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毕业设计
##########
学生毕业设计(论文)报告
系别:
电子与电气工程学院
专业:
电子信息工程技术
班号:
########
学生姓名:
###
学生学号:
##########
设计(论文)题目:
采用压电元件的警报器设计
指导教师:
###
设计地点:
##########
起迄日期:
2011.09.01—2011.11.06
毕业设计(论文)任务书
专业电子信息工程技术班级#####姓名###
一、课题名称:
采用压电元件的警报器设计
二、主要技术指标:
1.电源部分具有充电电路;2.室内温升超过10度,此电路就能发出报警;3.采用12V电源;3.报警温度范围可控且控制精度准确。
三、工作内容和要求:
本设计通过在图书馆和网上查找相关资料,最终选用CD4060和CA3130两块芯片,通过硬件设计从而使产品达到以下要求:
1刚开始电路处于待机状态,如果室内温升超过10度,电路能发出警报;2.超过设定温度后,红色LED闪烁。
若热量继续存在,大约1分钟后发出声音报警。
若热量还存在,大约4分钟后水泵喷洒灭火泡沫。
四、主要参考文献:
[1]童诗白.模拟电子技术基础(第4版).[M],高等教育出版社.2006.05
[2]阎石.数字电子技术基础(第五版).[M],高等教育出版社.2006.05
[3]高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计.[M],电子工业出版社.2005.02
[4]姚剑清.运算放大器权威指南(第三版)[M].人民邮电出版社2010.10
[5]胡松.元器件应用宝典.[M],人民邮电出版社.2011.03
学生(签名)年月日
指导教师(签名)年月日
教研室主任(签名)年月日
系主任(签名)年月日
毕业设计(论文)开题报告
设计(论文)题目
采用压电元件的警报器设计
一、选题的背景和意义:
温度是一个十分重要的物理量,对它的测量与控制有十分重要的意义。
随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高,人们也迫切需要检测与控制温度。
温度控制电路在工农业生产中有着广泛的应用。
日常生活中也可以见到,如电冰箱的自动制冷,空调器的自动控制等等。
利用压电元件制作一个温度报警器。
电路的触发端接在压电元件中,当环境温度升高时,引起电位差的改变,使LED闪烁。
调节微调电阻器的阻值,可以改变电路报警时的温度。
现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。
传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。
因此传感器在此温度报警器的制作中起了重要的作用。
二、课题研究的主要内容:
采用CD4060和CA3130作为控制器设计警报器,基本实现智能控制功能。
毕业设计主要为硬件。
介绍如下:
芯片CA3130控制输出的电位的高低,以控制下一级三极管的导通状态;芯片CD4060的输出用于控制LED2的闪烁以及控制继电器的吸合来使泵运转后灭火;电路设计时采用12V电源且能提供备份电池。
三、主要研究(设计)方法论述:
根据设计的功能,芯片CA3130作为电路前端一级灵敏信号放大级,它在压电元件附近的温度增加时可以给出高输出。
其反相端电压可以预置,且通过调整其中的电位器可以改变预置的电压,即改变报警温度。
当温度上升,CA3130的输出会变为高位,下一级导通,通过CD4060处理后使LED闪烁,若温度不降,使泵开启灭火。
电源供给部分采用有备份电池,以备交流电源由于发生火灾导致多路被切断失效之用,并设置LED1指示交流电源有效。
四、设计(论文)进度安排:
时间(迄止日期)
工作内容
2011.9.1~2011.9.11
进行论文选题,确定论文的题目
2011.9.12~2011.9.16
了解所选的论文的题目背景和意义
2011.9.17~2011.9.23
进行所选课题的初步研究,收集相关的材料
2011.9.24~2011.9.30
深入分析总结材料,结合设计内容进行归纳并形成论文的提纲
2011.10.1~2011.10.20
撰写毕业设计
2011.10.21~2011.10.26
对毕业设计进行修改和检查
2011.10.27~2011.11.6
完成并提交毕业设计。
五、指导教师意见:
指导教师签名:
年月日
六、系部意见:
系主任签名:
年月日
采用压电元件的警报器设计
目录
摘要
Abstract
第1章前言1
第2章所用元器件介绍3
2.1CA3130芯片介绍3
2.2CA3130引脚图4
2.3CA3130引脚功能介绍4
2.4CD4060芯片介绍4
2.5CD4060引脚图5
2.6CD4060实物图5
2.7CD4060功能表及参数5
2.8传感电路部分元器件介绍6
2.8.1压电晶体6
2.8.2石英晶体的压电效应6
2.8.3压电陶瓷片6
2.8.4电陶瓷片检测方法7
2.8.5典型继电器介绍7
2.8.6继电器的作用8
第3章单元电路设计9
3.1电源供给部分9
3.1.1电源电路设计9
3.1.2电源电路材料清单9
第4章硬件电路设计10
4.1采用压电元件的警报器电路图10
4.2采用压电元件的警报器电路的材料清单11
第5章结束语12
参考文献13
答谢辞14
摘要
本文所讨论的采用压电元件的火警警报器能够监测室内温升,由于电路前端有一级灵敏的信号放大器,因此电路极为灵敏,如果室内温升超过10度,此电路就能发出报警。
整个电路有两大部分组成:
传感器部分和电源供给部分。
本次设计采用的电路没有软件部分,因此电路比较简单,因此调试也很方便。
所需要的各种元器件也比较容易找到。
其主要设计思路是:
压电元件中的锆钛酸铅晶体在加热时具有改变形状并产生电压差的特性,该电压与预置电压进入运放,输出信号控制CD4060的启动与停止。
CD4060的输出信号控制LED、蜂鸣器、电磁水泵的运转。
硬件的设计要考虑多方面,要达到预期的功能,设计方案的合理以及制造的可行性(如成本、对设备的要求、工人的操作能力等),只有这样该方案才能被批准。
关键词:
运放;压电元件;模拟电路
Abstract
Thisarticlediscussedtheusingpiezoelectricelementfirealarmcapableofmonitoringtheindoortemperaturerise,sincethecircuithasafrontendlevelsensitivesignalamplifier,thecircuitisextremelysensitive,iftheindoortemperaturerisingmorethan10degrees,thiscircuitcansendoutalarm.Thewholecircuithastwomajorcomponents:
asensorpartandapowersupplypart.
Thecircuitisnotpartofthesoftware,sothecircuitissimple,sothedebuggerisalsoveryconvenient.Requiredbythevariouscomponentsarerelativelyeasytofind.
Itsmaindesignideais:
thepiezoelectricelementofleadzirconatetitanatecrystalsintheheatinghaschangedshapeandgeneratesavoltagedifferencecharacteristic,thevoltageandthepresetvoltageintotheamplifieroutputsignaltocontrolCD4060,startandstop.TheCD4060outputsignalcontrolLED,buzzer,electromagneticwaterpumpoperation.
Hardwaredesigntoconsidermanyaspects,toachievethedesiredfunction,designschemeisreasonableandthemanufacturingfeasibility(suchascost,equipmentrequirements,theworkersoperateability),onlyinthiswaytheschemecouldbeapproved.
Keywords:
operationalamplifier;apiezoelectricelement;analogcircuit
第1章前言
在我国,火灾自动报警系统的研究、生产、应用相对美、英等发达国家起步较晚,安装范围主要是《高层民用建筑设计防火规范》、《建筑设计防火规范》规定的场所和部位,如大型电子计算机中心、高层建筑、高级旅馆、重要仓库和大型公共建筑等,而在易造成群死群伤的中小型公众聚集场所和社区居民家庭甚至部分高层住宅都没有规定安装火灾自动报警系统,适用范围过小,防范措施不到位。
测量温度的基本方法是使用温度计直接读取温度。
最常见到得测量温度的工具是各种各样的温度计,例如:
水银玻璃温度计,酒精温度计,热电偶或热电阻温度计等。
它们常常以刻度的形式表示温度的高低,人们必须通过读取刻度值的多少来测量温度。
给人类的生活带来了很多不便,使人类不管是在生活还是在工业方面都有了很多便利之处。
本文所讨论的是一种能够自动控温的电路。
在我们日常生活及各种生产中,经常要用到温度的检测及控制,传统的测温元件有热电偶和热电阻。
而热电偶和热电阻测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的外部硬件支持。
其缺点如下:
1.硬件电路复杂;
2.制作成本高;
我国使用的火灾探测器虽然都进行了智能化设计,但由于传感器件探测
的参数较少、支持系统的软件开发不成熟、各种算法的准确性缺乏足够验证、火灾现场参数数据库不健全等原因,加之火灾探测器安装环境中的气流、灰尘、电磁场、静电、天气情况、人为干扰等因素,使得火灾自动报警系统难以准确判定粒子(烟气)的浓度、现场温度、光波的强度以及可燃气体的浓度、电磁辐射等指标,造成迟报、误报、漏报情况较多。
此外,我国目前使用的智能化火灾自动报警系统主要以集中智能系统为主,巡检速度低,稳定性和可靠性差,不适用于规模庞大的建筑。
我国目前应用的火灾自动报警系统形式基本上以区域火灾自动报警系统、集中火灾自动报警系统和控制中心火灾自动报警系统为主,安装形式主要是集散控
制方式,自成体系,自我封闭,尚未形成区域性网络化火灾自动报警系统。
由于各系统间的资源和服务不能共享,发生火灾时系统不能自动向城市“119”火警受理中心报告,特别是对具体的起火部位、火势大小等火场情况难以用语言来详细表述,这就使消防队不能准确、合理、及时调动兵力处置火情,以至造成不必要的损失。
此外,还造成一些硬件的重复投资和人力投资浪费。
随着数字电路的发展飞快,而且易于设计,应用越来越广泛。
但是作为电子技术的基础——模拟电路,仍然占据重要的位置。
本次毕业设计注重对模拟电路的理解与应用,明白各个单元电路的工作原理,以便为以后可能见到的更复杂的电路的分析打下基础。
说模拟电路已经过时了是绝对错的,在设计模拟电路时要考虑的问题是很多的。
如元器件的参数、温度漂移、元器件型号的选择等。
火警警报器广泛应用于工厂商店家庭以及一些对防火要求高的场所,它们的使用给人们的生活带来了许多方便,也挽救大量的财产。
本次毕业设计的目的如下:
1.了解电路设计的基本流程,尤其是模拟电路,丰富自己的知识和理论,巩固所学知识,提高实践能力和搜集资料的能力;
2.培养团队合作的精神;
3.提高试读技术资料的能力,尤其是些英文资料;
毕业设计所用电路分为两个部分,电源部分和传感器部分。
电源采用了备份电池,以备交流电源由于发生火灾导致短路被切断失效之用。
传感器部分主要采用计数器的输出端控制报警灯、蜂鸣器、电磁水泵的工作。
第2章所用元器件介绍
2.1CA3130芯片介绍
CA3130是结合CMOS和双极晶体管的优点而成的放大器。
门保护的P沟道MOSFET(PMOS)晶体管在输入电路用于提供非常高的输入阻抗,非常低的输入电流,和出色的速度性能。
在输入级使用PMOS晶体管结果在共模输入电压可低至0.5V低于负电源端子,一个重要的在单电源应用的属性
一个CMOS晶体管对,能摆动的输出电压为10mV内的任一电源电压终端(非常高的负载阻抗值),受聘为输出电路。
CA3130系列电路在电源电压从5V至16V(±2.5V±8V)。
他们可以用一个外部电容补偿,并有应用失调电压调整端子需要失调空能力。
终端条文也允许选通输出级。
理想的单电源应用
共模输入电压范围包括负供轨;在低于负电源轨下输入电压可摆动0.5V
CMOS输出阶段允许信号摆动
CA3130芯片应用
•接地参考单电源放大器
•快速采样保持放大器
•长时间的定时器/Monostables
•高输入阻抗比较(理想的接口与数字CMOS)
•高输入阻抗宽带放大器
•电压追踪者(如跟随单供应D/A转换器)
•电压调节器(允许输出电压控制降到0V)
•峰值检测器
•单电源全波精密整流器
•光电二极管传感器放大器
CA3130绝对最大额定值表如表2-1所示
表2-1绝对最大额定值表
直流电源电压(V+和V-端子)之间
0.16V
差分输入电压
8V
DC输入电压
0.5V到8V
输入端子的电流
1mA
短路持续时间
未定义
2.2CA3130引脚图
CA3130引脚图如图2-1所示
图2-1CA3130引脚图
2.3CA3130引脚功能介绍
CA3130引脚功能介绍表如表2-3所示:
表2-2CA3130引脚功能介绍表
引脚号
功能
1
偏移量为NULL
2
反相输入端
3
同相输入端
4
电源负端
5
偏移量为NULL
6
输出端
7
电源正端
8
存储
2.4CD4060芯片介绍
CD4060由一振荡器和14级二进制串行计数器位组成,振荡器的结构可以是RC或晶振电路,CR为高电平时,计数器清零且振荡器使用无效。
所有的计数器位均为主从触发器。
在CP1(和CP0)的下降沿计数器以二进制进行计数。
在时钟脉冲线上使用斯密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。
CD4060与其他元器件可以实现定时功能,可以做震荡电路,在实际应用中可以设计间歇式蟑螂杀灭器电路,时间控制器等。
2.5CD4060引脚图
CD4060引脚图如图2-2所示:
图2-2CD4060引脚
2.6CD4060实物图
CD4060实物图如图2-3所示:
图2-3CD4060实物图
2.7CD4060功能表及参数
CD4060功能表如表2-3所示:
表2-3CD4060功能表
引出端
功能说明
引出端
功能说明
时钟输入端
反向时钟输出端
CP0
时钟输出端
R
R=1时计数器清零,振荡器无效
Q4~Q10
Q12~Q14
计数器输出端
VDD,VSS
正电源和地
注:
CD4060是自带振荡器的14极分频器,有多个分频输出,因此具有定时作用。
当12脚位高电位,振荡器无效,只有在低电位时振荡器才能工作。
CD4060电气参数表如表2-4所示:
表2-4CD4060电气参数表
SupplyVoltage电源电压(VDD)
-0.5Vto+18V
InputVoltage输入电压(VIN)
-0.5VtoVDD+0.5V
StorageTemperatureRange储存温度范围(TS)
-65℃to+150℃
PackageDissipation(PD)
Dual-In-Line普通双列封装
700mW
SmallOutline小外形封装
500mW
LeadTemperature焊接温度(TL)
Soldering,10seconds)(焊接10秒)
260℃
CD4060建议操作条件如表2-5所示
表2-5CD4060建议操作条件
SupplyVoltage电源电压(VDD)
+3Vto+15V
InputVoltage输入电压(VIN)
0VtoVDD
OperatingTemperatureRange工作温度范围(TA)
-40℃to+85℃
2.8传感电路部分元器件介绍
2.8.1压电晶体
有一类十分有趣的晶体,当你对它挤压或拉伸时,它的两端就会产生不同的电荷。
这种效应被称为压电效应。
能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。
水晶(α-石英)是一种有名的压电晶体。
压电晶体是用量仅次于单晶硅的电子材料,用于制造选择和控制频率的电子元器件,广泛应用于电子信息产业各领域,如彩电、空调、电脑、DVD、无电线通讯等,尤其在高性能电子设备及数字化设备中应用日益扩大。
低腐蚀隧道密度压电晶体是生产SMD频率片、手机频率片的必需材料。
压电晶体产品品种主要有:
Z棒、Y棒、厚度片、频率片。
2.8.2石英晶体的压电效应
某些晶体,当沿着一定方向受到外力作用时,内部会产生极化现象,同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷;当外力去掉后,又恢复到不带电状态;当作用力方向改变时,电荷的极性也随着改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
这种现象叫压电效应。
反之,如对晶体施加电场,晶体将在一定方向上产生机械变形;当外加电场撤去后,该变形也随之消失。
这种现象称为逆压电效应,也称作电致伸缩效应。
2.8.3压电陶瓷片
压电陶瓷片是一种结构简单、轻巧的电声器件,因具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本低,耗电少、修理方便、便于大量生产等优点而获得了广泛应用。
适合超声波和次声波的发射和接收,比较大面积的压电陶瓷片还可以运用检测压力和振动,工作原理是利用压电效应的可逆性,在其上施加音频电压,就可产生机械振动,从而发出声音。
如果不断对压电陶瓷片施加压力它还会产生电压和电流。
2.8.4电陶瓷片检测方法
第一种方法:
将万用表的量程开关拨到直流电压2.5V挡,左手拇指与食指轻轻捏住压电陶瓷片的两面,右手持万用表的表笔,红表笔接金属片,黑表笔横放陶瓷表面上,然后左手稍用力压一下,随后又松一下,这样在压电陶瓷片上产生两个极性相反的电压信号,使万用表的指针先向右摆,接着回零,随后向左摆一下,摆幅约为0.1一0.15V,摆幅越大,说明灵敏度越高。
若万用表指针静止不动,说明内部漏电或破损。
切记不可用湿手捏压电片,测试时万用表不可用交流电压挡,否则观察不到指针摆动,且测试之前最好用R×l0k挡,测其绝缘电阻应为无穷大。
第二种方法:
用R×10k挡测两极电阻,正常时应为∞,然后轻轻敲击陶瓷片,指针应略微摆动。
2.8.5典型继电器介绍
固态继电器(SSR)的工作原理和特性
固态继电器是一种两个接线端为输入端,另两个接线端为输出端的四端器件,中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。
固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。
按开关型式可分为常开型和常闭型。
按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型,以光电隔离型为最多。
热敏干簧继电器的工作原理和特性
热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。
它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。
热敏干簧继电器不用线圈励磁,而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。
恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。
磁簧继电器是以线圈产生磁场将磁簧管作动之继电器,为一种线圈传感装置。
因此磁簧继电器之特征、小型尺寸、轻量、反应速度快、短跳动时间等特性。
当整块铁磁金属或者其它导磁物质与之靠近的时候,发生动作,开通或者闭合电路。
由永久磁铁和干簧管组成。
永久磁铁、干簧管固定在一个不导磁也不带有磁性的支架上。
以永久磁铁的南北极的连线为轴线,这个轴线应该与干簧管的轴线重合或者基本重合。
由远及近的调整永久磁铁与干簧管之间的距离,当干簧管刚好发生动作(对于常开的干簧管,变为闭合;对于常闭的干簧管,变为断开)时,将磁铁的位置固定下来。
这时,当有整块导磁材料,例如铁板同时靠近磁铁和干簧管时,干簧管会再次发生动作,恢复到没有磁场作用时的状态;当该铁板离开时,干簧管即发生相反方向的动作。
磁簧继电器结构坚固,触点为密封状态,耐用性高,可以作为机械设备的位置限制开关,也可以用以探测铁制门、窗等是否在指定位置。
光继电器为AC/DC并用的半导体继电器,指发光器件和受光器件一体化的器件。
输入侧和输出侧电气性绝缘,但信号可以通过光信号传输。
其特点为寿命为半永久性、微小电流驱动信号、高阻抗绝缘耐压、超小型、光传输、无接点等。
主要应用于量测设备、通信设备、保全设备、医疗设备等。
时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。
它的种类很多,有空气阻尼型、电动型和电子型等。
在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器,它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。
它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。
时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。
空气阻尼型时间继电器的延时范围大(有0.4~60s和0.4~180s两种),它结构简单,但准确度较低。
当线圈通电(电压规格有ac380v、ac220v或dc220v、dc24v等)时,衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移,使瞬时动作触点接通或断开。
但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落,因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜,当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时,橡皮膜随之向下凹,上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。
经过一定时间,活塞杆下降到一定位置,便通过杠杆推动延时触点动作,使动断触点断开,动合触点闭合。
从线圈通电到延时触点完成动作,这段时间就是继电器的延时时间。
延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。
吸引线圈断电后,继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。
空气经出气孔被迅速排出。
2.8.6继电器的作用
继电器是具有隔离功能的自动开关元件,广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中,是最重要的控制元件之一。
继电器一般都有能反映一定输入变量(如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等)的感应机构(输入部分);有能对被控电路实现“通”、“断
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