电网电压异常报警器实验报告课程设计

1、前言课程设计是将理论知识应用到实践中，是理论和实践的结合，此外的电子技术综合课程设计是将我们所学的模拟电子技术基础和数字电子技术的综合应用，欲通过此次课程设计将我们所学的理论知识运用到生活实践之中去，一致更好的学习理论知识。我们此次的设计任务是“电网电压异常报警电路的设计和制作”， 主要是针对我们学习模拟电子技术之后与数字电子技术基础综合起来，进行综合设计培养以我们独立分析、思考与解决实际问题的能力，以及如何将所学的课程运用于实践中。 通过此次的课程设计，我们应该达到以下的基本要求:1能够在理论知识的基础进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，合理的进行选择和运用。2能够独立的对课题进行分析，运用

2、所学的理论知识，通过翻阅资料，设计出最优方案。3学会电子电路的安装与调试技能培养我们分析与解决问题的能力。 本次课程设计四个人为以一小组，进行团队合作进行，共安排两周时间。目录一、 课程设计任务指标二、 方案提出与论证2.1 方案一的提出2.1.电源模块2.1.2 信号模拟电路2.1.3比较电路2.1.4报警电路2.2 方案二的提出.电源模块2.2 信号模拟电路2.3比较电路2.4报警电路2.3方案论证与分析及方案选定2.1 电源模块2.2 信号模拟电路2.3比较电路2.4报警电路三、 单元电路设计3.1 电源电路的设计3.1.1降压电路3.1.整流电路3.1.3滤波电路3.1.4稳压电路3.

3、2 信号模拟电路的设计3.3比较电路的设计3.4 报警电路的设计四、电路的仿真运行4.1 仿真软件介绍4.2 仿真过程中遇到的问题及其解决办法五、电路安装与调试5.1电路安装与连接5.2 电路的调试、出现的问题及解决办法六、总结与体会七、附录实验总结构图附录芯片管脚图与管脚功能附录元器件清单附录参考文献 一课程设计任务指标：设计并制作一个电网电压异常报警器，要求如下：1.用压电陶瓷蜂鸣器作为电声元件；2.设交流电网电压的正常波动范围为190v250v（单相交流有效值），在此范围内，报警器不发声。当电网电压低于190v或超过250v时，报警器发出声响，并根据声响的不同音调区分电压的高低，即：(1

4、)当电压超过250v时，报警器发出两种频率交替的“嘀-嘟”声；(2)当电压低于190v时，报警器发出间歇式声响，即输出给蜂鸣器的电压波形。3.允许ac220v供电，应设计并制作本电路所用的直流电源。4.因电网电压较高，需通过一个电源变压器将高电压降低至安全电压。电网电压的波动可通过交流调压器来实现。二方案提出与论证：经过我们小组的分析，讨论得出电网电压异常报警的总体框图如下：降压电路整流滤波稳压比较电路报警电路采样电路 12v 12v 6v220v 波动电压图1 电网电压异常报警系统组成框图2.1 方案一的提出：此次的课程设计我们组做的题目是电网电压异常报警器，这个题目所要运用的只是包括上学期

5、所学的模拟电子技术基础和这学期所学的数字电子技术基础，经过我们组内讨论，电网电压异常报警器分为三部分，第一部分是电源模块，第二部分是比较电压模块，第三部分是电网电压报警模块。2.1.1 电源模块此次的课设中的电源部分为窗口比较器提供12v工作电源和15v可调波动电压以及为报警部分提供5v工作电压。电源电路由降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路四个模块构成。降压电路通过220-18v变压器来降压。整流电路通过单相全波整流电路来实行整流，可以运用整流桥堆进行工作。滤波电路取较大的电解电容进行滤波，采用rc型滤波器进行滤波。稳压电路运用三端集成稳压器来稳压。需要稳压芯片7812.和7805.2.1

6、.2 信号模拟电路此电路主要为比较器提供输入电压，进行超过250v和低于190v模拟，主要由滑动变阻器和定值电阻构成。2.1.3比较电路比较电路是整个电路的核心部分，它由两个集成运放构成的窗口比较器，通过从电源电路采集的电压输入到窗口比较器中，与窗口比较器中的两个基准电压做比较，比较输出的值输入到报警电路中产生报警声音。当输入信号电压大于所设的阈值电压，比较器1产生高电平进行双频率报警，比较器2此时输出低电平；当输入信号电压小于所设的低信号阈值电压，比较器2输出高电平，比较器1则输出低电平；当输入电压信号介于二者之间时，两个比较器输出全为低电平,单双频均不报警.运用lm324集成运放。2.1.

7、4报警电路根据本设计要求超压报警使用“嘀嘟”声，欠压报警使用“嘀嘀”声。所以报警电路由555定时器构成的多谐振荡器来产生单频与双频报警电路。主要由三片555定时器和两个蜂鸣器及电阻和电容构成。其中，电容分为抗干扰电容和充放电电容，电阻分为充电电阻和放电电阻还有分压电阻，蜂鸣器工作电流是20ma-30ma。2.3 方案二的提出经过我们组的讨论以及别的组的经验，我们一致认为我们应该再研究出一套方案，因为电路各个模块比较复杂，各模块连接易出错，参数不易得出，使得电路图的正确性和可靠性受到怀疑。2.1 电源电路考虑到电压输出的稳定性和数据的正确性，我们可以采用实验室仪器输出直流+12v和+5v，来代替

8、变压器电源。.信号模拟电路这部分我们还是采用滑动变阻器和定值电阻，来模拟超过250v电压和低于190v电压，通过调节滑动变阻器阻值来产生变化电压模拟电网电压变化。.比较电路这部分我们还是采用芯片lm324来组成窗口比较器对电压进行选择，然后输出给报警电路。2.4 报警电路由于双频报警模块采用两片555定时器，考虑到节约面包板板面地方和实验成本，我们可以采用一片ne556。2.3方案论证与分析及方案选定2.3.1 电源电路变压器电压制作复杂，所需器件较多，而且电压不稳定，和所需电压误差较大，体积大，比较笨重，连线复杂。实验室仪器输出+12v和+5v直流电压，稳定，方便，可靠。为了节约实验成本，得

9、到正确实验结果，我们采用实验室仪器作为电源。2.3.2 模拟信号电路经过我们小组的讨论，我们决定用滑动变阻器和定值电阻，来模拟超过250v电压和低于190v电压，通过调节滑动变阻器阻值来产生变化电压模拟电网电压变化。2.2.3比较电路这部分我们还是采用芯片lm324来组成窗口比较器对电压进行选择，然后输出给报警电路。2.3.4 报警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使用方案一与方案二均能实现，但是由于实验室556芯片缺少和我们在数字电子技术基础里学习过555定时器，对它的工作原理的认识以及电容电阻参数的确定都比较清楚，故选用三个555及电容电阻构成

10、的报警电路。 三. 单元电路设计根据论证的结果作出如下设计3.1 电源电路的设计3.1.1降压电路变压器式电源较为普遍，制作简单，使用也很安全。采用转换效率高，漏磁少的变压器，以减少整机功耗。由于考虑到要用到12v电压，故我们采用的使220v到18v变压器。3.1.整流电路整流电路一般分为单相半波整流电路和单相全波整流电路。单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少，但是它输出电压低，交流分量大（即脉动大），效率低，而单相全波整流电路具有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点，单相全波整流电路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，使实验更加方便和简单，我们采用了整流桥堆芯片

11、。3.1.3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），并联一个大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rc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，设计电容时应充分考虑各部件的耐压及最大电流，以使电路正常工作。3.1.4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，比如是7805、7812能为集成运放提供工作电压以及为比较器提供稳定的基准

12、电压，保证了电网电压报警的准确性。所以，电源模块采用220-18变压器降压，桥式整流堆进行整流，rc型滤波器进行滤波。实验电源电路图如图-2所示： 图-23.2 信号模拟电路的设计信号模拟电路又叫采样电路，它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。本设计把实际电压缩小50倍，然后由电位和电阻求出。它由一个定值电阻和一个滑动变阻器构成，通过整流电路后采集的直流电压经定值电阻和滑动变阻器分压后输入到窗口比较器中进行比较。实验信号模拟电路图如图-3所示： 图-33.3比较电路的设计比较电路中包括上下限基准电压模块和窗口比较器模块，其中上下限基准电压由电源提供+

13、12v电压经过定值电阻后由两个滑动变阻器分别调节。由采样电路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4.7v，代入上述公式得: u上=4.7v；u下=3.6v。窗口比较器部分用一片lm324实现，其中4端口接+12v工作电压，11端口接地，3端口和6端口相接，并且接于信号模拟电路里的滑动变阻器触头上，实现

14、电压的波动选择，端口2和端口5分别接于比较电路中的滑动变阻器的触头上，实现与基准电压的比较功能，1端口和7端口是窗口比较器的输出端口。比较电路图如图-4所示： 图-43.4 报警电路的设计报警电路由单频模块与双频模块组成，555定时器是一种模拟混合集成电路，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。单频报警电路由一片555定时器及电容电阻组成，接+5v工作电压，受比较电路里的窗口比较器端口7输出控制，它的工作频率f

15、1=1/(（r1+2r2）*c*i n2)=19.3hz,定值电阻是分压作用以保护电路，比较电路里的窗口比较器端口7输出促使蜂鸣器发出断续笛音。单频报警电路图如图-5所示： 图-5双频模块由两个集成定时器和阻容元件构成。第一片555接成低频多谐振荡器，第二片555接成音频振荡器。第一片555的输出信号控制第二片555的控制电平端，使第二片555交替地产生两种不同频率的信号输出，可推动蜂鸣器发生“滴嘟”声响。它的工作频率f=1/（t1+t2）=21.4hz。双频报警电路图如图-6所示： 图-6四电路的仿真运行4.1 仿真软件介绍 proteus软件是由英国labcenter electronic

16、s 公司开发的eda工具软件，已有近20年的历史，在全球得到了广泛应用。proteus软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者亲睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。 proteus软件和我们现有的其它电路设计仿真软件最大的不同即它的功能不是单一的。它强大的元件库可以和任何电路设计相媲美，其电路仿真功能可以和multisim相媲美，且独特的单片机仿真功能是multisim及其它任何仿真软件都不具备的，它的电路制版功能可以和protel相媲美。它

17、的功能不但强大，而且每种的功能都毫不逊色于protel，是广大电子设计爱好者难得的一个工具软件。本次实验我们用的是proteus7.9，它运行稳定，元器件多，而且我们比较熟悉它。下面是proteus7.9的运行界面图-7: 图-74.2 仿真过程中遇到的问题及其解决办法首先,我们不知道各个元器件的英文名称,因为proteus7.9是全英文的版本,之后我们在百度文库上下载到了proteus元器件中英文对照表，之后找元器件就方便多了。第二，我们连好电路之后不知道如何去设置各个元件的参数，经过我们小组的讨论和多次的探索及尝试后，发现只要左双击元器件，就会出来一个对话框，之后就可以设置各个元件的参数了

18、。第三，我们连出来的图有点大，在其工作框内不能全部放下，同样在我们小组的讨论和多次的探索及尝试后，在主菜单里有个systems里的set sheet sizes,可以将工作框图放大。第四，当我们让电路运行时发现蜂鸣器不响，但是用示波器器测波形时是有波形的，这说明前面的电路是正确的，是我们选错了蜂鸣器型号而已。下面是proteus7.9的工作界面图-8： 图-8五、电路安装与调试5.1电路安装与连接首先在安装连接电路之前首先将各类元器件分类好，对面包板有一个清晰的认识，以免在连接电路时浪费时间、错拿元件及连接错误。其次在连接电路时，检测芯片是否正常工作，认清管脚装配图，及各管脚的功能。最后在连接

19、电路时应分清主次，不要胡乱连接电路，以免发生连接电路时发生错乱。我们应该按模块进行连接，例如电源模块、比较电路模块、报警电路模块，各个模块检测无误后，再将各个模块连接到一块进行安装与调试。还有在插元器件前规划好各部分所在位置，以免连线较多，做好短线，节约时间。5.2 电路的调试、出现的问题及解决办法 当我们在面包板上插好电路时，达不到预期的实验效果。于是，我们用万用表先测了电源部分及所需电压，发现我们要的+12v电压不够只能达到+10.6v，于是我们检查电源各部分元器件是否插好及参数是否正常，结果参数是正确的，插的也是正确的，我们猜测是整流桥的问题，于是我们换了个整流桥，结果输出+11.8v，

20、基本符合所需电压。接上电源后，还是达不到所需实验结果，这时我们想到是我们没有调节比较模块的滑动变阻器阻值，和控制基准电压的两个滑动变阻器的阻值，于是，我们按照仿真图上测出来的数据调节了各个滑动变阻器的阻值，结果单频响，双频不响，我们又调节了比较模块的滑动变阻器，还是不能使双频响，我们用万用表测了的端口和端口电压发现相差不大，但是控制基准电压的两个欢动变阻器阻值确实相差较大，我们又测了比较模块的滑动变阻器触头电压发现和端口和端口的电压相差不大，我们猜想是坏了，我们找来另一块芯片插上之后还是同一个结果，我们又对照电路图，在板上插的和图上的一样。六、总结与体会上一学年我们开设了模拟电路技术与数字电路

21、技术课，这两门学科都属于电子电路范畴，与我们的专业也都有联系，且都是理论方面的指示。学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期模电、数电刚学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。课程设计是我们在大二结束时必须的课程，我们用了两周时间去完成我们的题目，结果我们的实物还是没有做出来，经过这次的实验我觉得，我们在刚开始的时候没有弄懂电路图，没去真正理解各部分的作用及他的功能，等到我们做实物的时候，不能正确理解各部分功能，所以当发现达不到实验效果的时候我们不知道怎样去检查，只能一遍一遍去

22、检查与电路图插得是否一样，等到我们真正理解了图的时候，已经没有时间了。实验本身是需要很谨慎，很认真的事，任何地方不能麻痹大意，要知道小的错误的积累就是大的错误。还有一点是最重要的，做课程设计是一个小组的任务，不是一个人的事，我们在以后的实验中要积极发挥团队精神。七、附录实验总结构图：附录芯片管脚图与管脚功能：附录a:集成三端稳压器7805的管脚及相关功能1脚：输入 2脚：接地 3脚：输出附录b:集成三端稳压器7812的管脚及相关功能1脚：接地 2脚：输入 3脚：输出附录c：集成三端稳压器7812的管脚图附录d:集成运放lm741的管脚图及各个管脚 功能（a）集成运放示意图1、5脚：调零端；2脚：反相输入端；3脚：同相输入端；4脚：负电源电压；6脚：输出端；7脚：正电源电压；8脚：空脚。附录d：555定时器管脚图及各个管脚功能1脚：gnd，一般情况下接地。8脚：vcc(或vdd)外接电源vcc，双极型时基电路vcc的范围是4.516v，cmos型时基电路vcc的范围为318v。一般用5v。3脚：out（或vo）输出端。2脚：tr低触发端。6脚：t