量程电压应该为315mv ，所以芯片的参考电压应该选取为Vref=157mv。

2、振荡器元件：本设计采用此芯片推荐的常用的48KHz 的振荡频率（每秒显示三次读数），由公式RCf 45.0 ，则取振荡电阻R=100k ,C=100pf 组成振荡电路。

3、积分电阻与积分电容：本设计的积分电容与积分电阻均采用此芯片典型应用时的取值，此时芯片处于最佳应用状态也符合本设计要求，故不去改变其参数。

三 结论通过几天的努力，已经完成了压力检测与报警系统电路的设计。

在本设计中我们利用仪用放大电路对信号放大，有源低通滤波电路进行滤波，用LM555CM 电路组成多谐振荡电路产生10Hz 的振荡信号驱动蜂鸣器和发光二极管闪烁，采用了ICL7107 A/D 转换芯片驱动数码显示电路。

在设计的过程中大量采用Multisim 仿真软件进行电路仿真，这为设计工作带来很大便捷。

通过仿真模拟，证实了我们所设计的系统电路是可行的。

通过本次设计我们认识到，平时学习的理论知识对实践的重要性，同时也发现了自己在诸多方面存在的许多问题，可以说本次设计过程使我们受益匪浅。

附件1(压力检测与报警系统设计完整电路图)附件2（压力检测与报警系统设计元器件清单列表）运算放大器 OP1177AR6个可调电阻 2KΩ1个1 KΩ 1个蜂鸣器1个A/D转换芯片 ICL71071个共阳极数码管 4个555电路 LCM555CM 1个电阻 22 KΩ 5个11 KΩ 1个10 KΩ 1个5.6 KΩ 5个47 KΩ 1个100 KΩ 1个1M Ω 1个330 Ω1个300Ω 1个陶瓷电容 3.3uf 1个0.22uf 1个10nf 1个0.43uf 2个100pf 1个0.1uf 1个0.47uf 1个0.01uf 1个0.1uf 2个电解电容 3.3mf 2个整流二极管 1N4001 4个发光二极管绿色1个红色 1个三端稳压器 LM7805CT 1个LM7805CT 1个三极管 2N2219 1个参考文献《模拟电路基础技能实训教程》孙余凯吴鸣出电子工业出版社；《电子技术应用》梁伟洋冯祥国防科技大学出版社；《电子综合设计实验教程》元红妍山东大学出版社；《电子技术基础》康华光高等教育出版社；《电子及电力电子器件实用技术问答》方大千金盾出版社。