张畅电网电压报警器.doc

Shaanxi University of Technology电子技术综合课程设计题 目 电 网 电 压 异 常 报 警 器 学生姓名 张 畅 学号 0713024037 所在院(系) 陕 西 理 工 学 院 电 信 工 程 系 专业班级 通 信 工 程 专 业 0 7 级2 班 指导教师 张 志 伟 完成地点 陕 西 理 工 学 院 电 信 工 程 系 实 验 室 2009年 10 月 09课程设计任务书 电 网 电 压 异 常 报 警 器 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 190250V（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： 一.当电压超过250V时，报警器发出两种频率交替的“嘀-嘟”声; 二.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. 只允许AC220供电，应设计并制作本电路所用的直流电源。 指 导 教 师 张 志 伟 系(教 研 室) 通 信 工 程 教 研 室 接受任务开始执行日期 2009 年9月 日 学生签名 前言课程设计是将理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的综合应用。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。 本次课程设计四个人为以一小组，进行团队合作进行，共安排三周时间。第一周前三天是我们设计电路图的时间之后让老师修改，不像我们平时做实验那样不懂的也就任其匆匆而过。充分的时间让我有更过阔的独立思考空间，从老师布置任务开始到给出实验电路基本轮廓到实验室的操作再到现在实验报告，无不亲历而为收获颇多。目录前言2第一章方案的选择与论证4 1.1 方案1 4 1.2 方案251.3 方案论证6第二章单元电路设计8 2.1 电源模块设计 8 2.2 比较模块设计82.3 报警电路设计 10第三章实验安装与调试133.1 13 3.213 3.314总结与体会15参考文献附录1 总体电路原理图附录2 元器件清单附录3 芯片管脚图附录4 试验相关数据第一章 方案的选择与论证要实现任务书上的各个功能需对其分模块设计。可将其分为三个模块：一、电源模块它对整个电路提供电源；二、放大模块及比较它将温变电阻微小的电压变化放大到一定倍数以便比较模块进行比较并且将放大的信号与基准进行比较并向下一模块输出比较结果;三、报警模块根据比较模块的比较结果进行单频或双频报警。构成框图：降压电路整流滤波稳压采样报警1.1方案一1.1.1电源模块：（1）降压电路降压电路用变压器直接变压，采用220-18变压器输出18V交流电。（2）整流电路采用1A50V进行桥式整流。（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，采用RC型滤波器进行滤波。（4） 稳压电路采用集成稳压器型稳压电路进行稳压。1.1.2比较电路由于本设计为上下限报警，所以用LM324搭成两组比较器分别用作上限和下限比较。1.1.3报警电路:本设计要求超压报警使用“嘀嘟”声，欠压报警使用“嘀嘀”声。实现这两种声音报警有多种方法，最为常用的是使用制作成成品的音乐IC。但是为了练习使用555时基电路，本设计采用555作为发声电路的核心。报警电路模块由三块555，及两个压降陶瓷蜂鸣器及其他相关元器件构成，使用比较电路输出的信号作为控制两种声音切换。1.2方案二1.2.1电源模块：（1）降压电路采用干电池电源。（2）整流电路采用半波整流整流。（3） 滤波电路采用电容滤波电路（4） 稳压电路采用稳压二极管型稳压电路。1.2.2比较电路由于本设计为上下限报警，所以用两个F741搭成两组比较器分别用作上限和下限比较。1.2.3报警电路:本设计要求超压报警使用“嘀嘟”声，欠压报警使用“嘀嘀”声。实现这两种声音报警有多种方法，最为常用的是使用制作成成品的音乐IC。但是为了练习使用555时基电路，本设计采用555作为发声电路的核心。由于两种声音均需两块555构成，故选用一片内含两块555电路的NE556芯片。为了节约成本，将两种声音发生电路整合到一起，使用比较电路输出的信号作为控制两种声音切换1.3方案论证及确定2.3.1电源模块：（1）降压电路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，综合考虑上述原因，本设计采用变压器式电源。.（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。故采用1A50V进行桥式整流。（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，所以采用电容滤波电路是可行的。（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。1.3.2比较电路由于本设计为上下限报警，所以用两个F741搭成两组比较器或者用LM324成两组比较器分别用作上限和下限比较均是可行的而鉴于使用LM324只需一片即可故选用LM3241.3.3报警电路:本设计要求超压报警使用“嘀嘟”声，欠压报警使用“嘀嘀”声。实现这两种声音报警使用方案一与方案二均能实现但是由于实验室556芯片缺少，故选用三个555及相关元器件构成的报警电路。第二章 单元电路的设计根据论证的结果作出如下设计2.1电源模块的设计电源模块采用220-18变压器降压，1A50V桥式整流堆进行整流，RC型滤波器进行滤波。实验电源电路图如图-1所示：2.2比较电路的设计根据论证结果采用一片LM324为核心及相关元器件构成。由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4.1V，代入上述公式得: U上=4.7V；U下=3.6VLM324十四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源公用外四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图中所示的符号来表示，它有5个引脚，其中“+”“-”为两个信号输入端，“v+”，“v-”为正，负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中Vi-（-）为反向输入端，表示运放输入端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号相位相同。LM324的引脚排列见下图：比较电路如下：其中，放大信号LM324两个输出端的接下级模块；Vcc和上下限电阻接+12V电源电压。通过控制上限和下限的电阻可以改变LM324的IN-和IN+的电压从而来设置比较器的上下限。设计参数：U下限=3.56V；U上限=4.69VR1=30K R9=100K调节R9模拟电网电压变化分压电阻接入电阻R3=100K64KR4=100K 43K 放大信号电压-3.63.64.74.7+单频报警信号低低高双频报警信号高低低2.3报警电路的设计如论证结果本设计报警电路模块由三块555，及两个压降陶瓷蜂鸣器及其他相关元器件构成，使用比较电路输出的信号作为控制两种声音切换。555的各个引脚功能如下：1脚：GND，一般情况下接地。8脚：VCC(或VDD)外接电源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。其电路图如下图所示：设计参数:U=5 V, R1=10K, 分压电阻接入电阻R2=100K95KR3=100K 55K构成的双频4端子有输入时双频报警，单频4端子有输入时单频报警第三章 实验的装调3.1电源电路连接与调试：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。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18，测量并调整采样点电压为4.1V。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。3.2比较电路连接与调试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R5和R6，使上下限电压分别为4.7V和3.6V。用稳压电压源提供电源和模拟的放大信号，然后调节电阻可以改变上下限，发现总是差一定的误差，经过讨论发现是由于电压表的未调零和电阻的回程误差引起的，经过改正后，电压误差已符合任务书要求。经过实际测量得到以下参数：U下限=3.6V；U上限=4.7VR1=10K R9=100K调节R9模拟电压波动：达到下限报警电压是接入为25K，达到上限报警电压时接入为32K分压电阻接入电阻R2=100K51KR3=100K 38K放大信号电压-3.6V3.6V4.7V4.7V+单频报警信号0011.5V双频报警信号11.5V003.3报警发声电路连接与调试将报警发声电路连接好，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（看工作区下面的运行时间，1秒左右即可），停止运行，调整两组555的振荡频率，重复上面的工作，直到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。3.4整机调试将以上各部分连接起来，确保无误后调整输入端电压使其高于上限或处于上下限电压之间或低于下限，电路发出相应的报警声或不报警。至此，方案调试完毕。总结与体会 经过两周的努力，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，是他为我的课程设计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计任务。此外还有那些关心我的同学，他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。总体看来，我基本上完成了课程设计任务书上的要求，完成了课程设计任务。这次课程设计增强了我的动手能力，锻炼了我们的思维，同时也增强了我们对专业课的兴趣，为我们将来发展打下坚实的基础。参考文献1 清华大学 童诗白、华成英主编模拟电子技术基础第四版P420-436，P514-522，P540-552，2 清华大学 阎石主编数字电子技术基础第四版P489-4973