全自动冰箱保护器毕业设计.docx
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全自动冰箱保护器毕业设计
毕业设计
全自动冰箱保护器
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
姓名
专业
任务下达日期年月日
设计（论文）开始日期年月日
设计（论文）完成日期年月日
设计（论文）题目：
A·编制设计
B·设计专题（毕业论文）
指导教师
系（部）主任
年月日
平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会记录
自动化系工业电子技术专业，学生于2009年月日
进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目：
全自动冰箱保护器的制作
专题（论文）题目：
指导老师：
答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。
答辩委员会人，出席人
答辩委员会主任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员会委员：
，，
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，，，
平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语
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学生姓名：
专业工业电子技术年级
毕业设计（论文）题目：
全自动冰箱保护器的制作
评阅人：
指导教师：
（签字）年月
成绩：
系（科）主任：
（签字）年月日
毕业设计（论文）及答辩评语：
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
摘要
随着电子技术的飞速发展，电子新技术、新产品不断涌现。
电子技术的广泛应用，促进了工农业发展，也丰富了人们的物质文化生活。
电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。
第一代电子产品以电子管为核心。
四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。
五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。
集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。
电冰箱自动保护器是随着电冰箱的不断普及而派生的一种专用保护装置。
它的使用，大大延长的电冰箱的使用寿命，已经成为家庭必不可少的得力帮手。
它是一种只用一块NE555时基电路和少量分立元件，就能制作一个具有过压，欠压和断电延迟三种保护功能的全自动电冰箱保护器。
通过冰箱保护器电路的制作，学习Protel99的基本操作方法，掌握电子产品设计、制作和调试的全过程，从而训练动手能力，培养工程实践能力。
关键词：
全自动电冰箱、保护器、断电延迟、时基电路、电路调试。
由于本人能力有限，在设计中难免会出现错误与不足，希望各位老师及读者给予批评并提出宝贵意见。
第一章全自动冰箱保护器的概述
所谓电子技术，是指“含有电子的、数据的、磁性的、光学的、电磁的、或者类似性能的相关技术”。
所谓“电子形式”，是指利用电子技术的不能被人的视或听觉直接感知的必须借助于一定的载体转换的信息存在形式。
全自动电冰箱保护器，它是由机壳、带插头的电源线和控制电路板组成，其特征在于控制电路板中的开关控制电路主要由一块集成电路ＮＥ５５５和一个干簧管继电器，配以若干个电阻、电容和一个三极营组成，咬流电源控制电路采用可控硅作无触点控制开关。
本保护器电路简单、体积小、易于制作调整、成本低、耗电少、动作可靠，只需更换不同功率的可控硅，即可用同一结构的保护器用来保护不同功率的电冰箱或其它家用电器。
设计任务和要求
这个全自动冰箱保护器线路简单，功能齐全，动作可靠灵敏，是电冰箱使用中有用的附件。
设计一个电冰箱自动保护器,要具有过电压保护、欠电压保护、启动延时等功能。
主要技术指标：
（1）电源电压：
交流220V，50HZ；
（2）过电压保护：
245V；
（3）欠电压保护：
175±5V；
（4）启动延时时间：
4～8分钟；
（5）额定负载功率：
300瓦；
第二章全自动冰箱保护器的设计
2.1全自动冰箱保护器框图
冰箱保护器保护器总体结构如图2-1所示：
图2-1
2.2全自动冰箱保护器的组成
该保护器由降压整流电路、欠压与过压控制电路、延时电路、漏电检测电路和声光报警电路等组成。
其中降压整流电路为整个电路提供直流电压。
本保护器具有过压和欠压保护、断电延时、漏电自动断电、声光报警等多种功能，从而避免对电冰箱造成意外的损伤。
2.3单元电路的设计
2.3.1过压、欠压取样电路的设计
如图2-2所示：
图2-2
当220V市电电网电压过低时，可能损坏电冰箱电机时，Rw2和R2分压值减小，使集成电路导通，接着使VD3截止，从而切断电冰箱电源。
调节Rw2可设定欠压保护值。
当电网电压过高时，有可能使冰箱电机过热烧毁。
这是Rw1和R1的分压值增高，使三极管VT1导通，使VD7截止，可控硅VS关断。
调节Rw1可设定过压保护值。
2.3.2或门的设计
如图2-3所示：
图2-3
通过VTl的射极跟随器将过压信号送到VDa、Vm组成的或门的一个输入端；通过V他的反相器将欠压信号送到VDl、VI）2组成的或门的另一输入端，或门电路的输出信号控制NE556的6脚。
2.3.3单稳态触发器及555定时器的应用
全自动冰箱保护器设计了单稳态触发器，如图2-4所示：
图2-4
555定时器的介绍
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面，应用广泛。
外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，组成信号产生电路；单稳电路，用于定时延时整形及一些定时开关中。
施密特触发器用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等。
（1）555定时器的电路结构及其工作原理
定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3分压电路由三个5K的电阻构成，分别给A1和A2提供参考电平2/3VCC和1/3VCC。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。
4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则V0=0；正常工作时4接为高电平。
5脚为控制端，平时输入2/3Vcc作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。
如果不在5脚外加电压通常接0.01μF电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。
555定时器的功能主要由两个比较器决定，两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3，A2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平555定时器内部框图和逻辑图如2-5a\2-5b所示：
2-5a555定时器内部框图
2-5b逻辑图
两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。
此外还有输出级和放电管。
输出级的驱动电流可达200mA。
比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。
当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。
若无需复位操作，复位端应接高电平。
逻辑功能示意图如下图2-6所示
555为八脚封装的器，其各引脚的名称和作用如下：
1脚—GND，接地脚
2脚—TL，低电平触发端
3脚—Q，电路的输出端
4脚—/RD，复位端，低电平有效
5脚—V_C，电压控制端
6脚—TH，阈值输入端
7脚—DIS，放电端
8脚—VCC，电源电压端，其电压范围为：
3～18V
555的功能表如2-7所示：
输 入
输 出
TH
TL
/RD
Q
放电管状态
×
×
0
0
导通
＞2/3VCC
＞1/3VCC
1
0
导通
＜2/3VCC
＞1/3VCC
1
保持不变
保持不变
＞2/3VCC
＞1/3VCC
1
0
导通
＜2/3VCC
＜1/3VCC
1
1
截止
图2-7功能表
555的功能描述
上图中当V_C不外接电压时，三个电阻对电源电压进行分压，每个电阻上的压降为1/3VCC，则两个比较器的同相端的输出电压分别为：
1/3CC,2/3VCC。
从图上可以看出，其555的工作可分为下列3种情况加以讨论：
1．当触发输入端TL输入电压低于1/3VCC而阈值输入端电压大于2/3VCC时，其下面比较器输出为高电平，触发器输出高电平；
2．当触发输入端TL输入电压高于1/3VCC，而阈值输入端电压小于2/3VCC时，其两个比较器输出皆为低电平，触发器输出保持不变；
3．当触发输入端TL输入电压高于1/3VCC而阈值输入端电压大于2/3VCC时，其上面比较器输出为高电平，触发器输出低电平。
（2）用555定时器组成单稳态触发器
用555定时器构成的单稳态触发器电路图、波形图如2-8a和2-8b所示。
其工作原理如下：
1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态
当电路无触发信号时，vI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端vO保持低电平，555内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压vC为0V。
2）vI下降沿触发
当vI下降沿到达时，555触发输入端（2脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，vO由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。
3）暂稳态的维持时间
在暂稳态期间，555内放电三极管T截止，VCC经R向C充电。
其充电回路为VCC→R→C→地，时间常数τ1=RC，电容电压vC由0V开始增大，在电容电压vC上升到阈值电压
之前，电路将保持暂稳态不变。
4）自动返回（暂稳态结束）时间
当vC上升至阈值电压
时，输出电压vO由高电平跳变为低电平，555内放电三极管T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经放电三极管对地迅速放电，电压vC由
迅速降至0V（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。
5）恢复过程
当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管T放电，时间常数τ2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此τ2之值亦非常小。
经过（3～5）τ2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。
恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。
这里有两点需要注意：
一是触发输入信号的逻辑电平，在无触发时是高电平，必须大于
，低电平必须小于
，否则触发无效。
二是触发信号的低电平宽度要窄，其低电平的宽度应小于单稳暂稳的时间。
否则当暂稳时间结束时，触发信号依然存在，输出与输入反相。
此时单稳态触发器成为一个反相器。
图2-8单稳态触发器电路图及波形图
主要参数估算
（1）输出脉冲宽度tW
输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。
由图7.4—1（b）所示电容电压vC的工作波形不难看出vC（0+）≈0V，vC（∞）=VCC，vC（tW）=
，代入RC过渡过程计算公式，可得：
上式说明：
单稳态触发器输出脉冲宽度tW仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节tW。
（2）恢复时间tre
一般取tre=（3～5）τ2，即认为经过3～5倍的时间常数电容就放电完毕。
（3）最高工作频率fmax
若输入触发信号vI是周期为T的连续脉冲时，为保证单稳态触发器能够正常工作，应满足下列条件：
T>tW＋tre
即vI周期的最小值Tmin应为tW＋tre，即：
Tmin=tW＋tre
因此，单稳态触发器的最高工作频率应为：
需要指出的是，输入触发信号vI的脉冲宽度（低电平的保持时间），必须小于电路输出vO的脉冲宽度（暂稳态维持时间tW），否则电路将不能正常工作。
因为当单稳态触发器被触发翻转到暂稳态后，如果vI端的低电平一直保持不变，那么555定时器的输出端将一直保持高电平不变。
解决这一问题的一个简单方法，就是在电路的输入端加一个RC微分电路，即当vI为宽脉冲时，让vI经RC微分电路之后再接到vI2端。
不过微分电路的电阻应接到VCC，以保证在vI下降沿未到来时，vI2端为高电平。
（3）用555定时器组成施密特触发器
555定时器构成施密特触发器的电路图波形图、如下图2-9所示。
施密特触发器的工作原理和多谐振荡器基本一致，无原则不同。
只不过多谐振荡器是靠电容器的充放电去控制道路状态的翻转，而施密特触发器是靠外加电压信号去控制电路状态的翻转。
所以在施密特触发器中，外加信号的高电平必须大于
，低电平必须小于
，否则电路不能翻转。
由于施密特触发器采用外加信号，所以放电端7脚就空闲了出来。
利用7脚加上上拉电阻，就可以获得一个与输出端3脚一样的输出波形。
如果上拉电阻接的电源电压不同，7脚输出的高电平与3脚输出的高电平在数值上会有所不同。
1）vI=0V时，vo1输出高电平。
2）当vI上升到
时，vo1输出低电平。
当vI由
继续上升，vo1保持不变。
3）当vI下降到
时，电路输出跳变为高电平。
而且在vI继续下降到0V时，电路的这种状态不变。
图2-9电路波形图
图中：
R、VCC2构成另一输出端vo2，其高电平可以通过改变VCC2进行调节。
电压滞回特性和主要参数
（1）电压滞回特性
施密特触发器的电路符号和电压传输特性如图2-10所示
2-10施密特触发的电路符号和电压传输
（4）用555定时器组成多谐振荡器
多谐振荡器——产生矩形脉冲波的自激振荡器。
多谐振荡器电路图波形图如2-11所示
2-11多谐振荡器
多谐振荡器一旦起振之后，电路没有稳态，只有两个暂稳态，它们做交替变化，输出连续的矩形脉冲信号，因此它又称作无稳态电路，常用来做脉冲信号源。
与单稳态触发器比较，它是利用电容器的充放电来代替外加触发信号，所以，电容器上的电压信号应该在两个阈值之间按指数规律转换。
充电回路是RA、RB和C。
此时相当输入是低电平，输出是高电平；当电容器充电达到
时，即输入达到高电平时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器开始放电。
当电容器放电达到
时，电路的状态又开始翻转。
如此不断循环。
电容器之所以能够放电，是由于有放电端7脚的作用，因7脚的状态与输出端一致，7脚为低电平电容器放电。
振荡频率的估算
1）电容充电时间T1
电容充电时，时间常数τ1=（R1+R2）C，起始值vC（0+）=
，终了值vC（∞）=VCC，转换值vC（T1）=
，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
2）电容放电时间T2
电容放电时，时间常数τ2=R2C，起始值vC（0+）=
，终了值vC（∞）=0，转换值vC（T2）=
，带入RC过渡过程计算公式进行计算：
3）电路振荡周期T
4）电路振荡频率f
5）输出波形占空比q
定义：
q=T1/T，即脉冲宽度与脉冲周期之比，称为占空比。
占空比可调的多谐振荡器电路
由于电容C的充电时间常数τ1=（R1+R2）C，放电时间常数τ2=R2C，所以T1总是大于T2，vO的波形不仅不可能对称，而且占空比q不易调节。
利用半导体二极管的单向导电特性，把电容C充电和放电回路隔离开来，再加上一个电位器，便可构成占空比可调的多谐振荡器，如图2-12所示。
2-12占空比可调的多谐振荡器
由于二极管的引导作用，电容C的充电时间常数τ1=R1C，放电时间常数τ2=R2C。
通过与上面相同的分析计算过程可得：
T1=0.7R1C
T2=0.7R2C
占空比为：
只要改变电位器滑动端的位置，就可以方便地调节占空比q，当R1=R2时，q=0.5，vo就成为对称的矩形波。
2.2.4控制与显示电路
如图2-13所示：
图2-13
当C4两端电压充电到8V时，9脚输出低电平，继电器K吸合，延时结束，控制冰箱的触点闭合，LED2发光，作为安全运行指示。
当电压超限时，或门的输入端有一个为高电平，输出高电平，6脚电位高于8V，5脚输出低电平，使LED3发光，作故障电压指示，此时C4通过R7、Vm迅速放电。
当C4放电到低于4V时，9脚输出高电平，继电器K释放，触点断开，冰箱停电。
2.2.5电源电路
如图2-14所示
图2-14
本电路由电桥、变压器、稳压管等组成。
在正常情况下，电冰箱接通电源电源变压器可以防止过压时烧毁变压器。
电源电压正常时，整流滤波输出15V，VT3降3V后为12V。
不正常时会自动使电冰箱断电。
第三章全自动冰箱保护器电路板的制作
3.1全自动冰箱保护器工作原理图
工作原理：
冰箱保护器电路原理图如图3-1所示。
其核心元件NE556由两个555时基电路组成，一个555接成施密特触发器，以实现电压不正常时的断电保护功能；另一个接单稳态触发器，以实现延时保护功能。
该电路具有耗电少（不超过2W）、成本低、体积少、稳定可靠且动作精度高的特点。
电位器Rwl、Rw2分别组成过压和欠压取样电路。
通过VTl的射极跟随器将过压信号送到VDa、Vm组成的或门的一个输入端；通过V他的反相器将欠压信号送到VDl、VI）2组成的或门的另一输入端，或门电路的输出信号控制NE556的6脚。
若送电时电压正常，或门的输入端全为低电平，6脚电位低于4V，5脚输出高电平，LED，发光，表示正在延时。
此时，Vm截止，C4经Rs、R7充电。
当C4两端电压充电到8V时，9脚输出低电平，继电器K吸合，延时结束，控制冰箱的触点闭合，LED2发光，作为安全运行指示。
当电压超限时，或门的输入端有一个为高电平，输出高电平，6脚电位高于8V，5脚输出低电平，使LED3发光，作故障电压指示，此时C4通过R7、Vm迅速放电。
当C4放电到低于4V时，9脚输出高电平，继电器K释放，触点断开，冰箱停电
图4-1中Vm给继电器线圈提供放电通路，防止损坏集成块。
12V直流稳压电路也可由三端稳压器来实现。
电源变压器选2W、380V／22V的，正常情况下相当于220V／12．5V。
这样可防止过压时烧毁变压器。
在电压较可靠的地区也可以用220V／12．5V的变压器，电源电压正常时，整流滤波输出15V，VT3降3V后为12V。
图3-1全自动冰箱保护器电路
电路图中用了一块NE556电路，它是由两个555电路组成。
NE555、NE556管脚排列和556内部连线图如3-2所示。
由图可见，用两块555连成556时，两个Vcc共用14脚，两个接地端共用7脚，其余管脚相互独立，总管脚数16。
3-2NE5553-2NE5563-2556内部接线图
3.2印制电路板的制作步骤
3.2.1绘制原理图
该步的主要工作是利用Protel99SE的SCH编辑器来绘制电路原理图，并生成网络表，这些工作就是前面的章节所讲述的内容。
当然，有时也可以不进行原理图的绘制，而直接进入PCB设计系统。
3.2.2将原理图生成网络表文件
网络表由两部分构成：
一部分是（**），其中列出了所有元件名称、封装形式和参数。
封装可根据实物尺寸在网络表中修改。
另一部分时（**），列出了电路图中各连接点上连接的所有元件的引脚号。
图3-3为用到所有元件库及封装。
元件名称
封装形式
电阻
AXIAL0.3
可变电阻
VR1
三极管
TO-92A
二极管
DIODE0.4
无极性电容
RAD0.4
有极性电容
RB.2/.4
发光二极管
RB.1/.2
NE556
DIP14
稳压管
DIODE0.4
继电器
自定义
变压器
TRF-4
电桥
D-46
电源插座
自定义
图3-3
3.2.3网络表的修改
由电路图中向PCB文件传送中会出现错误，原因可能是网络表中有的元件封装在Protel99封装中没有，或者虽然封装库由但没有进行加载，还可能时元件封装与元件库给出的名称不符等等。
3.2.4进入设计电路板
在绘制印制电路板之前，还要对电路板有一个初步的规划，比如电路板采用多大的物理尺寸、采用几层电路板（单面板、双面板还有多层板）、各元件采用何种封装形式及其安装位置等。
这是一项极其重要的工作，它是确定电路板设计的框架。
这一步工作是在PCB编辑环境中完成的
为了将网络表文件送给PCB软件，首先应能识别网络表中的封装，因此应将用到的封装库加载到PCB中，在加载网络表。
会有提示，有错必须改正，否则不能正确制板。
如发现个别元件封装不合适，与实物不符，亦可改动或自定义元件封装库。
3.2.5生成印制电路板
这一步可以利用自动布局和手工布局两种方式，将元件封装放置在电路板边框内的适当位置。
这里的适当位置包含两个意思：
一是元件所放置的位置能使整个电路板看上去整齐美观，二是元件所放置
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