1、实验教学电子工艺实习中温度报警器的设计与实现姜倩倩1，吴屏1，谷宇1，王丹丹1，王立欣1,2（1.哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践教育中心，深圳518055；2.哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院，深圳518055）摘要：提出了适用于电子工艺实习课程的温度报警器电路的设计要求，并且根据学生能力的不同，提出了扩展设计。介绍了电路的设计方案、计算、实验结果分析和故障诊断分析。在报警器设计的课堂教学中，学生团队合作，开放设计，从被动学习变成主动学习，提高了学生的团队合作设计与创新能力，锻炼了学生分析与解决问题的能力，为以后的科研工作奠定基础。关键词：电子工艺实习；设计与实现；温度报警器电
2、路；故障诊断分析中图分类号：TM131文献标志码：ADOI:10.12179/1672-4550.20220497Design and Implementation of Temperature Alarm in ElectronicTechnology PracticeJIANGQianqian1,WUPing1,GUYu1,WANGDandan1,WANGLixin1,2（1.EducationCenterofExperimentsandInnovations,HarbinInstituteofTechnology(Shenzhen),Shenzhen518055,China;2.Scho
3、olofMechanicalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology(Shenzhen),Shenzhen518055,China）Abstract:Thedesignrequirementsfortemperaturealarmcircuitssuitableforelectronicprocessinternshipcourseshavebeenproposed,and an expanded design has been proposed based on students different abilities.The
4、design scheme,calculation,experimentalresultanalysis,andfaultdiagnosisanalysisofthecircuitwereintroduced.Intheclassroomteachingoftemperaturealarmdesign,studentscooperatedtocontributedesignideasactively,whichpromotedstudentsabilitiesofteamcooperationandinnovation,cultivatedtheirabilitiesofanalyzingan
5、dsolvingproblems,andlaidasolidfoundationforfuturescientificresearchwork.Key words:electronicprocessingpractice;designandimplementation;temperaturealarmcircuit;faultdiagnosisanalyses“电子工艺实习”作为高等院校工科专业实习实训课程，要求课程内容覆盖面广，同时具有较强的工程实践性，对培养学生的工程素养、设计与创新等能力有重要意义1。哈尔滨工业大学（深圳）根据新工科人才培养计划，把电子工艺实习课程划分为以下主要教学体系：
6、导论、半导体技术与电子封装、电子电路软硬设计（元器件识别、硬件设计、PCB 设计、软件基础实验及综合应用）、电子产品加工制造、焊接调试（SMT 生产、手动焊接调试）2。把同一工程项目的设计开发、调试测试和加工制造实验贯穿在不同模块中，学生分组团队合作学习，使整个实习实训的过程紧密衔接，可更加完整和系统地完成课程3，以实现激发学生学习兴趣、培养学生自主创新能力和探究能力的教学目标4。因此项目的选择特别重要，需要考虑教学质量，学生学习效果，学生操作时项目实现的可能性、难度、操作的时间和出现问题时分析和解决问题的时间，同时需要兼顾学生学习时的兴趣。最终选择了适用于电子工艺实习课程教学且贯穿其中的项目
7、小老虎温度报警器，如图 1 所示。学习过程以学生为主体，在学习操作设备、工具和流程，进行安全考试后，小组开始整个流程的分组设计及操作，发散思维，头脑风暴，老师在整个过程进行指导5。最后安排学生进行总结汇报，包括自己组别的设计思路、设计亮点、过程中遇到的问题以及解决方法，并提出意见和建议6。整个过程既可以锻炼学生的团队合作精神、收稿日期：20220814；修回日期：20230618 基金项目：哈尔滨工业大学（深圳）校级工程训练（电子工艺实习）课程在线开放课程项目（HITSZOOC202018）；哈尔滨工业大学（深圳）教学改革项目（HITSZERP19003）。作者简介：姜倩倩（1986），女，硕
8、士，工程师，主要从事电子工艺实习、电路、模拟电子技术、电子封装等实验教学方面的研究。E-mail:第 21 卷第 5 期实验科学与技术 Vol.21No.52023 年 10 月ExperimentScienceandTechnologyOct.2023设计能力与创新能力，又可以培养学生的工程素养。学习过程中遇到的问题及解决方法可以给其他组提供不同的思路，提出的意见和建议可以作为改进整个项目的参考，以便更好地提高项目质量7。本文中将着重介绍小老虎温度报警器的系统软硬件设计计算和故障诊断分析。系统软硬件设计半导体技术与电子封装导论手动焊接调试SMT 生产温度报警器PCB 设计及制造图1小老虎温度
9、报警器实现流程图1系统构成及实现方式1.1设计要求小老虎温度报警器设计需求为：自行设计一个温度报警器电路，要求工作温度范围为2070，实现以下功能：1）当温度高于 36 时，以 800Hz 的频率驱动蜂鸣器发声并且语音报警，同时亮红灯；2）MicroUSB5V 供电。温度偏差不超过 15%，频率偏差不超过 10%。扩展设计8：1）温度偏差不超过 1%，频率偏差不超过 5%；2）当温度低于 0 时，以 1kHz 的频率驱动蜂鸣器发声并且语音报警，同时亮黄灯。设计在基本功能的基础上，对于有余力的同学给出了扩展设计的要求。针对需求功能和设计条件，明确了：1）设计的电路所选器件需要考虑工作温度范围为2
10、070，对于一些器件工作温度在 0 以上或者最低温度大于20 均不满足条件；2）所选器件为单电源 5V 供电，必须双电源供电或者最低供电电压大于 5V 的器件均不满足要求；3）对于温度和频率偏差要求比较高的扩展设计可以考虑所选器件的精度或者更换电路形式。电路的逻辑关系如图 2 所示。从图 2 可以看出，温度采样电路把温度信号转换为电信号后进行信号的调理和判断，使得转换的电压处于可处理的范围。同时根据温度条件设置阈值判断条件，判断结果信号分别作为 LED灯亮判据、单片机语音提示处理信号的输入、与产生的方波一起驱动蜂鸣器。单片机处理接收到的信号后，输出至语音模块给出报警提示9。过程中包含硬件设计、
11、软件设计以及温度传感设计，同时可学习和趣味性兼顾，让学生在快乐讨论的氛围中锻炼了设计能力、团队合作能力以及各项工程能力，为以后的比赛、毕业设计、科研打下坚实的基础1011。温度采样电路信号调理、判断LED 灯亮语音单片机语音报警蜂鸣器报警方波发生器电路产生方波温度范围：2070；供电电压：单电源 5 V 供电超过 36转换为可以处理的电压范围并且设置阈值进行判断温度信号转换为电信号图2需求逻辑关系图第 5 期姜倩倩，等：电子工艺实习中温度报警器的设计与实现992电路的设计与计算2.1方波发生器电路对于单电源供电，仅用 MicroUSB5V 供电，即 VCC=5V，方波发生电路的电路形式可选择如
12、图 3 所示的方案。因为运放更改为单电源供电，为调节占空比和给出起振激励，在运放的正输入端通过 R3接入 VCC。CVCCVCCuoVouo00VC1VC1V1V1tttV2V2VC2VC2R3R2R1R4A+图3单电源矩形波发生电路工作原理图根据叠加定理，设输出方波电压 uo低电平为0，高电平为 Vo1。当方波输出为低电平时，此时运放正输入端的电压 VC2为：VC2=VCCR2/R1R2/R1+R3（1）当方波输出为高电平 Vo1时，运放正输入端的电压 VC2为：VC2=Vo1R2/R3R2/R3+R1+VCCR2/R1R2/R1+R3（2）V1=VCCR2/R1R2/R1+R3V2=Vo1
13、R2/R3R2/R3+R1+VCCR2/R1R2/R1+R3设，。VC1=0VC2=V1当电路开始启动时，电容 C 两端的电压为0，uo=0，即，运放的输出慢慢上升，开始通过 R4对 C 充电，电路开始起振。当 C 启动稳定工作后，电容两端的三角波电压范围为（V1，V2）。即从 V1充电到 V2，从 V2放电到 V1，其中充电过程为：V2=V1+(Vo1V1)(1et/R4C)（3）t=DT其中，则波形周期可近似为：T=R4Cln(Vo1V1)/(Vo1V2)D（4）波形的周期由电阻 R1、R2、R3、R4，电容 C以及供电电压共同决定。实际设计的电路和测试如图 4 所示。=f0 ff0=3.
14、737 5%（5）ff0图 4 中所测频率 为 770.1Hz，要求的频率为 800Hz，偏差为 3.7375%，满足设计要求。Vm2R38.2 kU1BLM2904/NS+56V+8V4OUT7U1ALM2904/NS+32V+8V4OUT1VC1Vsq1C50.1FVCC+VC2VCC+C60.1FR20150 kR6100 kVCC+R9100 k图4实际工作原理图及所测波形图2.2温度采样及信号调理电路温度采样电路有多种实现形式，可以用温度采样芯片、热敏电阻或者热电偶。考虑到学生操作的趣味性和设计难度12，在鼓励学生创新的基础上，可选择 RPT100热电阻进行温度采样电路的设计，此设计
15、难度适中且可以直观操作 RPT100热电阻，观察实验现象。RPT100具有精度高、性能可靠和稳定性好的特100实验科学与技术第 21 卷点。而且铂热电阻的电阻变化率与温度的关系曲线线性度良好13。RPT100对应的是 0 时电阻的阻值为 100，RPT100存在铂热电阻的自发热问题，因此设计电路时需要考虑通过的电流大小，一般要求小于 10mA，但是若电流太小很容易受到噪声干扰，因此通过电流在 0.52mA 的范围内即可。根据学生能力的不同，给出了采样精度不同的设计要求，供有能力的学生进行拓展延伸设计14。对于采样精度要求比较低的方案，可以使用桥式采样差分放大的形式，如图 5 所示。VCCVCC
16、Vo1U1R3R2R1R5R5R4RPT100V+VR1+图5温度采样及信号调理电路图根据 RPT100温度阻值对照表可以得到，当温度为 0 时，电阻为 100，当温度为 36 时，阻值为 114。令 R2=R3，R4=100。根据 RPT100中通过电流的范围（12mA）以及 VCC的电压（5V），可以确定 R2和 R3的值。此方案使用的是差分放大电路，输出为：Vo1=R5R1(V+V)=R5R1(RPT100RPT100+R2R4R3+R4)VCC（6）根据后级电路的电压范围，可确定 R5和 R1的值。图 6 为温度检测及信号调理和阈值判断电路。从图 7 和图 8 的波形可以看到，当处于实
17、验室的常温温度条件下，温度检测及调理电路输出电压为 1.8V，阈值判断电路输出为低电平，不报警。当用手握住 RPT100热电阻后，温度高于阈值条件，温度检测及调理电路输出电压升高为2.26V，阈值判断电路输出电压为 3.58V，传送到后级电路触发报警。VCC+R25U3ALM2904/NS+32V+8V4OUT1R30R31VCC+J3J2PTU3BLM2904/NS+56V+8V4OUT7VCC+C11NAR3210 kR3310 kVCC+C9100 nFR23R28R29VinR21PT+(a)温度检测及信号调理电路图6采样和阈值判断电路图第 5 期姜倩倩，等：电子工艺实习中温度报警器的
18、设计与实现101R35VCC+R5C100.1 FU2ALM2904/NS+32V+8V4OUT1Vm1VcpVCC+R34C70.1 FR7U2BLM2904/NS+56V+8V4OUT7R19VinC12100 nFVCC+Vo1D6NA(b)阈值判断电路图6（续）CH1:阈值判断电路输出；CH2:温度检测及信号调理电路。图7常温小于阈值不报警CH1:温度检测及信号调理电路；CH2:阈值判断电路输出。图8温度高于阈值开始报警同时要求进行不同温度条件下温度采样及调理电路的精度分析，使用 61/2 位数字万用表进行实际数值的测量，结果如表 1 所示，可以看到设计的电路基本满足要求。表1不同温度
19、结果分析实际温度/温度采样结果计算值/V实际测量值/V精度偏差/%362.6532.259214.844382.8012.384314.877402.9652.529514.688423.1112.659314.519443.2572.793114.243463.4052.920314.235483.5513.063213.737503.6963.190113.6882.3单片机电路阈值判断电路的输出 Vin输入到语音单片机的 I/O 口，通过端口烧写程序，使得当 Vin为高电平时，输出端口控制音响发生语音报警提示。编写不同程序时可以控制语音报警的音量，选择报警提示的内容以及自主制作上位机调试
20、操作界面，极大地锻炼了学生的自主性，提高了过程的趣味性和学生的积极性。上述为设计备用方案，大部分学生在设计的过程中团队合作，设计出很多优秀的方案。2.4故障诊断分析设计完成后的电路，在后面的调试过程中可能会出现各种问题和故障，为了提高学生分析问102实验科学与技术第 21 卷题和解决问题的能力，设计完成后加入了故障诊断分析。故障诊断分析包括故障模式分析和故障原因分析两部分。故障诊断模式包括 3 种：一是根据经验结合变化的条件，判断整个电路的故障模式；二是通过对电路原理的分析，分析出电路中所包含的元器件可能出现的故障情况；三是参考行业和国家的标准手册。温度报警器电路包括 6 个功能模块，所用的元
21、器件大概有 60 个，以温度检测电路为例，进行故障诊断分析。如表 2 所示，此部分的器件有20 个，包括元器件的类别，元器件的位号，在实验室调试过程中可能会发生的故障现象以及分析元器件的故障模式和故障产生的原因。表2故障信息整理元器件位号故障现象故障模式分析实验室故障原因分析片式厚膜电阻器R5、R7、R19、R21、R23、R25、R28、R29、R30、R31、R32、R33、R34常温条件下一直报警或者超过36不报警开路浪涌引起的损坏；焊接断裂；电阻硫化；过载损坏短路焊接短路多层磁介片式电容器C7、C9、C10、C11、C12超过36报警断断续续开路热应力；浪涌电压过压失效；瞬时过流烧毁短
22、路热击穿；瞬时反向击穿；焊接短路肖特基二极管D6U2B的输入信号异常时，损坏了运放断路正向过流或者反向过压击穿LM2904芯片U2常温或者超过36均不报警输出失效焊点断裂短路供电电源电压过大或者输入端的信号超过最大范围从而产生内部击穿；管脚焊接短路RPT100热电阻J1超过36不报警检测失效传感器失效学生在学习此部分内容后，可以预判调试过程中可能出现的故障现象，掌握产生故障的模式以及原因。将故障反馈到设计电路中，引导学生设计出可靠性更高的电路。在后续的调试课程中，引导学生结合实际，锻炼学生分析和解决实际问题的能力，为以后的比赛和科研设计出更可靠的电路打下坚实的基础。3拓展设计对于学习能力比较强
23、的学生，提出了以下设计要求：温度偏差不超过 1%，频率偏差不超过5%，当温度低于 0 时，以 1kHz 的频率驱动蜂鸣器发声并且语音报警，同时亮黄灯。3.1提高温度采样和输出频率精度提高方波发生器电路的输出频率精度，可以通过把所选阻容器件的精度提高到 0.5%或 0.1%的方法来实现。对于设计精密的温度采样电路15，需要严格控制通过 RPT100的电流和采用集成单电源仪表运算放大器 AD623。一般情况下使用恒流源的形式使得通过 RPT100的电流恒定，整体方案可以采用如图 9 所示形式。对于恒流源电路的设计建议学生参考模拟电子技术基础上关于电流源部分的内容16，使得通过 RPT100的电流值
24、稳定。根据 AD623 的数据手册，上面电路的输出为：Vo1=(1+100kR5)(V+V)=(1+100kR5)I(RPT100+R2)R4R3+R4VCC（7）图 10 为设计的恒流源。整个电路的工作原理是调节运放的输出使得三级管 Q1 处于线性区，运算放大器的输出电压范围受到电源电压的制约，线性区一般在一定的范围内，建议设计时输出电压小于 3.6V。根据流过 RPT100的电流值和运放输入端要求的范围以及后级放大倍数，运放输入端要求的范围，可以确定电阻 R3、R4和 R5。VCCVCCR3R6C1V+VRG+AD623Vo1+RGC2R5C3isRPT100R4R7图9温度采样及信号处理
25、电路第 5 期姜倩倩，等：电子工艺实习中温度报警器的设计与实现103VCCR32V1R58R29C12C18100 nFR59C9C100.1 F10 FU23VCCVCCVinIN+RG+RGOUTAD623VEEREFIN10 nF10 nFC11(b)温度采样及信号调理部分R331 k1 kVCCR50R515+6OUTVCCC190.1 F7LM2904/NS2384VVPTR4948V+V+OUT11 kR54 PT+Q12N2222AVCCLM2904/NS6U24BOUT7OUTV1(a)恒流源部分VCCC200.1 F5+V4V+8LM2904/NSU3BU3B图10电路原理图
26、从图 11 的波形可以看到，当处于实验室的常温温度条件下温度检测及调理电路输出电压（CH1）为 1.87V，阈值判断电路输出（CH2）为低电平，不报警。当用手握住 RPT100热电阻后，温度高于阈值条件，温度检测及调理电路输出电压平均值为2V，阈值判断电路输出电压平均值为 2.62V，传送到后级电路触发报警。用 61/2 位数字万用表进行更进一步的有效值测量。测量的结果如表 3 所示，温度在 36 时精度偏差为5.0191%，与 5%的精度要求还差0.0191%，可在后续的设计中进行改进，其余温度范围均满足设计要求。3.2低温报警设计低温报警设计需要考虑低温条件下元器件的选型以及器件供电的需求
27、，如需要双电源供电，可以考虑使用电源芯片或者电源模块进行电源的转换。这部分也是学生自由发挥，满足设计要求即可。104实验科学与技术第 21 卷(a)常温小于阈值不报警(b)温度高于阈值开始报警CH1:温度检测及信号调理电路；CH2:阈值判断电路输出。图11电路波形图表3不同温度结果分析实际温度/温度采样结果计算值/V实际测量值/V精度偏差/%361.86091.95435.0191381.89741.99084.9225401.93392.02734.8296421.97042.06384.7402442.00692.10034.6539462.04382.13734.5748482.0803
28、2.17384.4945502.11682.21024.41234结束语温度报警器项目贯穿在整个电子工艺实习课程中，学生首先根据要求完成理论内容、流程方法、工具等内容的学习后，开始按照小组进行软硬件设计。每组学生根据需求可以给出不同的方案，通过仿真验证和原理图的绘制进行设计和故障诊断分析，同时开始软件的编写、选择元器件、电子封装 LED 器件17、绘制 PCB 板、手工制作出印制电路板、组装元器件和调试。调试过程出现问题时结合前面的故障诊断进行分析，找出定位故障原因，最终完成温度报警器的设计与制作，学生制作的温度报警器如图 12 所示。每组学生设计的内容均不相同，过程中学生反应很好，极大地提高
29、了学生动手的兴趣和主动性，从被动学习到主动学习18，锻炼了团队合作能力，设计能力以及其他工程能力，取得了良好的教学效果。图12学生制作的温度报警器成品图参考文献叶晓勤.新工科背景下工程训练中心创新人才培养探究J.实验技术与管理,2019,36(12):274277.1吴屏,杨静,李苑青,等.面向工程创新能力培养的电子工艺实习研究J.实验科学与技术,2021,19(1):17.2吴屏,李苑青,王丹丹,等.Cadence在电子工艺实习教学案例中的应用J.电气电子教学学报,2020,42(6):120124.3佟丽娜,秦传磊.面向创新能力培养的“电工电子学”实践教学探究J.实验技术与管理,2019,
30、36(9):1618.4周珂,赵志毅,李虹.学科交叉、产教融合工程能力培养模式探索J.高等工程教育研究,2019(3):3338.5李敏,廖冬梅,翟显,等.基于项目式教学的工程训练课程改革J.实验科学与技术,2022,20(3):127131.6张安富.项目化教学是提高工程型人才培养质量的有效之法J.高等工程教育研究,2019(3):166169.7傅丰林.低频电子线路M.北京:高等教育出版社,2003.8齐卫,王文青.项目式教学过程与效果评价J.河北师范大学学报（教育科学版）,2020,22(6):119121.9王秀梅,韩靖然.新工科背景下工程训练中心存在的问题与实践转向J.实验技术与管理
31、,2019,36(9):811.10吴涛,吴福培,包能胜.知识探究导向的层次化教学方法研究与实践J.高等工程教育研究,2018(1):146153.11李海,王茜,牟一卉.“互联网+”电路板设计实验教学的改革与探索J.实验室研究与探索,2018,37(5):213215.12DAVIS M.Introduction to a symposium:IntegratingethicsintoengineeringandsciencecoursesJ.ScienceandEngineeringEthics,2005(11):631634.13潘炜.传感器与检测技术综合实验课程设计J.实验技术与管理,2015,32(11):218220.14王群,蔡立军,刘彬彬,等.创新型工程训练教学模式的探索J.实验研究与探索,2020,39(8):236239.15童诗白,华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2019.16姜倩倩,吴屏,王亚男,等.电子封装在电子工艺实习中的探索研究J.实验科学与技术,2022,20(1):96100.17余勤,曾晓东,王建,等.新工程教育认证标准下课程教学的探索与实践J.实验技术与管理,2019,36(4):183187.18编辑王燕第 5 期姜倩倩，等：电子工艺实习中温度报警器的设计与实现105
