温度是个非常常见的量，不仅与人民的生活息息相关，而且工业和农业生产也需要实时测量温度，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能测量温度的关键是温度传感器，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术。利用温度传感器，对外界的温度进行实时检测，当温度超过或者低于用户所设定的一个临界值时，向外界发出警报。本次课程就将以温度报警器作为设计课题，并实现以下内容：
用压电陶瓷蜂鸣器作为电声元件；
当温度在10℃至30℃范围内（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，并根据不同音调区分温度的高低，即：
（1） 当温度高与30℃时，报警器发出两种频率交换的“嘀—嘟”声响。
（2） 当温度低于10℃时，报警器发出单频率声响。
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；
对电路进行仿真分析，并撰写设计成果说明书。
2.1.原理分析
（1）电路构思（方案一）
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。
电路所需的直流电压由5V和12V直流电源提供。
（2）电路组成
根据以上电路的初步构思，可确定总电路可分为三大部分：放大电路，比较电路，以及报警电路。
（其中报警电路分为高温双频报警以及低温单频报警）
3.1．方案选择
方案一：电路构思及组成如上
优点：通过放大电路，能将微小难以调节的电压放大到可调的电压范围之内，从而实现温度的范围调节，可行性高。
缺点：电路较为复杂。
方案二：整体电路相较于方案一少了放大电路，电路由两部分组成：比较电路，报警电路。
优点:电路简单，理论上也能实现报警功能。
缺点：电路少了放大电路，导致电压的调节变得困难，难以实现所取电压的范围对应于温度变化所对应的电压变化范围，从而影响报警的准确度。
通过两个方案比较，我认为方案一更可行，因此将根据方案一展开电路设计及仿真测试。
4.1.单元电路设计
（1）放大电路的设计
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 （1）
R2处加一个+12V的直流电压，通过滑动电位器RV1来改变放大器的输入电压URV1.。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，即低于20mV报警（单频），20mV—60mV不报警，高于60mV报警（双频）。
URV1经过LM324放大100倍后，就变为0—2.0V报警（单频），2V—6V不报警,大于6v报警（双频）。
放大电路电路图
（2）窗口比较器电路的设计
由LM324中的两个运放组成1个窗口比较器，以12V为电源电压，通过调节电位器RV2、RV3来确定窗口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。
比较电路电路图
（3）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。
555定时器的电路结构与工作原理
555定时器工作原理图
555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC 若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
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。
3脚：输出端Vo
2脚：低触发端
6脚：TH高触发端
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。
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。
1.低温报警电路的设计
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+)) （2）
放电时间为：
T2=R6·C1·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+)) （3）
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 (4)
占空比：
q=T1/T=(R6+R12)/（R12+2R6）= 0.52 （5）
低温报警电路电路图
2.高温报警电路的设计
高温报警采用双频报警，该部分用到了两片555定时器。U1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；U2的作用是将高音与低音转换成合成频率输出。
对于U1振荡电路的充电时间为：
T1=(R7+R8)·C5·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+)) （6）
放电时间为：
T2=R8·C5·㏑((Vcc－Vt-)/(Vcc－Vt+)) （7）
占空比为：
q=T1/T=(R7+R8)/(R7+2R8)=0.6 （8）
当U1输出为高电平时，C6的充电阈值为：
VT1+= Vcc ?10K/（10K+R11//5K） （9）
=3.75V
放电阈值为：
VT1-= Vcc ?5K/（10K+R11//5K） （10）
=1.88V
充电时间为：
TH=（R9+R10）? C6?㏑((Vcc－Vt1-)/(Vcc－Vt1+)) =0.14s (11)
放电时间为：
TL=R10?C6?ln（（0-Vt1+）/(0-Vt1-）)=0.07s (12)
则振荡周期TO为：
T0=TH+TL=（R9+R10）? C6?㏑((Vcc－Vt1-)/(Vcc－Vt1+))+ R10?C6?ln（（0-Vt1+）/(0-Vt1-） (13)
=0.21s
低音频率为：
当U1输出低电平时，C6的充电阈值为：
Vt2+=Vcc?(R11//10K)/(5K+(R11//10K)) =0.67V (15)
Vt2-=Vcc?(R11//10K)/2(5K+(R11//10K)) =0.33V (16)
充电时间为：
TH1=（R9+R10）? C6?㏑((Vcc－Vt2-)/(Vcc－Vt2+))= 0.01s (17)
放电时间为：
TL1=R10?C6?ln（（0-Vt2+）/(0-Vt2-）)=0.07s (18)
则振荡周期T为：
T=TH+TL=（R9+R10）? C6?㏑((Vcc－Vt2-)/(Vcc－Vt2+))+ R10?C6?ln（（0-Vt2+）/(0-Vt2-）
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。
U2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。
5.1.电路的仿真分析
通过用Protues软件进行仿真，将各个模块连接好后进行仿真。电路图如下：
用示波器观察温度低于10℃和温度高与30℃时的输出波形，结果如下：
当温度低于10℃时示波器输出波形:
当温度高于30℃时示波器输出波形:
6.1.结果分析
模电课程设计报告.doc
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