交流電壓超限報警系統(tǒng)設計

1、 南昌航空大學模擬電路課程設計課程設計說明書課程設計說明書課程設計名稱：課程設計名稱： 模擬電路課程設計課程設計題目：課程設計題目：交流電壓超限報警系統(tǒng)設計學學 院院 名名 稱：稱： 信息工程學院專業(yè)：專業(yè)：電子信息工程 班級：班級： 學號學號: : 姓名姓名： 評分：評分： 教師：教師： 20201111 年年 3 3 月月 6 6 日日 模擬電路 課課程程設設計計任任務務書書 南昌航空大學模擬電路課程設計22020 1111 2020 1212 學年學年 第第 2 2 學期學期第第 1 1 周周 7 7 周周 注：1、此表一組一表二份，課程設計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、

2、課程設計結束后與“課程設計小結” 、 “學生成績單”一并交院教務存檔。題目題目交流電壓超限報警系統(tǒng)設計內容及要求內容及要求當檢測電壓超過設定上下限值時，發(fā)出蜂鳴器報警聲，要求報警聲嘀嘀間斷發(fā)聲，頻率約 1HZ。進度安排進度安排1. 布置任務、查閱資料、選擇方案，領儀器設備： 第一周 2 天； 2. 領元器件、焊接、制作：第一周 3 天3調試：第二周 2 天4. 驗收：第二周 0.5 天5. 寫報告：本學期 37 周學生姓名： 指導時間:第 17 周指導地點：E 樓 311 室任務下達2012 年 2 月 13 日任務完成2012 年 2 月 22 日考核方式1.評閱 2.答辯 3.實際操作 4

3、.其它指導教師系（部）主任 南昌航空大學模擬電路課程設計3摘要 據(jù)調查，一般電器的壽命也成為人們關注的熱點，越來越多的人們關注電器的使用壽命問題，一般來說電器的使用壽命低于正常使用壽命，經(jīng)過實驗證明這主要是因為電器工作是交流電壓超限造成的。若能及時的預警那就可以避免不必要的損耗從而保護電器。有一個報警系統(tǒng)對電器進行監(jiān)控是非常有必要的。本次課程設計的目的：設計交流電壓超限報警系統(tǒng)電路，由一個蜂鳴器通過是否正常鳴叫告訴使用者電壓是否超限，電位器控制電壓超限范圍。首先通過變壓器對 220V 交流電壓進行降壓，其次通過橋式整流電路將交流轉化為直流，再次運用電容濾波電路輸出比較穩(wěn)定的直流電壓，接著設計一

4、個頻率為1HZ 的方波發(fā)生器，最后通過 LM324 芯片放大器以及 74LS08 與門芯片控制電壓的報警。當電壓超過設定上下限值時產(chǎn)生報警功能。關鍵字：電壓超限關鍵字：電壓超限 濾波濾波 整流整流 報警報警 南昌航空大學模擬電路課程設計4目錄目錄第一章第一章 緒論緒論.1第二章第二章 設計內容及要求設計內容及要求.22.1 設計內容.22.2 設計要求.22.3 實驗設計目的.2第三章第三章 設計原理設計原理.33.1 單元電路設計.3第四章第四章 電路組成及其工作原理電路組成及其工作原理.64.1 整體電路設計和工作原理.64.1.1 電壓采樣.64.1.2 整流.64.1.3 濾波.74.

5、1.4 方波.84.1.5 報警控制.94.2 整體電路.10第第五五章章 實驗調試測試實驗調試測試.11第六章第六章 實驗小結與心得體會實驗小結與心得體會.12參考文獻參考文獻.13附錄一附錄一 芯片介紹芯片介紹.14附錄二附錄二 元件清單元件清單.15附錄三附錄三 焊電路板技術焊電路板技術.16 南昌航空大學模擬電路課程設計1緒論緒論 電壓是日常生活，工業(yè)，醫(yī)學，環(huán)境保護，化工，石油等領域最常用到的物理量。而且隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們需要對工業(yè)生產(chǎn)中有關電壓系統(tǒng)進行控制。會導致人生安全，所以需要用到電壓報警控制器，如在工廠生產(chǎn)工作時電壓不應過高以及過低，當電壓超上下限值時，需要對工作人員給

6、予警示，所以需要用到電壓報警控制器。而且很多領域的電壓可能較高或較低，有時人無法靠近或現(xiàn)場無，然而需人力來監(jiān)控會導致人生安全，所以需要用到電壓報警控制器。所以，對電壓超限報警控制的研究就要更加要精確。 隨著現(xiàn)代化，科技的騰飛，信息技術的高密度的集中，電壓的控制也成為時代關注的一部分，制作一個高技術的電壓報警系也是尤為重要的。交流電壓超限報警器廣泛運用，不僅保護人生安全，而且也更好的保護器件的使用，使器件使用壽命更長。現(xiàn)在初步了解電壓的相關性能，運用最簡單的模擬電路對電壓的控制，為以后對電壓控制的深入研究打下了堅實的基礎。 南昌航空大學模擬電路課程設計2第二章第二章 設計內容及要求設計內容及要求

7、2.1 設計內容設計內容設計一個交流電壓超限報警系統(tǒng)。2.2 設計要求設計要求1可設定上限電壓報警值。2當檢測電壓超過設定上下限值時，發(fā)出蜂鳴器報警聲，要求報警聲嘀嘀間斷發(fā)聲，頻率約 1HZ。2.3 實驗設計目的實驗設計目的1. 通過該實驗提高自身的實驗素養(yǎng)，實驗操作、設計、分析能力，學會將理論運用到實踐當中，學會實驗調試過程的分析和處理。2. 設計并完成一個可以達到相應設計要求的交流電壓超限報警器。3. 學會電壓采樣。4. 學會濾波，整流。5. 掌握 74LS08 芯片的使用方法。6. 掌握通過一個放大器設計方波發(fā)生電路。7. 掌握反饋放大電路的計算與實際運用。8. 掌握與非門電路運用與設計

8、。 南昌航空大學模擬電路課程設計3第三章第三章 設計原理設計原理3.1 單元電路設計單元電路設計1.1. 電容濾波電路工作原理電容濾波電路工作原理（a）（b）圖圖 3-13-1 橋式整流電容濾波電路橋式整流電容濾波電路 （a）電路 （b）波形在整流電路的輸出端，即負載電阻 RL兩端并聯(lián)濾波電容 C，就構成電容濾波電路。圖 3-1-1（a）所示為橋式整流電容濾波電路；當電路已進入穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電壓近似波形如圖（b）中實線所示，虛線是未加濾波電路時輸出電壓的波形。 南昌航空大學模擬電路課程設計4由圖（a）可知，只有當電容上電壓（即輸出電壓 uo）小于變壓器副邊電壓時，才有一對二極管導通，給電容充

9、電。若變壓器副邊電壓 u2在正半周，且電容上的電壓在 a 點，a 點對應的時間t1，則當時間 tt1時，D1和 D3因加正向電壓而導通，u2一方面提供負載電流，另一方面對 C 充電；若變壓器副邊內阻、二極管導通電阻均可忽略不計，則 uo將按 u2的變化規(guī)律充電至峰值電壓，見圖中 b 點。此后 u2的下降使得 u2uc，所有二極管均截止，濾波電容 C 向負載電阻 RL放電，時間常數(shù) RLC。在放電的 bc 段，uo基本按 u2的變化規(guī)律線的 cd 段。電容 C 放電到圖中的 d 點后，又重復前述 a 點以后的過程，但在 u2 的負半周電容充電時是 D2、D4導通，如此周而復始，形成了濾波電容周期

10、性的充、放電過程。從圖（b）所示波形圖可以看出，電容濾波電路不但使輸出電壓的交流分量減小，而且使得輸出電壓平均值增大。從電容對交、直流分量容抗的差別可以理解，正是由于濾波電容對交流分量的容抗很小，將其負載電阻上交流電流變小，輸出電壓脈動減??；正是由于濾波電容對直流分量的容抗無窮大及其儲能作用，使得輸出電壓平均值增大。放電回路時間常數(shù) RLC 越大，輸出電壓的脈動越小，平均值越大。2.2. 整流二極管的導通角整流二極管的導通角 在未加電容濾波時，不管在哪種整流電路中，整流二極管均在變壓器副邊電壓的半周導通，稱為導通角 。在采用電容濾波后，整流二極管的導通角小于 。值得注意的是，RLC 越大，在一

11、個周期內充電時間越短，即二極管的導通角越小，由于電容上電壓不能突變，所以在二極管導通時，會因整流電路內阻很小而流過很大的沖擊電流，而且導通角越小，沖擊電流越大，越影響二極管的壽命。因此在選擇整流二極管時，最大整流平均電流 IF 要留有充分的余地，通常要大約無電容濾波時的 23 倍。當負載電阻很小，負載電流很大時，如2A 以上，整流二極管的選取就比較困難，因而應考慮采用電感濾波電路。綜上所述，電容濾波電路適用于負載電流較小且變化范圍不大的場合。3.3. 濾波電容的選擇濾波電容的選擇 南昌航空大學模擬電路課程設計5 從理論上講，濾波電容越大，放電過程越慢，輸出電壓越平滑，平均值也越高。但實際上，電

12、容的容量越大，不但體積越大，而且會使整流二極管流過的沖擊電流更大。因此，對于全波整流電路，通常濾波電容的容量滿足 RLC=(1.52.5)T 式（1.1）式子中 T 為交流電壓的周期。此時，可認為輸出電壓平均 UO（AV）=1.2U2 式（1.2）一般選擇幾十至幾千微法的電解電容?？紤]到電網(wǎng)電壓的波動范圍為+10%，其耐壓值應大于 1.55U2，且應按電容的正、負極性將其接入電路。 南昌航空大學模擬電路課程設計6第四章第四章 整體電路組成及其工作原理整體電路組成及其工作原理4.1 整體電路設計和工作原理整體電路設計和工作原理4.1.1 電壓采樣電壓采樣首先通過變壓器把 220v 的交流電壓變成

13、 12v 的小電壓如 4-1 圖所示：4-1 圖圖 降壓電路降壓電路4.1.2 整流整流然后們運用整流橋堆進行整流，使得交流變成直流。橋式整流是由 4 個整流二極管組成的電路。這樣就在負載 RL 上得到一個與全波整流相同的電壓波形，其電流的計算與全波整流相同，即UL = 0.9U2 式（1.3） 南昌航空大學模擬電路課程設計7IL = 0.9U2RL 式（1.4）流過每個二極管的平均電流為ID = IL2 = 0.45 U2RL每個二極管所承受的最高反向電壓為 (為全波整流的一半) 式（1.5） U22Urm橋式整流電路克服了全波整流電路要求變壓器次級有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點，但多用

14、了兩只二極管。在半導體器件發(fā)展快，成本較低的今天，此缺點并不突出，因而橋式整流電路在實際中應用較為廣泛。如圖 4-2 所示 4-24-2 圖圖 橋式整流電路橋式整流電路4.1.3 濾波濾波設計一個電路進行濾波 達到穩(wěn)定作用，該為電容電容濾波電路。該電路為在整流電路的輸出端，即負載電阻 R 兩端并聯(lián)濾波電容 C，就容濾波電路。通常濾 南昌航空大學模擬電路課程設計8波電容的容量滿足 RC=(3-5)T/2 輸出電壓平均值為 1.2U。如下圖 4-3 所示圖圖 4-34-3 電容濾波電路電容濾波電路4.1.4 方波方波通過矩形波振蕩電路(又稱多諧振蕩器)由反相輸入的滯回比較器和 RC 電路組成。滯回

15、比較器起開關作用，RC 電路的作用是產(chǎn)生暫態(tài)過程。RC 回路既是延遲環(huán)節(jié)，亦是反饋網(wǎng)絡，通過 RC 充、放電過程實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉換。在運放的輸出端引入限流電阻和兩個背靠背的穩(wěn)壓管就組成了如圖 4-4 所示的雙向限幅矩形波發(fā)生器。 南昌航空大學模擬電路課程設計9圖圖 4-4 方波電路方波電路4.1.5 報警控制報警控制通過放大器可以設置電壓上下限，然后通過窗口比較器放大器產(chǎn)生的信號輸入與門電路 74LS08 芯片中，在芯片的輸出端呈現(xiàn)不同的反應。如果兩端輸入端都是高電平，則輸出的也是高電平，使的蜂鳴器發(fā)出聲音，如果兩端輸入端至少有一端是低電平，則輸出的還是低電平，蜂鳴器不會發(fā)出聲音。4.2

16、整體電路整體電路通過交流電壓采樣，整流，濾波，方波，報警控制的設計，完成了整個交流電壓報警控制系統(tǒng)的電路設計，如圖 4-5 所示。 南昌航空大學模擬電路課程設計10圖圖 4-54-5 交流電壓報警控制電路交流電壓報警控制電路 南昌航空大學模擬電路課程設計11第五章第五章 實驗調試測試實驗調試測試在設計中，根據(jù)仿真電路以及用示波器檢測器波形，可以得到標準的方波信號。由圖 5-2 可知得出了 1HZ 的方波，得到了實驗結果。在實驗中，通過調試，當電壓超過上下限時，會發(fā)出 1HZ 的蜂鳴報警聲，實驗成功。圖圖 5-1 方波方波 南昌航空大學模擬電路課程設計12第六章第六章 實驗小結與心得體會實驗小結

17、與心得體會本次電路設計是比較好的鍛煉了我們電路設計、資料的查找、方案確定，分析問題、解決問題、焊接技術等各方面的能力。通過本次實驗我們提高了自身的實驗素養(yǎng)，方案確定，設計，錯誤分析能力，學會將理論運用到實踐當中，學會實驗調試過程的分析和處理。我們可以自己動手完成一個簡單的可以達到相應設計要求的交流電壓超限報警器。掌握了電橋設計的方案以及反饋放大電路的計算與實際運用，掌握了與非門電路的運用與設計。在用 Multiuse 軟件進行了仿真過程中，有許多地方都和理論計算存在不同程度的出入，但最終的結果還是符合要求的。這次課程設計雖然結束了，但是卻留下許多不盡人意的地方，比如說，調試的出現(xiàn)了波形調不出來

18、，或者調出的好像是正弦波等問題，在濾波效果上并不是十分的理想，未能達到理想的濾波效果。還有電路的焊接技術也有待進一步提高。同時在本次的課程設計過程中也收獲了許多，它不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，團隊協(xié)作能力；更重要的是我們學會了如何去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，將理論付諸于實踐。在今后的學習中我們會更加注意將理論與實踐相結合，因為再好的理論，都必須由實踐去證明，理論才是實踐檢驗真理的唯一標準。 南昌航空大學模擬電路課程設計13參考文獻參考文獻1.華成英.模擬電子技術基礎（第五版）M. 北京:上清華大學出版社.20062.謝自美.電子線路綜合設計(第一版) M.武漢:華中科技大學出版社.

19、20063.沈小豐.余瓊蓉.電子線路實驗模擬電路基礎M.北京:上清華大學出版社.2006 南昌航空大學模擬電路課程設計14附錄一附錄一 芯片介紹芯片介紹74LS08 芯片的介紹74LS08 是 2 輸入四與門集成電路芯片,常用在各種功能的字電路系統(tǒng)中。74LS08 工作環(huán)境為：74LS08 最大電源電壓: 7V；工作電壓: 4.5V 到 5.5V；74LS08 引腳功能如附錄一 1 圖所示： 附錄一附錄一 1 圖圖74LS08 芯片的真值表如附錄一 2 圖：附錄一附錄一 2 圖圖 南昌航空大學模擬電路課程設計15附錄二附錄二 元件清單元件清單元件清單序號類型型號數(shù)量LM32411芯片74LS0811k520k12電阻50k13電位器1 k14電橋15變壓器16蜂鳴器1IN400727二極管IN4735322F18電容220uf 1 南昌航空大學模擬電路課程設計16附錄三附錄三 焊電路板技術焊電路板技術焊接是電子產(chǎn)品組裝過程中的重要環(huán)節(jié)之一。如果沒有相應的焊接工藝質量保證，則任何一個設計精良的電子裝置都難以達到設計指標，眾為興公司通過多年對焊接行業(yè)了解，總結出一套完美的焊接過程。因此，在焊接時，必須做到以下幾點：1焊接表面必須保持清潔即使是可焊性好的焊件，由于長期存儲和污染等原因，焊件的表面可