交流电压超限报警器

课程设计说明书课程设计名称： 模拟电路课程设计课程设计题目： 交流电压超限报警系统设计学 院 名 称： 信息工程学院专业： 信工春晓班 班级： 100401 班学号： 10040110 姓名 ： 饶钦程评分： 教师： 陈琼2012 年 3 月 1 日模拟电路 课程设计任 务书20 11 － 20 12 学年 第 2 学期 第 1 周－ 7 周注： 1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、 课程设计结束后与 “课程设计小结” 、 “学生成绩单” 一并交院教务存档。题目 交流电压超限报警系统设计 (控制模块 ) 内容及要求当检测电压超过设定上下限值时， 发出蜂鸣器报警声， 要求报警声嘀嘀间断发声，频率约 1HZ。进度安排1. 布置任务、查阅资料、选择方案，领仪器设备： 第一周 2 天；2. 领元器件、焊接、制作：第一周 3 天3．调试：第二周 2 天4. 验收：第二周 0.5 天5. 写报告：本学期 3～ 7 周学生姓名：饶钦程 周楠树 田瑶 饶智博指导时间 : 第 1～ 2 周 指导地点： F 楼 207 室任务下达 20 12 年 2 月 13 日 任务完成 2012 年 2 月 2 2 日考核方式 1. 评阅 □ 2. 答辩 □ 3. 实际操作□ 4. 其它□指导教师 陈琼 系（部）主任摘要电压报警器是专用监控电压高、 低的变化。 由于供电网过载或其他原因， 造成电压过高、 过低， 导致电器、 机械等受到影响及损坏。 监测供电电压低下限报警 （自选设置低下限电压报警度数） ， 当出现低下限电压报警度数的时候， 报警器立即发出高音报警声，提醒周边的人们。本次交流电压超限报警系统由电源电路 ,电压取样电路 ,有源滤波电路 ,精密整流电路 ,比较控制电路 ,方波发生电路 ,报警电路组成。电源提供运放的正常工作，为整个电路提供能量。电压取样则是收集外界的交流电压，经过精密整流、有源滤波后转换为直流电压，比较控制则是通过电位器的调节来确定上下电压，从而判断外界的电压是否在正常的范围内， 当不在正常范围内， 方波报警会产生报警信号。本文简单介绍了整体电路的设计方法，重点介绍了控制模块的设计。本设计对交流超限电压能够起到很好的提醒功能， 对使用者来说是一个比较好的选择， 且具有能够调节比较电压的上下限， 可以调节方波的频率， 抗干扰能力比较强等特点。关键字：电压超限 有源滤波 精密整流 比较控制 报警目录第一章 绪论 1第二章 整体设计内容及要求 22.1 设计内容 22.2 设计要求 .2 2.3 设计目的 2 2.4 总体方案设计 ………………………………………………………………… .2第三章 控制模块电路设计及调试 . 43.1 控制模块电路的要求及实现的功能 .4 3.2 电路结构及参数设计 ………………………………………………………… .4 3.3 控制模块电路的仿真分析 ……………………………………………… 6 3.4 模块的调试结果及分析 …………… ……………………………… .6 3.5 调试中的问题 ………………………………………………………………… .7 第四章 系统电路设计 8 4.1 电源的设计 . 84.2 电压采样电路的设计 . 8 4.3 整流电路的设计 . 94.4 滤波电路的设计 . 94.5 比较控制电路的设计 . 10 4.6方波及报警电路的设计 .11 第五 章 系统调试 125.1 电路安装 12 5.2 调试 .12 第六章 总结与展望 146.1 总结 14 6.2 展望 14参考文献 16附录一 电路原理图 17附录二 芯片介绍 18 附录三 元件清单 . 191 第一章 绪论随着电子技术的飞速发展和各种报警电路的应用， 语音 /音效集成电路、传感器的不断推进， 一些新型的报警器已经开始在单位和家庭开始应用， 包括工农业生产、交通、机动车、通信、防盗和防灾等领域。而且现在电器已经完全普及到每个家庭中， 但对于很多使用者而言， 往往缺乏基本的知识和经验， 这将直接导致用电器的寿命大大减少， 这对于使用者来说是一个极大的损失。 交流电压超限报警器广泛运用， 不仅保护人生安全， 而且也更好的保护器件的使用， 使器件使用寿命更长。 如果我们的使用者能够安装一个报警系统， 当电压超过一定的电压值时， 整个电路就会自动报警， 给使用者一个提醒， 这可能会大大提高用电器的寿命， 而交流超限报警器就是针对这一敏感话题而设计的， 能够及时提醒使用者。这对一些不懂电学的使用者而言，无疑是一件比较好的事。目前， 这一技术在国内外已经得到很好的发展和提高， 人们不断提高对用电器的安全使用及对用电器的及时保护。 由我们这种最基本模拟电子技术来设计和控制的发展到用数字电路来实现及控制，最后通过单片机的编程来实现自动控制。 这对于我们电子技术来说是一个飞跃式的发展。 而且这一技术在国内外也越来越受到大众的关注， 人们开始大量使用这种报警电路来判断这个电路是否处于一个安全的状态。 由于我们现在学习的知识有限， 还不能达到很高层次的做好这个课题， 我们仅仅只用了我们所能运用的模拟电子技术来实现这一阁功能， 虽然说还是比较低级的， 但这对我们来说还是蛮成功的， 我们今后一定会用更好的技术来实现这一功能。目前，我们小组研究的这个课题是运用模电的知识来设计一个交流超限报警，学习一下团队精神，为以后学习打下更好的基础。本次设计主要是提高大家的动手能力，培养大家的团结能力。掌握系统设计的方法， 进一步提高系统设计理念。 在这次设计中， 这个电路主要是通过电源制作、信号采集、信号检测、控制转换、方波报警等一系列单元模块组合而成，整体实现了对超过设定电压就会报警的功能。2 第二章 设计内容及要求2.1 设计内容设计一个交流电压超限报警系统。2.2 设计要求1．可设定上下限电压报警值。2．当检测电压超过设定上下限值时，发出蜂鸣器报警声，要求报警声嘀嘀间断发声，频率约 1HZ。2.3 设计目的1. 通过该实验提高自身的实验素养， 实验操作、 设计、 分析能力， 学会将理论运用到实践当中，学会实验调试过程的分析和处理。2. 设计并完成一个可以达到相应设计要求的交流电压超限报警器。3. 学会电压采样。4. 学会滤波，整流。5. 掌握 KIA324、 lm324 等芯片的使用方法。6. 掌握通过一个放大器设计方波发生电路。7. 掌握反馈放大电路的计算与实际运用。8. 掌握比较器电路运用与设计。2.4 总体方案设计根据设计要求，本系统主要由电源电路、精密整流、有源滤波、窗口比较电路、单限比较电路、方波发生电路、报警电路等组成。其组成方框图如图 2.1所示：3 ———→ —————→ ———→ —←—↑ ↑ ↑ ↑↓ ↓ ↓ ↓← ← — ← ←图 2.1 系统组成方框图交流电压输入 电压取样单限比较器精密整流 有源滤波窗口比较器方波发生器报警电路电源4 第三章 控制模块电路设计及调试3.1 控制模块电路的要求及实现的功能设计一个窗口比较器， 并且可以调整比较器上下两端的门限值， 利用稳压管控制比较器出来的电压， 在利用单限比较器使得输入在窗口比较器门限内为高电压，反之则为低电压。本电路要求高低电压绝对值超过 6v，以便后面电路正常工作。 在这， 我们可以用两种方法实现这个功能。 第一种方案： 在第二段通过比较器使其产生反向电压，此时，需要更多一个电位计，且再次用到 12V 电压，比较烦。 第二种方案： 直接加反向电压跟随器， 比较简便， 但只要芯片稍微出点问题， 使得输出电压达不到 6v， 那样就不会产生报警信号。 综合以上两种方案，为了稳定一点，还是选择了单限比较器的方法。3.2 电路结构及参数设计一．窗口比较器的设计1. 窗口比较器的电路结构如图 3.1 是窗口比较器电路， 通过两个电位器来调节输入的上下电压限， 窗口是由两个 TL084CN运放构成， D1、 D2用来保证输出的是正向电压， D3用来限制输出的电压的幅值。以保证后面电路的正常工作。图 3.1 窗口比较器5 2.工作原理此次比较电压时通过电位计的调节来实现的。将两个电位器的三个脚分别是一脚接入地，中间脚接入放大器的一个管脚，最后一脚接在 12v 的电压源上，通过这样就可以实现电压的调节。 如果输入的电压在指定的电压之间， 则电压有输出为 0v,如果在这窗口比较器的比较电压之外，则输出为正的。利用两个运算放大器作为电压比较器。如果 Vin 比 Vref（高端）还高，则输出为正，而 D1 将导通，否则，输出为负的， D1 为反向偏置，从而 Vout 为 0v。同样，如果 Vin比 Vref(低端 )还低，则 Ic2 输出为正的， D2 正向偏置，输出为正的。否则， Vout是 0v,如果 Vin 处于由参考电压所设立的窗口内。 Vout 将是 0v。3.参数设计由于我们接受的比较电压是两个，所以在这还是选择了窗口比较器符合这一个要求，虽然两个单限比较器也可以实现这一功能，但从做工和效率上来看，本模块还是选择了窗口比较器， 从经济上来看， 选择了实验室提供的 lm324 来作为运放， 由于比较电压是通过电位器来分压的， 且整个电路工作在低频和低功耗的电路上， 不用太多考虑是否会被烧坏。 所以就选择了实验室提供的 104 电位器来进行分压。 D1、 D2 是保证其输出的正电压，只有当正向时才可以导通，这就保证窗口比较器输只有两种电压。 由于 D1、 D2 不需要考虑烧坏， 所以就选择了in4007，比较经济实惠。二 .单限比较器的设计1．单限比较器的结构如图 3.2 是的单限比较器电路， 2 端口是接上面的输出电压， R3 是用来调节比较电压，运放 TL084CN 是本单限比较器的主要组要结构。图 3.2 单限比较器6 2.工作原理单限电压比较器也是由单个集成运放构成，基本结构如上图所示。作用是将经过差分比例运算电路放大的两路温度传感器的压差值， 转换为高低电平两状态的变化， 以驱动发光二极管和蜂鸣器报警电路。 单限电压比较器的阈值电压UT 由 R3 、 R4 构成的分压电路来提供。 UT 的压值大小即 R3 、 R4 阻值的选择，由前一级差分比例运算电路输入为零时的输出电压值来确定。3.参数设计由于在本设计中，由于器材受限，设计的门限电压为 6~8v 之间，最后是一个单限比较器， 由于整个电路多工作在低频和低压状态下， 所以不用考虑太多。从经济和提供的器材来看，也是由一个 103 的电位器调节和 lm324运放来实现。3.3 控制模块电路的仿真控制模块的电路仿真及仿真结果得到如图 3.3：图 3.3 控制模块仿真及结果图3.4 模块的调试结果及分析1.调试结果：在本模块调试中，当接入直流电为 7v 时，第一个窗口比较器输出电压为 0，经过单限比较器的输出电压为 11.3v，当接入直流 10v 时，经过窗口比较器时，输出的电压为 11.02v，第二节的单限比较器输出为— 10.45v。2．分析：7 经过几次调试， 本模块最终符合了要求， 虽然结果有点误差， 但不影响整体实验效果。 依照原理， 最后输出为 12v 或 -12v， 但可能是电源的电压值不过 12v，而且导线消耗的电压使得输出的电压偏小。但基本还是成功 . 3.5 调试中出现的问题在本模块中， 刚开始时， 由于整个模块的设计存在欠缺， 整个电路的比较模块没有接地， 导致产生不了比较电压， 所以当接入 20v 时， 才产生方波。 第二是由于电源的制作比较慢， 当接入实验室提供的电源居然没有任何现象。 证实原来实验室的电源已经不足我们的电压了。 第三是芯片的不正确工作， 换了一块芯片，产生了比 6v 还低的电压，只能改进实验方法了。最后接入了一个单限比较器。最后产生了实验需要的结果。8 第四章 整体电路组成及其工作原理4.1 电源电路的设计电源电路如 4.1 图所示，外电压在 T1 作用下将 220v 降压至 12v，再通过桥堆、电容 C1、 C3 转化为直流电压，通过 7812、 7912、 7805 三个三端稳压器来分别输出 12v、 -12v、 5v 电压。4.1 图 电源电路4.2 电压采样电路的设计通过变压器将 120v 电压降压至 12V ，通过电位器 R2 来调节输出电压的范围 0~10v 之间进行电压采样其电路如图 4.2 ：9 图 4.2 电压采样电路4.3 精密整流电路的设计利用精密整流电路， 使交流信号产生直流分量信号。 运放 A1 所构成的部分为电压跟随器，其目的是使输入阻抗无穷大，使得采样信号更准确。其后运放TL084CN 、 D1 、 D2 则构成一个精密的全波整流。最后一个 TL084CN 是反向求和电路。其电路如图 4.3 ：图 4.3 精密整流电路4.4 有源滤波电路的设计设计一个电路进行滤波，使输出电压基本达到稳定直流作用，该电路为二阶压控低通滤波， 其通过的频率为 1.59hz, 主要由一个二阶低通和一同相放大器10 构成。如图 4.4 所示图 4.4 有源滤波电路4 ． 5 比较控制电路的设计比较电路是通过两个电位器窗口，通过两个电位器来调节输入的上下电压限，窗口是由两个 TL084CN运放构成， D1、 D2用来保证输出的是正向电压， D3用来限制输出的电压的幅值。以保证后面电路的正常工作。仿真及结果如图 4.5所示：图 4.5 比较控制电路及仿真结果11 4.6 方波及报警控制电路的设计通过矩形波振荡电路 (又称多谐振荡器 )是由反相输入的滞回比较器和 RC电路共同组成。这里通过了一个 D1 来调节前面输来的电压，如果导通，下面电路就不会报警，如果不导通，就会报警。滞回比较器起开关作用， RC 回路既是延迟环节，亦是反馈网络，通过 RC 充、放电过程实现输出状态的自动转换。在运放的输出端引入限流电阻和两个稳压管就组成了如图 4-4 所示的双向限幅矩形波发生器。仿真图如图 4.6 所示图 4.6 方波及报警电路12 第五章 系统的安装与调试5.1 电路安装经过一个多星期单元制作和单元电路的调试， 终于完成了如下图所示的实物图 5.1 图 5.1 实物图本设计应用的模块分别是由电压采样，精密整流，有源滤波，比较控制，方波发生，报警电路构成。5.2 调试在这个实验中，所用到的实验调试器材室示波器，万用表等电子器材。在设计中，根据仿真电路以及用示波器检测器波形，可以得到标准的方波信号。 由图 5.2 可知得出了 1HZ的方波， 得到了实验结果。 在实验中， 通过调试，当电压超过上下限时，会发出 1HZ的蜂鸣报警声，则实验成功。13 图 5.2 方波当实验时， 没有在设定的值内时， 没有任何输出信号。 在这部分中， 检测也是合格的。当接入直流电为 7v 时，第一个窗口比较器输出电压为 0，经过单限比较器的输出电压为 11.3v ，当接入直流 10v 时，经过窗口比较器时，输出的电压为11.02v ， 第二节的单限比较器输出为— 10.45v 。 方波发生器的输出电压为 10.4v ，频率为 4 赫兹。所以本模块基本符合了原来设计的模块，但由于最初的刚开始，实验的频率没有设计好，导致了最后设计出来的频率是 4hz, 这是本实验最遗憾的地方。但整体基本符合了设计要求。14 第六章 总结与展望6.1 总结经过查询资料、方案设计、仿真测试、选用器材、焊接调试、连接电路的一系列过程， 运用低频模拟电子技术， 实现了交流超限报警系统。 这次的测试技术实验 , 我个人得到了不少的收获 , 一方面加深了我对课本理论的认识 , 另一方面也提高了实验操作能力。 现在我总结了以下的体会和经验。 这次的实验跟我们以前做的实验不同， 因为我觉得这次我是真真正正的自己亲自去完成。 所以是我觉得这次实验最宝贵，最深刻的。就是实验的过程全是我们学生自己动手来完成的，这样， 我们就必须要弄懂实验的原理。 在这里我深深体会到哲学上理论对实践的指导作用： 弄懂实验原理， 而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手， 亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。我们做实验绝对不能人云亦云，要有自己的看法， 这样我们就要有充分的准备， 若是做了也不知道是个什么实验，那么做了也是白做。 实验总是与课本知识相关的， 比如回转机构实验， 是利用频率特性分析振动的，就必须回顾课本的知识，知道实验时将要测量什么物理量，写报告时怎么处理这些物理量。 在实验过程中， 我们应该尽量减少操作的盲目性提高实验效率的保证， 有的人一开始就赶着做， 结果却越做越忙， 主要就是这个原因。我也曾经犯过这样的错误。在做电桥实验时，开始没有认真吃透电路图，瞎着接线，结果显示不到数据，等到显示到了又不正确，最后只好找同学帮忙。我们做实验不要一成不变和墨守成规， 应该有改良创新的精神。 实际上， 在弄懂了实验原理的基础上， 我们的时间是充分的， 做实验应该是游刃有余的， 如果说创新对于我们来说是件难事， 那改良总是有可能的。 在实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题， 和解决问题的能力。 培养这种能力的前题是你对每次实验的态度。 如果你在实验这方面很随便， 抱着等老师教你怎么做， 拿同学的报告去抄，尽管你的成绩会很高，但对将来工作是不利的。6.2 展望目前交流超限报警技术已经得到很大的提高， 在国内外发展很快， 人们基本15 用集成化电路来完成。虽然这次设计还有许多不足的地方，技术也不是很先进，但这对以后的数电等课程有一定的帮助， 而且以后学习了更多的知识， 我们会运用更高的技术来完成这课题。16 参考文献[1]. 华成英 . 模拟电子技术基础（第五版） [M]. 北京 : 上清华大学出版社， 2006 [2]. 谢自美 . 电子线路综合设计 ( 第一版 ) [M]. 武汉 : 华中科技大学出版社， 2006 [3]. 沈小丰 , 余琼蓉 . 电子线路实验——模拟电路基础 [M]. 北京 : 上清华大学出版社， 2006 [4]. 电子发烧友网 http://www.elecfans.com[5]. 童诗白 . 模拟电子技术基础（第五版） [M]. 北京：高等教育出版社， 2005 [6] . 电子技术应用 [J]. 电子科技文摘 , 1999,(11) . [7] . 陈国华， 陈红英 . 应用电子技术专业大型实验的实践 [J]. 实验室研究与探索 , 1996,(04)[8]. 伍学珍 . 模拟电子技术 理论教学、仿真实验平台与实习三者的互动 [J]. 沈阳电力高等专科学校 学报 , 2001,(02) .17 附录一 电路原理图图附录 1 实验原理图18 附录二 芯片介绍Lm324 芯片的介绍LM324 是由四个独立的 运算放大器 组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单 电源 工作， 但亦可在 双电源 条件下工作。 本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其特点如下：● 具有宽的单 电源 或双电源工作电压范围；单电源 3V~30V ，双电源± 1.5V~± 15V ● 内含相位校正回路 , 外围元件少● 消耗电流小 :Icc=0.6mA ( 典型值 , RL= ∞)● 输入失调电压低 : ± 2mV (典型值 ) ● 电压输出范围宽： 0V ~ Vcc-1.5V ● 共模输入电压范围宽： 0V ~ Vcc-1.5V ● 封装形式： DIP14Lm324 引脚功能如附录一 1 图所示：附录一 1 图. 19 附录三 元件清单序号 类型 型号 数量1 芯片 ＬＭ３２４ ３７８１２ １７８０５ １７９１２ １2 电阻 １０Ｋ １６２０Ｋ １3 电位器 1０ kΩ 1 ５０Ｋ ３１００Ｋ １4 稳压管 ５．６Ｖ ３5 蜂鸣器 1 6 电容 100μ F ２20 1μ F ３220０ uf ２０．１ｕｆ ２７ 三极管 ９０１４ １８ 二极管 ＩＮ４００７ ９