摘要
溫度指示電路是在實際應用中十分廣泛的測量電路之一。本設計主要運用基本的模擬電子技術基礎和傳感器原理的知識，從基本的元器件出發，實現了超溫報警電路的設計。秉承的主要思想是達到課程要求和儘可能多的利用自己所學的知識。
本文介紹一種運算放大器溫度指示及報警電路的設計方法，本電路主要由四運算放大器LM324、熱敏電阻、LED發光二極管、蜂鳴器等元器件組成，並利用熱敏電阻阻值隨着溫度的升高而減少的原理。改變LM324比較器的比較電壓，使其輸出產生變化，從而引起發光二極管發光，當溫度達到最高指示值時，蜂鳴器發出報警聲。
關鍵詞：LM324；9013三極管；比較電壓
目錄
1設計任務及要求
1.1技術要求
（1）通過慢慢調節滑動變阻器，用8個LED發光二極管來模擬溫度由低到高變化。
（2）溫度過高，即溫度超過最高位模擬溫度對應發過二極管時產生報警信號。
1.2主要任務
（1）按照技術要求，提出自己的設計方案（多種，芯片不限）並進行比較；
（2）查閱資料，確定所需各元器件型號和參數；
（3）根據設計的實現方案，在multism或protues軟件上畫出電路圖並進行仿真；
（4）在電路板上焊接組裝電路；
（5）自擬調整測試方法，並調試電路使其達到設計指標要求；
（6）撰寫設計說明書，進行答辯。
2方案論證
2.1方案一
方案一主要由四運算放大器LM324、熱敏電阻、LED發光二極管、蜂鳴器等元器件組成，並利用熱敏電阻阻值隨着溫度的升高而減少的原理。改變LM324比較器的比較電壓，使其輸出產生變化，從而引起發光二極管發光，當溫度達到最高指示值時，蜂鳴器發出報警器。但是所用的兩個LM324運算放大器的同向輸入端均接在同一支路上，共同由滑動變阻器控制。
圖2-1 方案一電路仿真圖
2.2方案二
方案二也主要由四運算放大器LM324、熱敏電阻、LED發光二極管、蜂鳴器等元器件組成，並利用熱敏電阻阻值隨着溫度的升高而減少的原理。改變LM324比較器的比較電壓，使其輸出產生變化，從而引起發光二極管發光，當溫度達到最高指示值時，蜂鳴器發出報警器。但是所用的兩個LM324運算放大器的同向輸入端均接在不同的支路上，第二個LM324 U1:D的同向輸入端與電阻R20串聯再與滑動變阻器RV1並聯。
圖2-2方案二電路仿真圖
2.3 對比分析
兩種方案經測試均可達到實驗要求，但是方案二將兩個LM324的同向電壓分開控制，並給第二個LM324加了一個限流電阻，使電路更加合理安全。
故本次設計採用方案二電路設計。
3 電路設計
如圖3-1，本電路設計是依靠改變運算放大器的輸出電壓來使LED燈依次亮，其中仿真電路時通以9V電壓，第一個LM324（U1：A+U2+U3+U4）控制D1D4，第二個LM324(U1:D+U5+U6+U8)控制D5D8，開啓仿真時，三極管處於截止區，不導通，稱R19所在支路爲支路1，R10所在支路爲支路2，R20所在支路爲支路3。其中支路1和2的電壓均爲9V，支路3的電壓爲滑動變阻器RV1的電壓。其中兩個LM324同向輸入端的電壓均由滑動變阻器RV1控制。第二個LM324的4個運算放大器的同向輸入端也可以直接接到支路1上，也能達到實驗想過，之所以加了一個R20將後四個同向輸入端接到支路3上是起到限流作用，保護電路。
R1~R8爲限流電阻，保護LED。R19與滑動變阻器RV1組成比較電壓閾值，來控制同向輸入端電壓，沒有R19會導致所有同向輸入端電壓過大，從而使LED常亮。 R10R18是分壓電阻，用來限定每個運算放大器反向輸入端的電壓，其中沒有R10會導致反向輸入端電壓過大，D2一定不會亮（V反>V同），c經測試當熱敏電阻阻值爲零時，只有D6D8會亮。R9爲1K基極電阻，此次用的三極管爲9013，是共射放大電路，當D2亮的時候，蜂鳴器隨之被驅動。
運算放大器的反向輸入端均接在了支路3上，由圖可知，D2到D8所接的運算放大器的反向輸入端電壓依次減小，其中通過熱敏電阻RT1來改變整體反向輸入端的電壓。我們先改變滑動變阻器的阻值，使D8剛亮，此時固定同相輸入端電壓。當加熱熱敏電阻時（此處爲體現效果，測試圖中將熱敏電阻替換爲滑動變阻器），反向輸入端阻值減小，輸出電壓（V同-V反）β增大，致使後面的燈亮。
此測試結果圖爲RV1滑動變阻器接通阻值爲10K*(1-67%) =3.3K的時候，D8剛剛滅，之後調節RV2滑動變阻器，使其阻值變爲97%，即50K97%=48.5K時，D8剛亮，當阻值變爲70%的時候，即50K70%=35K的時候，8個LED燈剛好全部亮。
圖3-1
4 總體電路設計與測試
4.1軟件仿真與調試
總電路圖由上面所述的單元電路組合而成。只需改變熱敏電阻的阻值即可使燈依次量。總電路仿真圖如圖4-1所示。
圖4-1 總電路仿真圖
測試結果如圖4-2,4-3和圖4-4所示（此處爲體現效果，測試圖中將熱敏電阻替換爲滑動變阻器）。此測試結果圖爲RV1滑動變阻器接通阻值爲10K*(1-67%) =3.3K的時候，D8剛剛滅，之後調節RV2滑動變阻器，使其阻值變爲（1-3%）=97%，即50K97%=48.5K時，D8剛亮，當阻值變爲(1-30%）=70%的時候，即50K70%=35K的時候，8個LED燈剛好全部亮。
圖4-2 測試結果圖1(D8剛滅)
圖4-3 測試結果圖2(D8剛亮)
圖4-4 測試結果圖3(全部亮)
4.2 硬件仿真與調試
溫度指示報警電路圖如圖4-5所示。此實物圖採用4.5V直流電源供電，利用LM324比較器的比較電壓，使輸出電壓發生變化，驅動LED亮。通過用手捏熱熱敏電阻，使反向輸出端的電壓減小，使LM324輸出電壓增大，LED會依次亮
圖4-5(1)
圖4-5(2)
圖4-5(3)
圖4-5溫度指示報警器件實物圖
溫度指示報警電路原理圖4-6所示，溫度指示報警電路PCB圖4-7所示。兩圖通過AltiumDesigner Winter 09，加入所需元件庫設計而成。
圖4-6溫度指示報警電路原理圖
圖4-7溫度指示報警電路PCB圖
5 體會
最開始用proteus進行仿真的時候遇到了很多的錯誤，其中最主要是選擇運算放大器耗了很長的時間，一開始沒有具體瞭解LM324的具體原理，LM324是一個四運算放大器，其中在用proteus裏仿真時一個LM324由4個運算放大器組成，從器件庫調取器件時，應該是拿一個LM324（5引腳）和3個OP1P（3引腳，是一個理想運算放大器）組成一個完整的LM324。尤其是在Altium Designer裏畫原理圖的時候第一次自己封裝LM324把他分成了四部分，百度了之後發現，LM324可以直接用畫一個填充並安裝14個引腳表示（如下圖5-1），當然需要標明各引腳的作用。然後畫PCB時封裝LM324就比較方便了，直接用Component Wizard中的DIP製作，很方便。
圖5-1
用滑動變阻器控制好同向輸入端的電壓，熱敏電阻改變反向輸入端的電壓，
包括在畫原理圖和PCB版的時候，就應該把4個運算放大器集成到一個器件裏組成LM324，標清好14個引腳的功能。
以後在做類似實習的時候，一定要先在網上查清楚所使用芯片的原理圖，瞭解它每一個引腳的功能。
電路焊接過程中，器件比較集成，引腳間距短，容易把兩個引腳連接在一起。
這次課程設計把學習的理論與實踐相結合，提高了我們的動手能力，讓我們瞭解了更多電路方面的實際知識，收穫很大。
6 系統使用的元器件清單
表6-1溫度指示報警器件清單
7 參考文獻
[1]童詩白,華成英,模擬電子技術基礎(第五版).北京:北京高等教育出版社,2015.7
[2]高建疆,電子電路設計製作的調試探析[J],數字通信世界,2018.07
[3]張璐,一種測溫放大與報警電路設計[J],甘肅科技縱橫,2019.09
[4]王世福,宋世學，模電教學中運算電路教學探究[J].科技資訊,2020.11
[5]王正勇.基於LM324的信號發生器設計與仿真[J].現代電子技術,2016.1
[6]雷媛媛,超溫報警電路的設計[J],數字技術與應用,2015.12
8 附錄
1、LM324資料
LM324內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器，適合於電源電壓範圍很寬的單電源使用，也適用於雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用範圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。
LM324系列是低成本的四路運算放大器，具有真正的差分輸入。在單電源應用中，它們與標準運算放大器類型相比具有幾個明顯的優勢。該四路放大器可以工作於低至3.0 V或高達32 V的電源電壓，靜態電流是MC1741的五分之一左右（每個放大器）。共模輸入範圍包括負電源，因此在衆多應用中無需外部偏置元器件。輸出電壓範圍也包括負電源電壓。
應用領域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統的運算放大器可以更容易地在單電源系統中實現的電路。例如，可直接操作的LM324系列，這是用來在數字系統中，輕鬆地將提供所需的接口電路，而無需額外的±15V電源標準的5V電源電壓。
主要特性:
短路保護輸出
真正的差分輸入級
單電源供電：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A）
低輸入偏置電流：100 nA最大值（LM324A）
每個封裝有4個放大器
內部補償
共模範圍擴展至負電源
行業標準的引腳分配
輸入端的ESD鉗位提高了可靠性，且不影響器件工作
提供無鉛封裝
圖8-1
2、9013資料
9013是一種NPN型小功率三極管。三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上製作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區，兩側部分是發射區和集電區。三極管的排列方式有PNP和NPN兩種。s9013 NPN三極管主要用途：作爲音頻放大和收音機1W推輓輸出以及開關等 。
9.附：完整資源鏈接——溫度指示報警電路設計
（含:溫度指示報警電路設計報告+PPT+PPT講解視頻+Pcb電路封裝圖+Proteus電路仿真圖+真實器件測試視頻）