交流电压超限报警系统设计.doc

南昌航空大学模拟电路课程设计 课程设计说明书课程设计说明书 课程设计名称 课程设计名称 模拟电路课程设计 课程设计题目 课程设计题目 交流电压超限报警系统设计 学学 院院 名名 称 称 信息工程学院 专业 专业 电子信息工程 班级 班级 学号学号 姓名姓名 评分 评分 教师 教师 20201111 年年 3 3 月月 6 6 日日 模拟电路 课课程程设设计计任任务务书书 精品文档 2欢迎下载 2020 1111 2020 1212 学年学年 第第 2 2 学期学期 第第 1 1 周 周 7 7 周周 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 题目题目交流电压超限报警系统设计 内容及要求内容及要求 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 指导时间 第 1 7 周指导地点 E 楼 311 室 任务下达2012 年 2 月 13 日任务完成2012 年 2 月 22 日 考核方式1 评阅 2 答辩 3 实际操作 4 其它 指导教师系 部 主任 精品文档 3欢迎下载 摘要 据调查 一般电器的寿命也成为人们关注的热点 越来越多的人们关注电 器的使用寿命问题 一般来说电器的使用寿命低于正常使用寿命 经过实验证 明这主要是因为电器工作是交流电压超限造成的 若能及时的预警那就可以避 免不必要的损耗从而保护电器 有一个报警系统对电器进行监控是非常有必要 的 本次课程设计的目的 设计交流电压超限报警系统电路 由一个蜂鸣器通 过是否正常鸣叫告诉使用者电压是否超限 电位器控制电压超限范围 首先通 过变压器对 220V 交流电压进行降压 其次通过桥式整流电路将交流转化为直流 再次运用电容滤波电路输出比较稳定的直流电压 接着设计一个频率为 1HZ 的 方波发生器 最后通过 LM324 芯片放大器以及 74LS08 与门芯片控制电压的报警 当电压超过设定上下限值时产生报警功能 关键字 电压超限关键字 电压超限 滤波滤波 整流整流 报警报警 精品文档 4欢迎下载 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 第二章第二章 设计内容及要求设计内容及要求 2 2 2 1 设计内容 2 2 2 设计要求 2 2 3 实验设计目的 2 第三章第三章 设计原理设计原理 3 3 3 1 单元电路设计 3 第四章第四章 电路组成及其工作原理电路组成及其工作原理 6 6 4 1 整体电路设计和工作原理 6 4 1 1 电压采样 6 4 1 2 整流 6 4 1 3 滤波 7 4 1 4 方波 8 4 1 5 报警控制 9 4 2 整体电路 10 第第五五章章 实验调试测试实验调试测试 1 11 1 第六章第六章 实验小结与心得体会实验小结与心得体会 1212 参考文献参考文献 1313 附录一附录一 芯片介绍芯片介绍 1414 附录二附录二 元件清单元件清单 1515 附录三附录三 焊电路板技术焊电路板技术 1 16 6 精品文档 1欢迎下载 绪论绪论 电压是日常生活 工业 医学 环境保护 化工 石油等领域最常用到的 物理量 而且随着现代工业的发展 人们需要对工业生产中有关电压系统进行 控制 会导致人生安全 所以需要用到电压报警控制器 如在工厂生产工作时 电压不应过高以及过低 当电压超上下限值时 需要对工作人员给予警示 所 以需要用到电压报警控制器 而且很多领域的电压可能较高或较低 有时人无 法靠近或现场无 然而需人力来监控会导致人生安全 所以需要用到电压报警 控制器 所以 对电压超限报警控制的研究就要更加要精确 随着现代化 科技的腾飞 信息技术的高密度的集中 电压的控制也成为 时代关注的一部分 制作一个高技术的电压报警系也是尤为重要的 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 现在初步了解电压的相关性能 运用最简单的模拟电路对电压的控制 为以后对电压 控制的深入研究打下了坚实的基础 精品文档 2欢迎下载 第二章第二章 设计内容及要求设计内容及要求 2 12 1 设计内容设计内容 设计一个交流电压超限报警系统 2 22 2 设计要求设计要求 1 可设定上限电压报警值 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 32 3 实验设计目的实验设计目的 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 74LS08 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 掌握与非门电路运用与设计 精品文档 3欢迎下载 第三章第三章 设计原理设计原理 3 13 1 单元电路设计单元电路设计 1 1 电容滤波电路工作原理电容滤波电路工作原理 a b 图图 3 13 1 桥式整流电容滤波电路桥式整流电容滤波电路 a 电路 b 波形 在整流电路的输出端 即负载电阻 RL两端并联滤波电容 C 就构成电容滤 波电路 图 3 1 1 a 所示为桥式整流电容滤波电路 当电路已进入稳态工作 时 输出电压近似波形如图 b 中实线所示 虚线是未加滤波电路时输出电压 的波形 精品文档 4欢迎下载 由图 a 可知 只有当电容上电压 即输出电压 uo 小于变压器副边电压 时 才有一对二极管导通 给电容充电 若变压器副边电压 u2在正半周 且电容上的电压在 a 点 a 点对应的时间 t1 则当时间 t t1时 D1和 D3因加正向电压而导通 u2一方面提供负载电流 另一方面对 C 充电 若变压器副边内阻 二极管导通电阻均可忽略不计 则 uo 将按 u2的变化规律充电至峰值电压 见图中 b 点 此后 u2的下降使得 u2 uc 所有二极管均截止 滤波电容 C 向负载电阻 RL放电 时间常数 RLC 在放电的 b c 段 uo基本按 u2的变化规律线的 c d 段 电容 C 放电到图中的 d 点后 又 重复前述 a 点以后的过程 但在 u2 的负半周电容充电时是 D2 D4导通 如此周 而复始 形成了滤波电容周期性的充 放电过程 从图 b 所示波形图可以看出 电容滤波电路不但使输出电压的交流分量 减小 而且使得输出电压平均值增大 从电容对交 直流分量容抗的差别可以 理解 正是由于滤波电容对交流分量的容抗很小 将其负载电阻上交流电流变 小 输出电压脉动减小 正是由于滤波电容对直流分量的容抗无穷大及其储能 作用 使得输出电压平均值增大 放电回路时间常数 RLC 越大 输出电压的脉 动越小 平均值越大 2 2 整流二极管的导通角整流二极管的导通角 在未加电容滤波时 不管在哪种整流电路中 整流二极管均在变压器副边 电压的半周导通 称为导通角 在采用电容滤波后 整流二极管的导通角小 于 值得注意的是 RLC 越大 在一个周期内充电时间越短 即二极管的导 通角越小 由于电容上电压不能突变 所以在二极管导通时 会因整流电路内 阻很小而流过很大的冲击电流 而且导通角越小 冲击电流越大 越影响二极 管的寿命 因此在选择整流二极管时 最大整流平均电流 IF 要留有充分的余地 通常要大约无电容滤波时的 2 3 倍 当负载电阻很小 负载电流很大时 如 2A 以上 整流二极管的选取就比较困难 因而应考虑采用电感滤波电路 综上所述 电容滤波电路适用于负载电流较小且变化范围不大的场合 3 3 滤波电容的选择滤波电容的选择 精品文档 5欢迎下载 从理论上讲 滤波电容越大 放电过程越慢 输出电压越平滑 平均值也 越高 但实际上 电容的容量越大 不但体积越大 而且会使整流二极管流过 的冲击电流更大 因此 对于全波整流电路 通常滤波电容的容量满足 RLC 1 5 2 5 T 式 1 1 式子中 T 为交流电压的周期 此时 可认为输出电压平均 UO AV 1 2U2 式 1 2 一般选择几十至几千微法的电解电容 考虑到电网电压的波动范围为 10 其 耐压值应大于 1 55U2 且应按电容的正 负极性将其接入电路 精品文档 6欢迎下载 第四章第四章 整体电路组成及其工作原理整体电路组成及其工作原理 4 14 1 整体电路设计和工作原理整体电路设计和工作原理 4 1 14 1 1 电压采样电压采样 首先通过变压器把 220v 的交流电压变成 12v 的小电压如 4 1 图所示 4 14 1 图图 降压电路降压电路 4 1 24 1 2 整流整流 然后们运用整流桥堆进行整流 使得交流变成直流 桥式整流是由 4 个整 流二极管组成的电路 这样就在负载 RL 上得到一个与全波整流相同的电压波形 其电流的计算与全波整流相同 即 UL 0 9U2 式 1 3 精品文档 7欢迎下载 IL 0 9U2 RL 式 1 4 流过每个二极管的平均电流为 ID IL 2 0 45 U2 RL 每个二极管所承受的最高反向电压为 为全波整流的一半 式 1 5 U22 Urm 桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承 受反压大的缺点 但多用了两只二极管 在半导体器件发展快 成本较低的今 天 此缺点并不突出 因而桥式整流电路在实际中应用较为广泛 如图 4 2 所 示 4 24 2 图图 桥式整流电路桥式整流电路 4 1 34 1 3 滤波滤波 设计一个电路进行滤波 达到稳定作用 该为电容电容滤波电路 该电路为在整 流电路的输出端 即负载电阻 R 两端并联滤波电容 C 就容滤波电路 通常滤 精品文档 8欢迎下载 波电容的容量满足 RC 3 5 T 2 输出电压平均值为 1 2U 如下图 4 3 所示 图图 4 34 3 电容滤波电路电容滤波电路 4 1 44 1 4 方波方波 通过矩形波振荡电路 又称多谐振荡器 由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成 滞回比较器起开关作用 RC 电路的作用是产生暂态过程 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背靠背的稳压管就组成了如图 4 4 所示的双向限幅矩形 波发生器 精品文档 9欢迎下载 图图 4 44 4 方波电路方波电路 4 1 54 1 5 报警控制报警控制 通过放大器可以设置电压上下限 然后通过窗口比较器放大器产生的信号输入 与门电路 74LS08 芯片中 在芯片的输出端呈现不同的反应 如果两端输入端都 是高电平 则输出的也是高电平 使的蜂鸣器发出声音 如果两端输入端至少 有一端是低电平 则输出的还是低电平 蜂鸣器不会发出声音 4 24 2 整体电路整体电路 通过交流电压采样 整流 滤波 方波 报警控制的设计 完成了整个交流电 压报警控制系统的电路设计 如图 4 5 所示 精品文档 10欢迎下载 图图 4 54 5 交流电压报警控制电路交流电压报警控制电路 精品文档 11欢迎下载 第五章第五章 实验调试测试实验调试测试 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 实验成功 图图 5 15 1 方波方波 精品文档 12欢迎下载 第六章第六章 实验小结与心得体会实验小结与心得体会 本次电路设计是比较好的锻炼了我们电路设计 资料的查找 方案确定 分析问题 解决问题 焊接技术等各方面的能力 通过本次实验我们提高了自 身的实验素养 方案确定 设计 错误分析能力 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 我们可以自己动手完成一个简单的可以达到 相应设计要求的交流电压超限报警器 掌握了电桥设计的方案以及反馈放大电 路的计算与实际运用 掌握了与非门电路的运用与设计 在用 Multiuse 软件进行了仿真过程中 有许多地方都和理论计算存在不 同程度的出入 但最终的结果还是符合要求的 这次课程设计虽然结束了 但是却留下许多不尽人意的地方 比如说 调 试的出现了波形调不出来 或者调出的好像是正弦波等问题 在滤波效果上并 不是十分的理想 未能达到理想的滤波效果 还有电路的焊接技术也有待进一 步提高 同时在本次的课程设计过程中也收获了许多 它不仅培养了独立思考 动手操作的能力 团队协作能力 更重要的是我们学会了如何去发现问题 分 析问题 解决问题 将理论付诸于实践 在今后的学习中我们会更加注意将理 论与实践相结合 因为再好的理论 都必须由实践去证明 理论才是实践检验 真理的唯一标准 精品文档 13欢迎下载 参考文献参考文献 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 精品文档 14欢迎下载 附录一附录一 芯片介绍芯片介绍 74LS08 芯片的介绍 74LS08 是 2 输入四与门集成电路芯片 常用在各种功能的字电路系统中 74LS08 工作环境为 74LS08 最大电源电压 7V 工作电压 4 5V 到 5 5V 74LS08 引脚功能如附录一 1 图所示 附录一附录一 1 1 图图 74LS08 芯片的真值表如附录一 2 图 附录一附录一 2 2 图图 精品文档 15欢迎下载 附录二附录二 元件清单元件清单 元件清单 序号类型型号数量 LM3241 1 芯片 74LS081 1k 5 20k 12 电阻 50k 1 3 电位器 1 k 1 4 电桥 1 5 变压器 1 6 蜂鸣器 1 IN40072 7 二极管 IN47353 22 F1 8 电容 220uf 1 精品文档 16欢迎下载 附录三附录三 焊电路板技术焊电路板技术 焊接是电子产品组装过程中的重要环节之一 如果没有相应的焊接工艺质 量保证 则任何一个设计精良的电子装置都难以达到设计指标 众为兴公司通 过多年对焊接行业了解 总结出一套完美的焊接过程 因此 在焊接时 必须 做到以下几点 1 焊接表面必须保持清洁 即使是可焊性好的焊件 由于长期存储和污染等原因 焊件的表面可能产 生有害的氧化膜 油污等 所以 在实施焊接前必须清洁表面 否则难以保证 质量 2 焊接时温度 时间要适当 加热均匀 焊接时 将焊料和被焊金属加热到焊接