温度监视器的设计与制作
一 选题背景
现今对于电子系统，正常的工作状态需要对温度检测，一旦不在正常的温度范围，则需要反馈给系统进行相应的保护或报警动作。本课题应解决温度检测显示，对于超温度范围的报警，以及电路所需电源的设计。本设计的指导思想是温度传感器可以把温度信号转化成电信号，由此可以设计一个窗口比较器进行相应的控制信号，从而达到报警与保护电路的目的。
二 设计思路
首先，外部的温度有温度传感器模块处理，将温度信号装换成电压信号，由于需要显示温度，可以经A/D转换器和数码管来显示，ICL7107集成块刚好满足上述显示要求。对于温度报警系统，由于高于80摄氏度和低于30摄氏度都需要声光报警系统工作，此时可以设计一个窗口比较器来达到目的。同时高于80摄氏度需要延时3s切断某一系统的电源，可以通过采集窗口比较器的输出，利用RC延时电路以及继电器来控制延时切断系统的电源。
三 实现方案
首先，外部的温度由温度传感器模块处理，将温度信号装换成电压信号，经A/D转换器和数码管显示。同时电压信号进入以及设定好基准电压信号的窗口比较器，输入可以控制声光报警系统以及延时电路，延时电路工作后有继电器控制系统，可切断系统的电源。
四 模块电路
1.直流稳压电路
由于ICL7107模块的Vcc需要5V的直流电源，则整机电路可以设置一个输出5V的直流稳压电源来实现。单元测试电路，整机电路都采用输出5V的直流稳压电源来实现。
2.温度传感器电路以及显示电路的替代电路及其工作原理或功能说明
由于Multisum里没有温度传感器模块，这里用电位器分压来代替温度传感器的输出
温度传感器的替代电路
由上图的R4与R5串联分压回路组成温度传感器的输出，通过调节R4的电位， 可以使Vi得到从0-5V的电压，由于温度传感器的输出特性为（Vout=10mV*T/℃），而检测的温度范围是30到80摄氏度，对应0.3到0.8V,该电路输出电压范围0-5V可以满足要求。
温度传感器电路以及显示电路的替代电路电路元件的选取与计算：
考虑到功耗以及电阻的额定功率问题，限制回路电流在5mA以内，R5取1KΩ，R4要远大于R5才能达到分压范围，可以取30kΩ的电位器。
3.比较电路的基准电压电路
由于需要稳定的基准电压300mV与800mV，可以用电位器分压电路来完成。
单元电路图
由R1,R2,R3分压回路，通过调节R1的电位，使其输出需要的基准电压0.3V和0.8V。
对于回路，有I*(R1+R2+R3)=5V,I*(R2+R3)=800mV,I*R3=300mV,解前面的方程可以得到：0.8R1=6.72R2=11.2R3,取标称值R3=1,2KΩ，则R2=2KΩ，R1可以取20KΩ。
4.比较电路 输入电路与基准电压电路与前面所述完全一样，由于所需功能的状态可以通过窗口比较器来实现，所以选择窗口比较器，二极管D1与D2是防止Vo1与 Vo2的相互影响。 5.延时电路与继电器控制电路 当电路正常工作时，R6与C1组成充电回路，当C1的电压从0充电到0.7V时， 三极管Q2导通，使继电器EMR011B03左端从不导通到导通，从而使LED2从正常工作到熄灭，达到继电器控制LED2的电源。 延时的测试如图 由公式延时时间：T=R6C1ln(V0/V0-Vbe)=3s,取电容为100uF,可以解出R6=130KΩ。D3的作用是使电容充电断开电源之后，增快电容放电以保护电路。三极管Q2充当开关作用，当电容充电到0.7V时，三极管导通，从而使继电器工作。为使三极管的功耗降低以及正常工作，应使三极管的集电极电流<0.3mA,由公式R7>(Vcc-Uces)/Icmax,解得R7>9.3KΩ，取标称值10kΩ。R8起到保护发光二极管的作用，由于发光二极管的导通电压为1-3V,电流30-50mA,则R8<(Vcc-Uledmin)/30mA, R8>(Vcc-Uledmax)/50mA,40Ω 6.声光报警电路 输出波形图： 考虑蜂鸣器的频率为200HZ左右，选取R13为10kΩ的电位器，方便调整频率，取R14为2KΩ的电阻，C2为1uF的电容。则电容C2充电时间T1=(R13+R14)C2ln[(Vcc-1/3Vcc)/(Vcc-2/3Vcc)],电容放电时间T2=R14C2 ln[(Vcc-1/3Vcc)/(Vcc-2/3Vcc)],总的周期T=T1+T2=0.0063s,则输出闪光报警电路的频率为f=1/T=158.7Hz。 五 整机电路图 六 故障分析 七 总结 更新： 方案二：利用压频转换电路实现A/D转换，数字脉冲信号通过门控电路、与门及单稳态触发电路，生成能反映被测温度值的群脉冲，再送人计数器和译码显示电路，在数码管显示温度值。 八 参考文献
由于电路的功能是高于80度与低于30度报警，而在30度与80度之间正常工作，则可以选择窗口比较器来实现其功能。
单元电路图
通过调节R4的电位来调节不同的输入电压，进入到比较器，若输入电压大于UH或低于UL,则输出高电平,否则输出低电平，D1与D2是防止Vo1与Vo2的相互影响，下图是测试的结果。
输入低于UL如图(XMM1是输入电压Vi，XMM2是输出电压Vo1，XMM3是输出电压Vo2，XMM4是总输出电压Vo)
输入高于UH如图
输入低于UH，高于UL如图
分析：该电路实现了输入Ui>0.8V或Ui<0.3V时，输出Uo为高电平；输入UL
通过上一级的比较电路的输出Vo1来控制延时电路，此处的延时电路可以用RC延时电路来完成。
单元电路图
经测量，其中输入是Vo1=3.496V,单元电路测试用Vcc代替
经多次测试LED电源断开时延时的时长为2.9745s,与理想的3s非常接近。
通过NE555构成的多谐振荡器，在导通的情况下输出方波，使led1闪光，蜂鸣器嘟嘟响报警。
把该电路接到窗口比较器的输出，再通过一个三极管充当开关作用以及一个继电器实现反相作用和上拉电压作用，使温度高于80℃和低于30℃时LED1闪光和蜂鸣器嘟嘟响报警。此单元测试电路直接用Vcc来测试。
分析：可以看到输出波形为方波，其频率值经测量为1/0.0065s=153.84Hz, 与理论值f=158.7Hz误差很小。
误差原因：①由光标测试，存在测量，读数的误差。可以多次测量取平均值减小误差。②电容是否是零状态也会影响波形，产生误差，需要保证每次测量完成使电容完全放电在进行下一次的测量。
电路实现的功能：1.能测量被监视系统的温度可显示；2.当温度低于30℃和大于80℃时，发光二极管闪光报警；3.温度高于额定值时，会闪光报警并且延时3s切断某一系统电源。
系统使用说明：按整机电路图搭建系统，通过调节R4的电位来改变输入的电压值。当输入电压低于对应30摄氏度的电压值UL=300mV时，声光报警系统接通正常工作；当输入电压高于对应80摄氏度的电压UH=800mV时，声光报警系统工作，同时，延时电路开始工作，延时3s之后继电器控制断开LED2的电源。
①延时电路的测试时间误差较大。处理方法：用万用表测试其电压变化特性，经测试上一次电容充电两端的电压未降为0就进行了下一次的测试，产生较大的误差。可以在电路上放电回路正向接一个二极管，这样既不会影响充电回路，也能加快放电的速度，每次测试完进行下一次测试要保证电容为零状态。
②闪光报警电路的频率。需要注意不能设置频率过高，否则超过一定的频率，人眼是无法分清是否闪光，需要合理设置电路参数。
③仿真软件的仿真出错，需要检查电路是否正确，其次接上单元电路整机测试，仿真步长会影响仿真软件的运行。
通过该课程设计，我学会了如何分析具体的问题温度监测，通过分解为个单元的功能电路，依次实现所需的功能，合理考虑利用各种分立元件来设计所需要的功能的电路。对于一个特定的功能，有不同的方案可以实现，此时需要我们合理具体地分析优缺点，选择最优的方案。对于前后级电路连接时，需要考虑是否会互相影响，如若影响应设计合理的耦合元件。设计声光报警电路以及延时电路，需要把不同状态的温度对于电路的不同状态，转变时可以考虑三极管充当开关的作用，可以利用其来实现开关功能。声光报警电路需要有一定的输出频率是LED闪光以及蜂鸣器的频率，则需考虑用NE555组成多谐振荡器来输出方波实现闪光的功能。在调试延时电路，延时时间通过示波器并不能准确的测量，此时可以通过瞬态分析，输出波形，可以非常直观准确地通过光标来测试延时时间，再通过实际的电路来测试延时切断LED电源的实际时间来验证测试结果是否正确。
参考显示电路方案
A/D转换及显示电路
被测系统温度与预设温度值对应的电压信号，通过A/D转换及显示电路，在数码管显示温度值。主要介绍两种方案：
方案一：使用ICL7107专用集成电路。它包含3 1/2位数字A/D转换器，集A/D转换和译码器于一体，可直接驱动共阳极LED数码管。 ICL7107内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零等功能。
实验室提供器件：A/D转换器ICL7107。元器件的详细应用资料见相关的Datasheet文件。
实验室提供器件：压频转换LM331，定时器NE555/556，四2输入与门CD4081与74LS08，四2输入与非门，双D触发器CD4013，双D边沿触发器74LS74，十进制计数/译码驱动器CD40110，十进制同步加/减计数器 CD4518，十进制计数器74LS90，BCD-锁存/7 段译码器CD4511。元器件的详细应用资料见相关的Datasheet文件。
［1］童诗白.《模拟电子技术》．第四版