电网电压异常报警器的设计与制作电子课程设计报告.doc

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1、电子技术综合课程 设 计 课 程： 电子技术综合课程设计 题 目： 电网电压异常报警器的设计与制作 所属院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 通信104 姓 名 学 号： 指导老师 完成地点 501实验室 2012年 09月10日目 录任务书1电网电压异常报警器的设计与制作1一、任务和要求：1二、设计框图1三、提示和参考文献1前言21.方案论证31.1电源模块的设计：31.11降压电路31.1.2整流电路31.1.3滤波电路31.1.4稳压电路41.2采样及比较模块的设计：41.2.1采样电路41.2.2比较电路41.3报警模块的设计：52.具体电路设计62.1电源电路62.2采样及比较电路

2、62.3报警发声电路：83.软件仿真与硬件装调103.1电路仿真与调试103.1.1电源电路仿真与调试103.1.2比较电路仿真与调试103.1.3报警发声电路仿真与调试103.1.4整机调试123.2硬件装调123.2.1电路的调试、出现的问题及解决办法134、总结和体会14附录15附录A:集成三端稳压器7805的管脚及相关功能15附录B:集成三端稳压器7812的管脚及相关功能15附录c：集成三端稳压器7812的管脚图15附录D:集成运放LM324的管脚图及各个管脚功能16附录E：555定时器管脚图及各个管脚功能17附录F:单元整体电路18附录G：所需元器件清单20附录H 实物连接图22参考

3、文献23任务书电网电压异常报警器的设计与制作一、任务和要求：设计并制作一个电网电压异常报警器，要求如下：1、用压电陶瓷蜂鸣器作为电声元件；2、 设交流电网电压的正常波动范围为190V250V（单相交流有效值），在此范围内，报警器不发声。当电网电压低于190V或超过250V时，报警器发出声响，并根据声响的不同音调区分电压的高低，即：(1)当电压超过250V时，报警器发出两种频率交替的“嘀-嘟”声；(2)当电压低于190V时，报警器发出间歇式声响，即输出给蜂鸣器的电压波形。3、 允许AC220V供电，应设计并制作本电路所用的直流电源。因电网电压较高，需通过一个电源变压器将高电压降低至安全电压。电网

4、电压的波动可通过交流调压器来实现。二、设计框图直流电源电网电压信号电压比较电路音频报警电路 三、提示和参考文献直流稳压电源见参考资料P23前言“实践是检验真理的唯一标准。”大三开学伊始，我们便开始了为期三周的课程设计。上一学年我们开设了模拟电路技术与数字电路技术课，这两门学科都属于电子电路范畴，是我们通信专业的专业基础课，且都是理论方面的知识。学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期模电、数电刚学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。这是一次对我们所学知识的检验，课程设计是将理

5、论知识应用到实践中，是理论和实践的结合，此外的电子技术综合课程设计是将我们所学的模拟电子技术基础和数字电子技术基础的综合应用，欲通过此次课程设计将我们所学的理论知识运用到生活实践之中去，一致更好的学习理论知识。我们此次的设计任务是“电网电压异常报警电路的设计和制作”， 主要是针对我们学习模拟电子技术之后与数字电子技术基础综合起来，进行综合设计培养以我们独立分析、思考与解决实际问题的能力，以及如何将所学的课程运用于实践中。通过此次的课程设计，我们应该达到以下的基本要求:1、能够在理论知识的基础进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，合理的进行选择和运用。2、能够独立的对课题进行分析，运用所学的理论知

6、识，通过翻阅资料，设计出最优方案。3、学会电子电路的安装与调试技能培养我们分析与解决问题的能力。本次课程设计三个人为以一小组，进行团队合作进行，共安排三周时1.方案论证本次课程设计为期三周，此次我们组的课题是电网电压异常报警电路，在此课程设计过程中所涉及到的知识主要是模拟电子技术基础及数字电子技术基础等，经过构思，及讨论可以通过电源电路模块、采样及比较电路模块、报警电路模块三个主要模块来构成电网电压异常报警电路。1.1电源模块的设计：1.11降压电路降压电路采用变压器直接变压，输出16V交流电。也可以用电容降压，但考虑到比较危险，而变压器转换效率高，漏磁少，可以减少整机功耗。故最后采用变压器变

7、压。1.1.2整流电路整流电路一般分为半波和全波整流。全波整流与半波整流相比，在相同的变压器的副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点，因此得到相当广泛的应用，其中桥式整流最为常用。鉴于以上优点，本设计采用了桥式整流。1.1.3滤波电路电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻的两端），并联一个电容即构成电容滤波电路。滤波电容容量较大，利用其充放电作用，使输出电压趋于平滑。本设计采用RC型滤波器进行滤波，并配合后级的电解电容和瓷片电容使输出的直流电压更加平滑，纹波电压更小。图1.1.3 RC-型滤波电路模版1.1.

8、4稳压电路稳压电路有稳压二极管型稳压电路、串联型稳压电路和集成稳压器电路等类型。本着使电路简单化、高效化、稳定化的思想，本设计采用了集成稳压器型稳压电路进行稳压，为集成运放提供工作电压以及为比较器提供稳定的基准电压，保证了电网电压报警的准确性。稳压电路运用三端集成稳压器来稳压。需要稳压芯片7812.7912.7805.1.2采样及比较模块的设计：1.2.1采样电路采样电路的功能是从电网电压分压后采样当前电压，然后送至比较器进行比较，检测电压是否异常。本设计采用两个电阻分压采样。1.2.2比较电路比较电路是本设计的核心部分。它是由两组运放组成的上下限比较器。由两组电阻降压后的6V电压分压后分别给

9、比较器提供基准电压，改变此基准电压即可改变报警上下限（本设计设定上下限为190V250V），使本设计更加通用。由采样电路采样到的电压与两基准电压分别进行比较，即可检测出电网电压是否异常，并输出相应信号驱动后级报警系统。设计时应当注意尽量不使运放的两输入端电压高于其电源电压。1.3报警模块的设计：555时基电路是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它能极方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器等。由于它使用方便，故本电路使用555组成报警电路。本报警电路可发出“嘀嘟”和“嘀嘀”两种声音报警。由比较电路的输出信号来控制其发声类型，以区别电压异常是过压或欠压。2.具体电路设计2.1电源电路

10、当今的电子产品中电源电路种类颇多，有最为普遍的变压器式电源，也有较为先进的开关电源，还有一些采用较为简单的阻容降压式电源以及最为普通的干电池电源。各种电源均有优缺点，应用的场合也因此不同。变压器式电源较为普遍，制作简单，使用也很安全，但是其体积较为笨重，转换效率较低；开关电源输出功率大，体积和重量都较小，但是其制作复杂，成本也较高一些；阻容降压式电源电路简单，易于制作，但其直接与电网相接，比较危险；干电池电源最为常用，但其使用时间短，提供电压有限，受其体积限制。由于本设计要求不使用外部电源供电，故综合考虑上述原因，本设计采用变压器式电源。图2.1 直流电源电路2.2采样及比较电路由于本设计为上

11、下限报警，所以用LM324搭成两组比较器分别用作上限和下限比较。二极管D4D6起到保护运放LM324的作用，使得运放两输入端电压差不致过高。有电网采样到的电压分别与上下限基准电压比较，高于上限则给超压报警电路一个信号输出，反之，低于下限则给欠压报警电路一个信号输出。上下限的基准电压可由下列公式计算得到：U上电网电压上限分压比；U下电网电压下限分压比。分压比是指正常电网电压下采样电压与正常电网电压的比值。本设计中，电网电压上限为250V，下限为190V，正常电网电压下采样电压为5V，代入上述公式得: U上=5.0V；U下=3.8V。图2.2.1 采样电路 图2.2.2比较电路2.3报警发声电路：

12、报警电路由单频模块与双频模块组成，由多个555定时器（见附录D）构成的多谐振荡器组成单双频报警电路。单频报警电路由555定时器构成两级多谐振荡器，第一级的工作频率由R1、R2和C1决定，f1=1.43/(R1+2R2)C1,f1=0.7Hz。第二级的振荡频率由R3、R4、C2决定，并且受Vo1控制，f2=1.43/(R3+2R4)C2，f2=700Hz10kHz,有R4调节。Vo2的输出可推动蜂鸣器发出断续笛音。图2.3.1 单频报警器电路图2.3.2 双频报警器电路3.软件仿真与硬件装调3.1电路仿真与调试电路的仿真是在仿真软件proteus 7.9中完成的，电路参数均选的是默认参数。3.1

13、.1电源电路仿真与调试由于本设计使用了集成稳压芯片，其稳压性能比较理想，所以调试较为简单。仿真时只需使用电压表工具测试各点工作电压是否正常。首先将输入电压设为交流220V，然后测量整流滤波后的电压是否为直流12V，测量并调整采样点电压为5V。测量7805输出是否为稳定的5V输出。将输入电压分别设为交流190V和250V，测量整流滤波后电压，与理论值比较大致相当。测量采样点电压并与理论值比较，应与理论值相符。测量7805输出电压，大致为5V，有细小的偏差，稳压效果较好。3.1.2比较电路仿真与调试本设计中比较电路应用了输入保护电路，用于保护比较器。但在正常情况下两输入端电压差不足以令保护二极管导

14、通，所以两输入端电压应与不加保护时相差不大，故仿真调试时可直接计算。使用电压表工具测量两个基准电压点的电压，调节可变电阻，使上下限电压分别为5V和3.8V，观察此时可变电阻的接入值，与理论计算相差不大。将输入电压增大，直到比较其两输入端电压差大于0.7V，是用电压表工具测量两输入端电压，始终为0.7V，保护电路设计成功。3.1.3报警发声电路仿真与调试将报警发声电路连接好，注意NE555管脚的排布方式。电路连接好后首先给“嘀嘟”声控制输入端加一个高电位的信号，输出端使用示波器和speaker工具。运行电路，观察示波器显示波形，为高低两种频率相间的方波（方波形状有些失真）。运行一段时间后（看工作

15、区下面的运行时间，1秒左右即可），停止运行，并双击speaker工具，打开面板，单击play按钮，使用耳机监听发出的声音，调整两组555的振荡频率，重复上面的工作，直到从耳机里听到的声音与要求大致相符。将“嘀嘀”声控制输入端选通，使用上面的方法调试“嘀嘀”声。图I 单频报警电路波形图图II 双频报警器波形图3.1.4整机调试将以上各部分连接起来，确保无误后运行仿真，调整输入端电压使其高于上限或低于下限，电路发出相应的报警声。至此，仿真与调试完毕。3.2硬件装调首先在安装连接电路之前首先将各类元器件分类好，对面包板有一个清晰的认识，以免在连接电路时浪费时间、错拿元件及连接错误。其次在连接电路时，

16、检测芯片是否正常工作，认清管脚装配图，及各管脚的功能。最后在连接电路时应分清主次，不要胡乱连接电路，以免发生连接电路时发生错乱。我们应该按模块进行连接，例如电源模块、比较电路模块、报警电路模块，各个模块检测无误后，再将各个模块连接到一块进行安装与调试。3.2.1电路的调试、出现的问题及解决办法报警电路模块：在连接完成单频报警电路时，将其连接到直流电源发生器进行工作，发现蜂鸣器所产生的声响只能细微听到滴滴的声音、而且不清楚、比较杂乱、频率很快，经我们组内人员分析，得出结论。可能是第一片555控制第二片555信号持续时间不够长的原因，于是调整第一片555芯片上的R，将其阻值加大，加大阻值在于能第一

17、片555的控制信号的低电平持续时间较长。结果测试时效果明显、能清楚听到滴滴的声音，而且声音比较大。在同样连接完成双频报警电路时，将其连接到直流电源发生器进行工作，发现蜂鸣器不产生的声响，以为蜂鸣器坏了，结果换上新的蜂鸣器后还不响，最后发现可能是蜂鸣器前端的电解电容产生干扰，因为电解电容需要时间进行充放电，因此产生干扰，于是将其拿掉后，立即听到清晰的滴嘟声。整个电路模块：当将各个模块连到一块进行调试时发现报警电路所产生的报警声非常小，当使用万用表进行检测时发现稳压管两端电压远低于5V，以至于报警电路无法正常工作，然后将稳压管前的保护电阻阻值减少，发现报警电路所产生的报警声明显变响亮，更清晰。4、

18、总结和体会当我拿到这次课设的题目时，我就已经是一片茫然。因为电网电压异常报警器这个课题用到的知识，几乎都是大二第一学期开设的模拟电子技术基础的内容。本来就没学到多少，又过了这么一段时间，都忘得差不多了。可是，放弃不是我的性格，所以，只有从头来过，到处查找有关的资料。把课本拿出来再次钻研。这时候才终于知道把知识掌握牢靠是多么的重要。经过两周的努力，我终于完成了我的课程设计任务。能够取得这一成绩我首先要感谢我的指导老师，是他为我们的课程设计方案提出了很多宝贵的意见和建议并且在实现操作上给我了很多的建议，感谢系上为我们提供良好的实验环境，使我的课程设计得以顺利的开展、改进，进而最终促使我完成了课程设

19、计任务。此外还有我们同组的组员，她们给我提供了许多有用的资料以及见解供我参考。在此次课程设计过程中，我发现有很多东西都是老师曾经在课上讲过的知识，譬如说电路的电源电路还有稳定电路等。电路中比较难的部分就是报警电路部分，因为需报警器发出两种频率交替的声响进而要反复的进行调节。总的来说，这次设计的电网电压异常报警器还是比较成功的，完成了课程设计的任务。在设计中遇到了很多问题，例如，实际电路的电阻选择，电路中某段没有电压，电路不工作。最后在大家的排查下，终于游刃而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且增强了自己的动手能力，锻

20、炼了我们的思维，同时也增强了我们对专业课的兴趣，使自己对以后的路有了更加清楚的认识为我们将来发展打下坚实的基础。附录附录A:集成三端稳压器7805的管脚及相关功能1脚：输入 2脚：接地 3脚：输出附录B:集成三端稳压器7812的管脚及相关功能1脚：接地 2脚：输入 3脚：输出附录c：集成三端稳压器7812的管脚图附录D:集成运放LM324的管脚图及各个管脚功能（a）集成运放示意图1、5脚：调零端；2脚：反相输入端；3脚：同相输入端；4脚：负电源电压；6脚：输出端；7脚：正电源电压；8脚：空脚。附录E：555定时器管脚图及各个管脚功能1脚：GND，一般情况下接地。8脚：VCC(或VDD)外接电源

21、VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.516V，CMOS型时基电路VCC的范围为318V。一般用5V。3脚：OUT（或Vo）输出端。2脚：TR低触发端。6脚：TH高触发端。4脚：R是直接清零端。当R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：CO(或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0.01F电容接地，以防引入干扰。7脚：D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。电阻分压器由三个5k的等值电阻串联而成。电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比

22、较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表1示。附录F:单元整体电路附录G：所需元器件清单器件名称 规

23、格 数量（个）变压器 220V-16V 1整流桥堆 2W005G 1电容 1000uf 1电容 100uf 1 电容 33uf 1电容 10nf 2电容 10uf 1电容 0.01uf 1电容 1nf 1稳压管 7812 1稳压管 7805 1定时器 555 3电阻 20K 2电阻 10K 3电阻 1K 2电阻 50K 1电阻 47K 6滑线变组器 10K 2稳压二极管 BZX85C 2比较器 LM324 2蜂鸣器 BUZZER 2附录H 实物连接图参考文献1 童诗白、华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社.20012 彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社.19973 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社.20064王港元.电工电子实践指导.江西：江西科学技术出版社.2003