电网电压异常报警器设计.docx
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电网电压异常报警器设计
课程设计任务书
课程低频与数字电路课程设计
题目电网电压异常报警器设计
专业 电子科学与技术姓名 学号
主要内容、基本要求科学、主要参考资料等
主要内容：
设计一个电网电压异常报警电路，掌握电网电压异常报警电路的工作原理。
基本要求：
1.用压电陶瓷蜂鸣片作为电声元件。
2.设电网电压的正常波动范围为190～250V（单相交流有效值），在此范围内，报警器不发声。
3.当电网电压高于250V（误差不超过±5V）时，报警器发出两种频率交替的“滴—嘟、滴—嘟”声响。
4.当电网电压低于190V（误差不超过±5V）时，报警器发出间歇式声响。
主要参考资料：
[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：
高等教育出版社，2001.
[2]彭介华.电子技术课程设计指导.北京：
高等教育出版社，1997.
[3]孙梅生.电子技术基础课程设计.北京：
高等教育出版社，1998.
完成期限2008.7.19
指导教师
专业负责人
2008年7月10日
一、任务技术指标
１．用压电陶瓷蜂鸣片作为电声元件。
2.设电网电压的正常波动范围为190～250V（单相交流有效值），在此范围内，报警器不发声。
3.当电网电压高于250V（误差不超过±5V）时，报警器发出两种频率交替的“滴—嘟、滴—嘟”声响。
4.当电网电压低于190V（误差不超过±5V）时，报警器发出间歇式声响。
二、总体设计思想
1.基本原理：
（1）降压电路
降压电路采用变压器直接变压，输出12V交流电。
曾想用电容降压，但考虑到比较危险，故最后采用变压器变压。
采用转换效率高，漏磁少的变压器，以减少整机功耗。
（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。
（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RCπ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。
（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。
（5）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。
（6）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190V－250V），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。
（7）报警电路
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.构成框图：
12V～12V6V－
220V～波动电压
图1电网电压异常报警系统组成框图
三、具体电路设计：
1．电源电路
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。
本电路后级要由稳压芯片稳压后给集成运放供电（供电电压为6V）以及给比较器提供基准电压，并且要在稳压前取样电压的变化，为了方便起见，选择稳压值的二分之一作为采样电路在电网电压为220V时的电压。
图2基准电压提供电路 图３ 比较电路
如图2所示，由于电位器上下两个电阻是相同的，所以两根引出线的电压之和正好等于6V电源电压。
适当调节电位器的阻值就可得到上下限为190V和250V的两个基准电压。
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。
二极管D4~D6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3V，代入上述公式得:
U上=3.41V；U下=2.59V
3．报警发声电路：
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，其电路图分别为图4和图5。
图4“嘀嘟”声发生电路图5“嘀嘀”声发生电路
４.电路仿真与调试
电路的仿真是在仿真软件EWB（multisim）9.0中完成的，电路参数均选的是默认参数。
（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3V。
测量7806输出是否为稳定的6V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7806输出电压，大致为6V，有细小的偏差，稳压效果较好。
（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W8，使上下限电压分别为3.41V和2.59V，观察此时可变电阻的接入值，与理论计算相差不大，为3.17K。
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）报警发声电路仿真与调试
将报警发声电路在EWB中连接好，注意NE556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。
（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，方针与调试完毕。
四、结论
经过十天的努力，我终于完成了我的课程设计任务。
取得这一成绩还要感谢各位辅导过我的老师，他们为我的课程设计提出了很多意见和建议，使我的课程设计得以改进，促使我最终完成了课程设计任务。
还有那些关心我的同学，他们给我提供了好多有用的资料供我参考。
在设计过程中，我发现有很多东西都是老师在课上讲过的，譬如说电路的电源电路、稳定电路等。
电路中比较难的部分就是报警部分，因为需要报警器发出两种频率交替的声响。
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。
这次的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，为我们将来打下坚实的基础。
五、附录
1.原理图：
综合以上设计，并做好各模块电路的接口设计，就得到了电网电压异常报警器的总图，如下（图6）：
图6电网电压异常报警总电路图
2.仿真图
3.元器件清单
名称
规格
数量
备注
变压器
220－12V
1
T1
整流桥
二极管
1
B1
电阻
1K
3
R4、R10、R11
电阻
10K
5
R3、R5、R7、R9、R13
电阻
30K
1
R1
电阻
47K
1
R2
电阻
100K
1
R12
电阻
150K
1
R6
电位器
5
1
W8
瓷片电容
0.01u
2
C6、C8
瓷片电容
0.1
2
C3、C4
电解电容
10
1
C7
电解电容
100
1
C5
电解电容
220
2
C1、C2
二极管
1N4148
6
D2－C7
三极管
9014
2
Q1、Q2
集成稳压器
7806
1
U1
集成运放
LM324
1
U3
时基电路
NE556
1
U2
压电陶瓷蜂鸣器
1
YD
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