交流电压超限报警系统设计样本.doc

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课程设计说明书

课程设计名称: 模拟电路课程设计

课程设计题目: 交流电压超限报警系统设计

学 院 名 称: 信息工程学院

专业: 电子信息工程 班级:

学号: 姓名:

评分: 教师:

3月6日

模拟电路 课程设计任务书
20 11 －20 12 年 第 2 学期　第 1 周－ 7 周
题目
交流电压超限报警系统设计
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
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
年 2 月13 日
任务完成
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

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。

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能够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, 由一个蜂鸣器经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。首先经过变压器对220V交流电压进行降压, 其次经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, 最后经过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 滤波 整流 报警

目录

第一章 绪论 1
第二章 设计内容及要求 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 设计原理 3
3.1 单元电路设计 3
第四章 电路组成及其工作原理 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
第五章 实验调试测试 11
第六章 实验小结与心得体会 12
参考文献 13
附录一 芯片介绍 14
附录二 元件清单 15
附录三 焊电路板技术 16

绪论
电压是日常生活, 工业, 医学, 环境保护, 化工, 石油等领域最常见到的物理量。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, 因此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, 因此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, 因此需要用到电压报警控制器。因此, 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, 不但保护人生安全, 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。

第二章 设计内容及要求
2.1设计内容
设计一个交流电压超限报警系统。
2.2 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。
2.3 实验设计目的
1. 经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. 设计并完成一个能够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. 掌握经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。

第三章 设计原理

3.1 单元电路设计
1. 电容滤波电路工作原理

( a)

( b)

图3-1 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。
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) 所示波形图能够看出, 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能够理解, 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. 整流二极管的导通角
在未加电容滤波时, 不论在哪种整流电路中, 整流二极管均在变压器副边电压的半周导通, 称为导通角π。在采用电容滤波后, 整流二极管的导通角小于π。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, 因此在二极管导通时, 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, 一般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. 滤波电容的选择
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, 一般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。

第四章 整体电路组成及其工作原理
4.1 整体电路设计和工作原理
4.1.1 电压采样
首先经过变压器把220v的交流电压变成12v的小电压如4-1图所示:

4-1图 降压电路
4.1.2 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)
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)
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
4-2图 桥式整流电路
4.1.3 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。一般滤波电容的容量满足RC=(3--5)T/2输出电压平均值为1.2U。如下图4-3所示

图4-3 电容滤波电路
4.1.4 方波
经过矩形波振荡电路(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, 经过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。

图4-4 方波电路
4.1.5 报警控制
经过放大器能够设置电压上下限, 然后经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。

4.2 整体电路
经过交流电压采样, 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。

图4-5 交流电压报警控制电路

第五章 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, 能够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, 经过调试, 当电压超过上下限时, 会发出1HZ的蜂鸣报警声, 实验成功。

图5-1 方波

第六章 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。经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。我们能够自己动手完成一个简单的能够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, 可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, 或者调出的仿佛是正弦波等问题, 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, 它不但培养了独立思考、 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。

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.
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.
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.

附录一 芯片介绍
74LS08芯片的介绍
74LS08是2输入四与门集成电路芯片,常见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 1图
74LS08芯片的真值表如附录一2图:
附录一 2图
附录二 元件清单
元件清单
序号
类型
型号
数量
1
芯片
LM324
1
74LS08
1
2
电阻
1kΩ
5
20kΩ
1
50kΩ
1
3
电位器
1 kΩ
1
4
电桥

1
5
变压器

1
6
蜂鸣器

1
7
二极管
IN4007
2
IN4735
3
8
电容
22μF
1
220uf
1

附录三 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, 众为兴公司经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。因此, 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温度, 使熔化的焊料在被焊金属表面浸湿扩散并形成金属化合物。因此, 要保证焊点牢固, 一定要有适当的焊接温度。
　　在足够高的温度下, 焊料才能充分浸湿, 并充分扩散形成合金层。过高的温度是不利于焊接的。焊接时间对焊锡、 焊接元件的浸湿性、 结合层形成都有很大的影响。准确掌握焊接时间是优质焊接的关键。
　　3．焊点要有足够的机械强度
　　为了保证被焊件在受到振动或冲击时不至于脱落、 松动, 因此, 要求焊点要有足够的机械强度。为使焊点有足够的机械强度, 一般可采用把被焊元器件的引线端子打弯后再焊接的方法, 但不能用过多的焊料堆积, 这样容易造成虚焊和焊点与焊点之间的短路。
　　4．焊接必须可靠, 保证导电性能
　　为使焊点有良好的导电性能, 必须防止虚焊。虚焊是指焊料与被焊物表面没有形成合金结构, 只是简单地依附在被焊金属的表面。在焊接时, 如果只有一部分形成合金, 而其余部分没有形成合金, 则这种焊点在短期内也能经过电流, 用仪表测量也很难发现问题。但随着时间的推移, 没有形成合金的表面就要被氧化, 此时便会出现时通时断的现象, 这势必造成产品的质量问题。
总之, 质量好的焊点应该是: 焊点光亮、 平滑; 焊料层均匀薄润, 且与焊盘大小比例合适, 结合处的轮廓隐约可见; 焊料充分, 成裙形散开; 无裂纹、 针孔、 无焊剂残留物。
焊接五步法如附录三1图:
附录三1图

焊接工具如附录三2图:

附录三2图