小惜自制NE555+LM324温度报警器资料

• 用压电陶瓷蜂鸣器作为电声元件。
• 当温度在10度至30度范围内(允许误差士1度)时报警器不发声响，当温度超过这范围时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即：
  

(1)当温度高于30时，报警器发出两种频率交替的“嘀-嘟”声响。

(2)当温度低于10时，报经区发出单频串声响。

3、温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0度为0mv,温度每上升1度，递增2mv。

• 设计并制作电路所用直流电源。
  

• 系统设计
  

根据其项目的要求要有电源的提供，即直流电源电源部分设计。

当温度在10℃至30℃范围内时报警器不发声响。当温度超过这范围时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即低温单频报警电路设计和高温双频报警电路设计。

温度传感器输出电压可由直流信号源模拟，以0℃为0mv，温度每上升1℃，递增2mv；所以要把直流小电源放大到所需求的范围，可见要有比较器和放大器的组成部分，即放大电路设计和比较电路设计。

根据所学的知识就可以使用555定时器的功能和LM324四运放集成电路可以实现自制温度报警器设计与制作。

图1系统框图

本次温度报警电路的设计我们用蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过电压的变化来模拟温度的高低，以0℃为0mV，温度每上升1℃，递增2mV；由于变化的电压值较小，所以我们采用放大电路对其进行放大100倍，然后通过后级比较电路对电压进行比较，当温度在10℃至30℃范围内（即电压在20mV至60mV时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，即当接收到的输入电压（前级放大器的输出）小于2V（10℃时放大器的输出为2V）或者大于6V时（30℃时放大器的输出为6V），输出高电平以驱动后级的发生报警电路，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即当温度高于30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀---嘟”声响；当温度低于10℃时，报警器发出单音频率声响。

根据以上电路的构思，总电路可分为四大部分：电源电路、放大电路，比较电路，以及报警电路（报警电路分：低温单频报警电路和高温双频报警电路）。

• 工作原理
  

温度报警电路的设计我们用蜂鸣器作为报警电路的电声元件，通过热敏电阻采集温度，以0℃为0mV，温度每上升1℃，递增2mV；由于变化的电压值较小，所以我们采用放大电路对其进行放大100倍。然后通过比较电路对电压进行比较：

当温度在10℃至30℃范围内，即电压在20mV至60mV时报警器不发声响；

当温度超过这个范围时：①当接收到的输入电压（前级放大器的输出）小于2V（10℃时放大器的输出为2V），输出高电平以驱动后级的发生报警电路，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低，即当温度低于10℃时，报警器发出单音频率声响;②当接收到的输入电压（前级放大器的输出）大于6V时（30℃时放大器的输出为6V），输出高电平以驱动后级的发生报警电路，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低即当温度高于30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀---嘟”声响。

电路所需的直流电压由两个电源适配器分别提供:

•       输入220V  输出12V
•           输入220V  输出5V
  

• 元器件介绍
  

• NE555
  

NE555电路的工作原理

555电路的内部电路方框图如图2所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KQ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚)，平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

         图 2 工作原理图图 3 引脚图

引脚功能如下：

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地

2脚：低触发端

3脚：输出端Vo

4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平

5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰

6脚：TH高触发端

7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电

8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V

555定时器应用：

555定时器构成多谐振荡器

由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、Rz向C充电，以及C通过Rz向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。

图4多谐振荡器图5多谐振荡器波形图

2.LM324

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。

图6原理图图7引脚图

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或±16V.

LM324的特点如下:

• 短跑保护输出
• 真差动输入级
• 可单电源工作:3V-32V
• 低偏置电流:最大100nA (LM324A)
• 每封装含四个运算放大器。
• 具有内部补偿的功能。
• 共模范围扩展到负电源
• 行业标准的引脚排列
• 输入端具有静电保护功能
  

图8电压参考图

LM324应用

（1）双电压比较器电路

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平(V+)，就是低电平(V-或接地)。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。

图9双电压比较器电路图

（2）电压放大器电路

放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。

图10电压放大器电路图

3.压电陶瓷蜂鸣器

压电陶瓷，是以稀土材料和金属烧结制作而成，一般都是圆饼形状。外围引出导线连接电路中去，当电压施加在陶瓷片上的时候，引起稀土陶瓷的形变。如果通一定频率的交流电。就能来回震动。在陶瓷片上引起周期性的微小振幅。带动空气也跟着震动。

压电陶瓷蜂鸣器，就是内部这样一个陶瓷片，外面的塑料外壳，形成腔体，当频率达到某个频点的时候，腔体参与共振，引发很强的声音。这就是压电陶瓷蜂鸣器的结构。

图11压电陶瓷蜂鸣器图

• 电源设计
  

采用电源适配器又叫外置电源，便携式电子设备及电子电器的供电电压变换设备。

本课题采用两个电源适配器，分别提供:

（1）输入220V  输出12V

（2）输入220V  输出5V

工作原理：

在开关管VT饱和导通期间，C1正极的直流电压Ui经过L→VT→C2正极→C2负极充电。一方面使C2两端建立直流电压，另一方面使储能电感L中的磁能不断增大。当开关管VT截止期间，L感应出左负、右正的电压，则L中的磁能经续流二极管VD向C2及负载释放。电源适配器输出端电压Uo的高低由VT的饱和导通时间的长短决定，即由基极激励脉冲宽度决定。而基极激励脉冲的宽度，由误差取样、放大电路决定。

在串联型电源适配器中如果没有续流二极管VD，则当开关管突然由饱和导通转为截止时，由于L中的磁能不能释放，将感应出极高的电压。该电压极易导致开关管VT击穿。而接入续流二极管VD后，当开关管由饱和导通转为截止时，L中的磁能通过VD向C2及负载电路释放，一方面使L两端的电压下降，使开关管集电极-发射极压降为输入Ui值，并有足够的余量;另一方面，在VT截止期间，L将通过续流二极管VD释放能量，使负载电路在开关管截止期间，得到能量的补充，这将使输出端电压更平滑，电源适配器的效率更高。

图12电源适配器图

• 放大器电路的设计
  

放大电路是同相比例运算电路，电路引入了电压串联负反馈。

电路的放大倍数：A=(1+R3∕R1)=100

R2处加一个+12V的直流电压，通过热敏电阻来改变放大器的输入电压。根据实验设计要求（当温度在10℃至30℃范围内且允许误差±1℃）时报警器不发声响，当温度超过这个范围时，报警器发出声响。以0℃为0mV，温度每上升1℃，递增2mV。①低于20mV报警（单频）；②20mV—60mV不报警；③高于60mV报警（双频）。热敏电阻经过LM324放大100倍后，就变为①0—2.0V报警（单频）；②2V—6V不报警；③大于6v报警（双频）。

图13放大器电路图

• 比较器电路的设计
  

由LM324中的两个运放组成1个比较器，以12V为电源电压，通过调节电位器RV1、RV2来确定比较器的两个基准电压，使分别为2V、6V，调节好后使其稳定不再变化。放大器的输出电压UO与两个基准电压进行比较：

若UO小于2V，则B运放输出为高电平，输出端接一个保护电阻（R4阻值500）经过D1 (5V稳压管)使输出电压稳定在5V；

若UO在2V与6V之间，则运放B与C输出都为低电平，即电压为0；

若UO大于6V，则运放C输出为高电平，输出端接一个保护电阻（R5阻值500）经过D2（5V稳压管）使输出电压稳定在5V。

稳压管D1、D2的作用是稳定窗口比较器的输出电压，但前提是窗口比较器的输出电压必须大于稳压管D1、D2的稳压值。运放输出端所加保护电阻不应过大，否则稳压管将不起作用。

图14比较器电路图

• 温度报警电路的设计
  

根据任务与要求，要有两种不同的报警声音，因此我们设计两种报警电路，单频报警和双频报警电路，即低温报警电路和高温报警电路。音频报警电路的制作可以用555和电阻、电容组成，我们选用555集成定时器来制作多谐振荡器从而做出音频电路。多谐振荡器是在Vc大于Vt-时充电，小于Vt+时放电。

1.低温单频报警电路的设计

此电路中4端口接窗口比较器的D1稳压输出，4端口为一个复位端，当D1为高电平（温度低于10℃即放大电路输出电压小于2V）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出单频声音报警。

充放电时间为：τ=RC

充电时间为：T1=(R6+R12)·C1·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

放电时间为：T2=R6·C1·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

此振荡电路的振荡周期为:T=T1+T2

=(R12+2R6)·C1·㏑(Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

=(R12+2R6)·C1·㏑2

=0.15s

占空比：q=T1/T=(R6+R12)/（R12+2R6）=0.52

图15低温单频报警电路电路图

2.高温双频报警电路的设计

高温报警采用双频报警，该部分用到了两片555定时器。U2的作用是控制高低音的持续时间，高电平持续时间即为电容C的充电时间，低电平持续时间即为电容C的放电时间；U3的作用是将高音与低音转换成合成频率输出。

对于U2振荡电路的充电时间为：T1=(R7+R8)·C5·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

放电时间为：T2=R8·C5·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+))

占空比为：q=T1/T=(R7+R8)/(R7+2R8)=0.6

当U2输出为高电平时，C6的充电阈值为：VT1+= Vcc?10K/（10K+R11//5K）=3.75V

放电阈值为：VT1-= Vcc?5K/（10K+R11//5K）=1.88V

充电时间为：TH=（R9+R10）?C6?㏑((Vcc－Vt1-)/(Vcc－Vt1+)) =0.14s

放电时间为：TL=R10?C6?ln（（0-Vt1+）/(0-Vt1-）)=0.07s

则振荡周期TO为：T0=TH+TL

=（R9+R10）?C6?㏑((Vcc－Vt1-)/(Vcc－Vt1+))+R10?C6?ln（（0-Vt1+）/(0-Vt1-）

=0.21s

低音频率为：fL=1/T0 =4.76HZ

当U2输出低电平时，C6的充电阈值为：Vt2+=Vcc?(R11//10K)/(5K+(R11//10K)) =0.67V

放电阈值为：Vt2-=Vcc?(R11//10K)/2(5K+(R11//10K)) =0.33V

充电时间为：TH1=（R9+R10）?C6?㏑((Vcc－Vt2-)/(Vcc－Vt2+))= 0.01s

放电时间为：TL1=R10?C6?ln（（0-Vt2+）/(0-Vt2-）)=0.07s

则振荡周期T为：T=TH+TL

=（R9+R10）?C6?㏑((Vcc－Vt2-)/(Vcc－Vt2+))+ R10?C6?ln（（0-Vt2+）/(0-Vt2-）

=0.08s

高音振荡频率为：fH=1/T=12.5HZ

根据参数、计算公式可得，双频的高低音持续时间以及高低音频率只与和555外部连接的电容C和电阻R有关，因此我们可以通过改变555外部电路的电容和电阻的大小来控制多谐振荡电路的振荡周期，从而控制蜂鸣器发出声音的高低和频率。

U3的4端接D2端稳压输出电压，当D2为高电平（温度高于30℃即放大电路输出电压大于6V）时，此多谐振荡器工作，蜂鸣器发出“嘀---嘟”的双频声音报警。

图16高温双频报警电路电路图

• 总电路设计
  

采用热敏电阻作为敏感元件的温度报警器，当由热敏电阻所接触的温度通过传感器到开关，如果温度超过预定值，此时的开关即开启，连接放大电路放大信号，再送入比较电路，通过调节电位器RV1、RV2来确定比较器的两个基准电压，使分别为2V、6V，调节好后使其稳定不再变化。放大器的输出电压UO与两个基准电压进行比较：

①0—2.0V报警（启动低温单频报警电路）；

②2V—6V不报警；

③大于6v报警（启动高温双频报警电路）。

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图17总电路图

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• Proteus 仿真软件介绍
  

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。

PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。 使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。

图18 Proteus界面

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• 系统仿真
  

图19温度报警器设系统仿真图

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仿真工能介绍：

图20仿真功能图

①红色圆圈：RV1替代热敏电阻采集温度信号模拟电压

②红色矩形：显示放大后的电压（由RV1控制）

③深蓝圆形：RV2滑动变阻器调节温度下限

④深蓝矩形：显示调节温度下限的电压（由RV2控制）

⑤浅蓝圆形：RV2滑动变阻器调节温度上限

⑥浅蓝矩形：显示调节温度上限的电压（由RV3控制）

⑦黄色矩形：显示低温单频报警电路电压（接近5V启动；接近0V则不启动）

⑧黄色圆形：低温单频报警电路启动时，此蜂鸣器工作

⑨紫色矩形：显示高温双频报警电路电压（接近5V启动；接近0V则不启动）

⑩紫色圆形：高温双频报警电路启动时，此蜂鸣器工作

仿真运行时整体不同情况对比：

①0V—2.0V报警（启动低温单频报警电路）:

图21温度低于10℃时仿真运行图

如图此时经放大电路放大电压为1.37V，小于2V；此时温度为6.85℃，小于10℃；启动低温报警，用示波器观察结果如下：

当温度低于10℃时示波器输出波形:

图22温度低于10℃输出波形图

②2V—6V不报警:

图23温度10℃-30℃时仿真运行图

如图此时经放大电路放大电压为4.68V，大于2V小于6V。此时温度为23.4℃，大于10℃，小于30℃；不触发报警电路，用示波器观察结果如下：

当温度在10℃到30℃时示波器输出波形:

图24温度10℃-30℃时输出波形图

③大于6v报警（启动高温双频报警电路）:

图25温度高于30℃时仿真运行图

如图此时经放大电路放大电压为9.80V，大于6V。此时温度为49℃，大于30℃；触发高温报警电路，用示波器观察结果如下：

当温度高于30℃时示波器输出波形:

图26温度高于30℃输出波形图

• 结果分析
  

在单元电路连接与仿真测试中，发现了电路存在的一些误差与不足。如在比较电路的设计时，发现通过滑动变阻器RV1并不能调节出所需的2.0V电压，而只能调节出2.04V电压。当温度在10℃至30℃范围内时，放大电路里电压范围为1.97-6.05V，存在一些误差。在连接好整个电路进行仿真时，当放大电路在1.97-6.05V内调节时，比较电路的理论输出电压应为0V，但实际输出电压为0.29V。仿真时还出现了蜂鸣器不响的情况，经检查将设定值改为3V后蜂鸣器才能正常发声。

• 实物安装
  

图27正面实物图图28背面实物图

• 调试
  

图29实物分解图

①红色圆形：RV替代热敏电阻采集温度信号模拟电压，方便调节

②绿色圆形：RV1滑动变阻器调节温度下限

③绿色矩形：温度低于下限则此蜂鸣器单频报警“滴~滴”

④黄色圆形：RV2滑动变阻器调节温度上限

⑤黄色矩形：温度高于上限则此蜂鸣器双频报警“滴~嘟”

⑦紫色箭头：接220V转+12V电源适配器

⑧红色箭头：接220V转+5V电源适配器

⑨黑色箭头：接地

调试过程：

调节绿色圆形区域，使得电压为2V(接近2v),此步骤为设置温度报警器的温度下限，2V对应温度为10℃，如图：图28调试设置下限。

2.调节黄色圆形区域，使得电压为6V(接近6v),此步骤为设置温度报警器的温度上限，6V对应温度为30℃，如图：图29调试设置上限。

图28调试设置下限

图29调试设置上限

在调试中出现的很多问题:

•   开始蜂鸣器不响，经排查是一处地线没连接，导致供不上电。连接后蜂鸣器正常了，但是无法出现想要的结果，然后调节可变电阻，设置温度上下限，电路正常工作。
•   开始电源都选用12v，电路在短时间里可以工作，但时间一长NE555芯片发烫，整个电路电压不稳定、起伏大，导致热敏电阻击穿；电源都选用换用5v,放大电路和比较电路，电压达不到所需要求。最后选用12V和5V电压同时使用:放大电路和比较电路使用12v电源,报警电路使用5V电源。
•   因为电源选用不当导致已有热敏电阻击穿，整个电路无法正常工作；经过再三思索，采用多余的1K滑动变阻代替1K热敏电阻，和仿真统一。
  
  • 测试结果
    

该实物可以实现，当（通过电压的变化来模拟温度的高低）温度在10度至30度范围内(允许误差士1度)时报警器不发声响，当温度超过这范围时，报警器发出声响，并根据不同音调区分温度的高低：

当温度低于10时，报警器发出两种频率交替的“嘀”声响。

当温度高于30时，报警器发出两种频率交替的“嘀-嘟”声响。

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