温度报警器报告

工程技术学院第x届电子设计类比赛

温度报警器报告

设计者：xxxxx

设计题目：温度报警器

一、功能要求

设计一温度报警系统，当周围温度上升至警戒温度（30摄氏度）时，系统能够通过喇叭发出警报。

二、方案设计与论证

温度报警系统组成框图如下图F-1

1.硬件框图以及简要原理概述

图F-1 温度报警系统组成框图

本电路由四个模块组成，基于PT100的温度传感器系统检测环境温度，其输出的电压经过比较器控制电路，当环境温度达到30度时，输出高电平驱动单电源运放构成的方波震荡电路，然后再由功率放大使喇叭发出声音。

I 温度感应模块的设计方案

本模块是是基于热敏电阻Pt100的温度检测电路，Pt100的电阻值会随着温度的变化而变化，故电源模块可设计一个横流源电路使得通过Pt100的电流恒定不变，这时当温度变化时Pt100的阻值发生变化，电压也就能发生相应的线性变化。只要通过对Pt100两端的电压进行处理就能测得外界环境的温度。

图2恒流源电路

本电路中恒流源电路是基于TL431稳压集成电路设计的高精度恒流源，电路图如图1所示。当TL431两端接上电压后其参考极将输出稳定的2.5V的电压，但是TL431的阴极和阳极不能直接接在电压上所以需要串上一个电阻进行分压，本电路中使其串上500Ω的电阻。当TL431的参考极和地端之间接上一个电阻时该之路的电流就是一个恒定的电流，这时再如图中所示接上一个处于放大区的三级管使其发射极和集极的电流近乎相等，这时通过连接在集极的Pt100热敏电阻的电流就是恒定值。由于通过Pt100的电流需要在1~1.5mA内，以及为了计算的方便，在本电路中理想情况下我们要使通过Pt100的电流约为1mA。

参数计算：用于分压的R1区标称值510KΩ。R2的阻值根据公式

I=V/R2，为标称值，于是直接选用标称值2.4KΩ的电阻。对于R5的阻值，考虑到Pt100两端的电势不宜太高（Pt100两端均与集成运放相连，如果接入集成运放的电压过高，接近电源电压12V或者输出电压接近12V 会使集成运放无法正常工作），以及三级管Q1需要工作在放大区，R5的值可相应取高点，大概可取2KΩ到8KΩ之内的阻值，这里取4KΩ进

行仿真。仿真时测得TL431参考极的电压为2.494V相当接近2.5V，通

过Pt100的电流值为1.028mA和1mA的差值在误差允许范围内，可通过后面信号放大模块中电位器的调节来进一步消除误差。故通过仿真电压模块和温度感应模块的参数设定恰当，电路能按照预先设定的状态工作。产生1mA的电路需要设定R2的阻值为2.5KΩ，但是没有2.5KΩ不是

隔离网络模块

为了使后面的模块不影响电源模块和温度感应模块的正常工作需要将

后面的模块和这两个模块隔离开来，一下设计了两种方案。

方案一：

图3隔离网络设计方案一

图2恒流源电路

该方案能将电源模块和温度感应模块和后面的模块彻底的隔离开来，减小误差，但是这样成本比较高，后面的信号放大模块和加减运算模块只需要两个集成运放，而LM358P一个芯片只集成了2个运放，如果隔离网络用掉3个运放就必须用掉5个运放，也就需要3个LM358P芯片，而这样还会剩余一个运放没有用上又照成了浪费，所以这个方案虽然能在很大程度上减少误差，但是制作成本比较高。方案二：

图4 隔离网络设计方案二

在方案一中我们使用了三个集成运放需要3个LM358P芯片，照成了浪费，为了节省成本减少了一个运放，这样整个电路只需要2个

LM358P芯片。考虑到把后端电路对前端电路照成的影响尽量减小，我们必须使经过Pt100的电流保持恒定，而且还要尽量和经过R2的电流相等，考虑到这两个因素去掉方案一中的第一个运放对这个电路的影响最小。故

综合考虑，选取该方案作为最终方案。

本电路中恒流源电路是基于TL431稳压集成电路设计的高精度恒流源，电路图如图1所示。当TL431两端接上电压后其参考极将输出稳定的2.5V的电压，但是TL431的阴极和阳极不能直接接在电压上所以需要串上一个电阻进行分压，本电路中使其串上500Ω的电阻。当TL431的参考极和地端之间接上一个电阻时该之路的电流就是一个恒定的电流，这时再如图中所示接上一个处于放大区的三级管使其发射极和集极的电流近乎相等，这时通过连接在集极的Pt100热敏电阻的电流就是恒定值。由于通过Pt100的电流需要在1~1.5mA内，以及为了计算的方便，在本电路中理想情况下我们要使通过Pt100的电流约为1mA。

II信号放大模块

由于热敏电阻Pt100的电阻对温度的改变量比较小只有几十欧姆的变化（Pt100分度表如表一所示），所以其两端的电压差相对来说是一个很小的值，所以需要对该电压信号进行放大。

由于Pt100在0度的情况下阻值为100Ω，通过1mA的电流后电压为0.1V，为了使其放大后的电压和标准的2.5V相减后输出0V 的初始电压，故该模块的放大倍数设置为2.5V/0.1V=25倍。但是由于电路中各个因素照成的误差的影响，需要在这个模块中添加一个电位器来调整放大倍数，实现调零作用，减少误差。

该模块中的阻值先安装理论上的25倍来设定，先令R7=R8+R13，R4=R6，根据公式，该运放的放大倍数为R7/R4，故取R7= R8+R13=25K Ω,R4=R6=1KΩ，R13使用5KΩ精准电位器，R8使用22 KΩ的电阻。通过仿真测得U3A的输出电压会随着R13阻值的变化而变化，当R13的阻值正大时输出电压减小，R13阻值减小时输出电压增大，输出电压可以调整到2.5V左右，故该模块工作正常，能实现设定的功能。

III比较器模块

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比较器模块如图所示，由一个358构成的比较器，2管脚由12V电

源经过1N4728 3V稳压二极管分压出3V的比较电压，当环境

温度达到30V时，由温度检测模块的7号管脚输出一个电压跟2

号管脚进行比较，当V3>V2,输出11V的高电平，反之输出0V的

低电平。

IV单电源产生方波模块电路

工作原理：

因为矩形波电压只有两种状态,非高即低,所以电压比较器是产生方波重要的环节，如上图所示，由LM358AN运算放大器和电阻，电位器，电容等组成一个单电源供电的三角、方波发生器。左边的LM358AN一端接电源，另一端接地，构成了单电源供电的条件。首先通过一个积分电路得到三角波，然后再用比较电路得到了方波。电位器则是通过改变阻值来实现波形斜率和幅值的可调。R4C1回路既作为延迟环节又作为反馈网络,通过R1C1充放电实现输出的自动转换C1和R4 的充放电使右边的LM358AN起震动经过迟滞电路整形形成方波

调节C1 和R4 可以改变方波（三角波）的周期方波的振幅=电源电压方波的振幅=电源电压

三角波的幅值=[R3/(R3+R2)]*电源电压

T=2R1C1 ln(1+2R3/R2) 所以Rw=5K