停电来电报警电路.docx
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停电来电报警电路
单位代码01
学 号_050102109
分类号TP202
密级________
毕业论文
来电、停电报警电路的分析
院（系）名称
信息工程学院
专业名称
电子信息工程
学生姓名
郭万顺
指导教师
高景霞
2009年4月30日
来电、停电报警电路的分析
摘要
电是一种无污染、易转化、优质高效的能源，广泛应用于国民经济和社会生活中，已成为经济社会发展的重要支柱。
随着电子产品的增多，对电能的需求量也在与日俱增，但由于电力的供应不足和电路故障，停电的事情时有发生。
一但市电供应中断，对人们的生活和生产都造成很大的损失，此时如果不加以及时补救，经济损失就在所难免。
而来电、停电报警器便能在市电停电或来电时，及时的提醒人们尽早的采取相应的补救措施来减少经济损失。
这次论文论述几种常见报警电路的工作原理，并依据经济、可靠、实用，易于集成化，小型化的原则，对来电、停电多功能报警器作详细的分析说明。
对于多功能来电、停电报警器，在停电或来电时，信号通过电源电路、数字逻辑电路和控制输出电路，从而使报警器鸣报警；在市电正常或停电期间，不报警；在发生紧急事故时，报警器报警。
在电力重要并且紧缺的今天，使来电、停电报警器向多功能、集成化、小型化发展，还有很多的研究工作，所以具有广阔的发展前景。
关键词：
集成，数字逻辑，报警器，市电
Theanalysisofincomingtelegramorblackoutalarmcircuitcalls
Author:
GuoWanshun
Tutor:
GaoJingxia
Abstract
Electricityisakindofnon-pollution,easyconversion,highqualityandefficiencyenergy,itiswidelyusedinthecompilationofeconomicandsociallives,andithasbecomeanimportantpillarofeconomicandsocialdevelopment.Withtheelectronicproductsincrease,increasingdemandforenergy,butasaresultoftheelectricpowerinsufficientsupplyandtheelectriccircuitbreakdown,thepowercuttingsometimesoccurs.Oncethemainsinterrupt,itwillcausegreatdamagetopeople'slifeandproduction,ifouractionisnottimelyremedial,economiclossisunavoidable.Theincomingtelegramorblackoutalarmwillpowerwhenthecommercialpowerincomeandfail,ittimelyremindpeopleassoonaspossibletotakecorrespondingremedialmeasurestoreducetheeconomicloss.Thisarticlediscussesseveralcommonalarmcircuitprinciplesofwork,andaccordingtotheeconomy,reliable,practical,easyintegration,militarization,principleofpoweristomakecalls,adetailedanalysisofthemulti-functionalalarm.Formultifunctionalpoweralarm,electricitynormalorcut,inpowerorpowersupplycircuit,signalsthroughdigitallogiccircuitandcontroltheoutputcircuit,therebyalarmbellalarm,Thenormalmainsorduringtheblackoutin,alarm.Intheeventofanemergency,thealarmgivesanalarm.Inpowerandshortageoftoday,thealarmwillbecomemultifunctional,integration,militarization,soithasalotofresearchanddevelopmentwork,soithasbroadprospectsfordevelopment.
Keywords:
Integration，Digitallogic，Alarm，Commercialpower
1绪论
1.1课题背景及意义
电是一种无污染、易转化、优质高效的能源，广泛应用于国民经济和社会生活中，已成为经济社会发展的重要支柱。
随着电子产品种类的不断增长，人们的生活也在随之改善，相应人们对电能的消耗也越来越大。
电力的匮乏和一些大功率的电子产品应用的普及，停电的事情还时有发生，特别是在夏季的用电高峰期，发电厂也只能采取限电的措施。
除了电力的匮乏，还有所引起的意外事故也时有发生。
这些都对人们的生活，社会的生产和经济带来很大的负面影响。
比如一些重要的工作场所，在停电时往往用多路市电或备用的发电机发电来满足用电需要。
而在电网恢复供电时，则希望能迅速停止备用发电机工作。
电子产品的革新与换代越来越快，技术要求也越来越高，功能却越来越多样化与智能化。
大部分机械及功能电路都无须人工现场操作，而大部分情况下，当机械或是电路出现问题时，基本上都是用报警电路来提醒人们。
这样就需要报警电路能够具有经济、可靠、实用，易于集成化，小型化，功能多等特点，来适应人们的需要和市场的竞争。
当工作市电停电时，通过报警器的警示，工作人员如果能够即使地切换到进线市电，或启用发电机，能在工作市电无电的情况下继续正常的工作。
在市电来电的情况下，通过报警器的提醒，能够及时的让进入市电工作，关闭发电机。
这样不仅可以提高工作效率和生产效益，还能减少不必要的浪费，在现实生活中具有重要的意义。
1.2课题研究内容及方法
对本课题的分析，通过查阅相关资料，详细的了解到了一些停电、来电报警电路的相关知识，以及关于它的一些非常繁琐、复杂的电路组成，所以在开始对次课题进行分析时，要先熟悉TLP521-4、CD4011、CD4069等元件的工作原理，并对报警器内部电路组成有比较熟悉的掌握，我们也需要了解滤波，整流元件在电路中的作用。
另外，电力在现实生活中的供应不足，对人们的生活和社会的生产具有相当大的制约，让人们在电力供应不足的情况下，能够提醒人们换用其他方式来提高生产效益。
因此，在这次课题分析中，停电、来电报警电路在现实生活中具有很重要的意义。
在最后的电路图制作与布线中，我们常用的软件就是Protel99SE电子制图软件，其具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的操作软件，可以完成电路原理图设计，印刷电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作。
因而，利用此软件进行电路图的制作和自动布线也是这次课题的要求之一，是课题完成的必要手段。
1.3停电、来电报警器的发展前景
电作为一种无污染、易转化、优质高效的能源，广泛应用于国民经济和社会生活中，并成为经济社会发展的重要支柱。
但由于电力供不应求和电力故障都在影响人们的生活和经济的发展，停电、来电报警器能够提醒人们在市电停电时，切换市电或启用备用发电机，在来电时关闭备用发电机，以提高生产效益和降低生产成本，对经济的发展有着重要的意义。
电子产品发展到今天，由于集成电路具有体积小、功耗低、可靠性高、性能好以及易于使系统整机实现少调整和不调整等优点，集成化、小型化、多功能化已经成为当代电子产品的设计方向。
使来电、停电报警器的内部电路也能够集成化、小型化、多功能化，并且能够经济、实用、可靠，这些都是现在的报警器所不能具备的。
所以来电、停电报警器仍有相当广阔的发展前景。
2报警电路的分析和选取
2.1停电来电报警电路
（一）
本例介绍的停电、来电报警器，使用时接在220v交流电网上，在市电停电后和再次来电时均会自动发出约50s的蜂鸣报警声，告知使用者“已停电”或“已来电”的信息。
针对报警电路的结构、原理以及电路的优缺点介绍如下。
2.1.1报警电路的结构
此停电、来电报警电路由电源电路、市电检测电路、超低频振荡器[1]、音频振荡器和音频驱动输出电路组成，其电路如图2.1所示。
在停电和再次来电时，会发出约有50s的蜂鸣报警声。
此电路中的电源电路由降压电容器C1、电阻器R0、稳压二极管VS、整流二极管VD1和滤波电容器C2组成；市电检测电路由二极管VD1、VD3、电阻器R2和六非门集成电路IC（D1~D6）内部的非门D1组成；超低频振荡器由非门D2、D3、电阻器R5、电位器RP1和电容器C4组成，其工作频率约2Hz；音频振荡器由非门D4、D5、电阻器R6、电位器RP2和电容器C5组成，其工作频率约800Hz。
音频驱动输出电路由非门D6和蜂鸣器HA组成。
2.1.2报警电路的工作原理
交流220V电压经C1降压、VS稳压、VD2整流及C2滤波后，为IC提供9V的直流电压。
在市电路来电（或停电后又来电）时，VD1因负极为高电平而处于截止状态，C3两端的电压不能突变，仍维持低电平，D1输出高电平，使VD4截止，超低频振荡器振荡工作，输出频率约2Hz的超低频振荡信号[2]，对音频振荡器进行调制，使蜂鸣器HA发出“嘀、嘀”的报警声，完成初始加电或停电后又来电时的报警功能。
与此同时，＋9V电压通过R2对C3充电，当C3两端电压升至阑值电压（约3V）时，Dl输出低电平，使VD4导通，超低频振荡器和音频振荡器停振，HA停止发声。
若市电突然中断，则VD1负极的电压消失，C2上所充电荷对IC放电，维持对IC供电，此时VD1导通，C3通过VDl和VD3迅速放电，使D1输出高电平，VD4截止，超低频振荡器又振荡工作，其输出的振荡信号对音频振荡器进行调制，蜂鸣器HA再次发出“嘀、嘀”报警声，告知用户停电信息。
当C2放电结束后，整个电路停止工作。
2.1.3报警电路的优缺点
此报警电路通过电容降压的方式，尽管电路简单、成本低，但是是通过电容器把交流电引入负载中，自身对地有220V电压，人易触电，因而不安全，且降压电容的相对寿命较短。
蜂鸣器的报警时间相对较长，如果在人已感知的情况下，还在报警，这些声音就成了人们生活中的噪音了。
对于电源电路，应该先降压，后整流，会使效率变低，并且调压的范围也会很窄。
蜂鸣器的报警电压，直接由IC提供，所提供的电压如果不够蜂鸣器的报警功率，则报警器可能不报警，就失去了电路报警的作用。
2.2停电来电报警电路
（二）
本例介绍一款采用分立元器件制作的停电、来电报警器，它具有电路简单、容易制作等特点。
以下就报警器的结构、原理以及优缺点作以简单分析。
2.2.1报警电路的结构
该停电、来电报警器电路如图2.2所示，由图可以看出该电路由电源电路、电源检测电路和音频振荡器组成。
其中电源电路由电源变压器T、整流二极管VD1、VD2和滤波电容器C1、C2组成。
电源检测电路[3]由晶体管V1、V2、电阻器R1~R4、二极管VD3和电容器C3组成。
音频振荡器由晶体管V3、V4、二极管VD4、VD5、电容器C4,电位器RP1、RP2和扬声器Bl组成。
2.2.2报警电路的工作原理
交流220V电压经T降压后，在T二次线圈外侧的W2和W3绕组上分别产生交流9V和6V电压。
交流9V电压经VD1整流和C1滤波后，为音频振荡器[4]提供工作电源。
交流6V电压经VD2整流和C2滤波后，作为V1和V2的工作电源。
在交流电源正常供电时，经VD2整流后的直流电压经R4加至V3的发射极（约5.6V），使音频振荡器处于停振状态，Bl不发声。
停电后，C1上存储的电荷维持对音频振荡器的供电，音频振荡器振荡工作，驱动Bl发出音响报警声。
当C1放电结束后，此时V3发射极的高电平消失，音频振荡器停止工作，报警声消失。
停电后再来电时，由于C3两端电压在刚接通电源时不能突变，仍维持低电平，V1截止，V2饱和导通，V3的发射极为低电平，音频振荡器振荡工作，Bl发出报警声。
延时约10s，C3充满电时，V1导通，V2截止，V3的发射极变为高电平，音频振荡器停振，Bl停止发声。
调节RP1和RP2的阻值，可改变音频振荡器的振荡频率，从而改变报警声的节奏和音调。
2.2.3报警电路的优缺点
变压器把220V交流电隔离并降压，然后经过整流电路给电池充电，有安全、稳定、寿命长、效果好的优点，但是体积大，成本较高，不利于集成化，小型化。
在变压器的右端，即W2、W3端没有稳压器，如果在市电刚来时，电压小于220V则可能会影响到电源检测电路和音频振荡器。
此报警器采用模拟电路，其传输的速度较慢，准确性较差，不利于小型化和集成化。
次报警器的报警时间，只有10s，这样短的时间，可能不能引起人们的注意，这样就会导致人们不能及时的切换电路或开关发电机，造成损失。
2.3报警电路的选取
总揽以上两种报警电路的优缺点，所选用的电路应该具有一下特点。
1．多功能。
此电路除了来电、电报警之外，还能在发生紧急事故时，提供警示，可以让人们及早的预防，来减少生命和财产的损失。
2．集成化和小型化。
首先，在电源电路中，应避免降压电容的不安全性和变压器的体积大以及成本高。
其次，在逻辑分析和判断电路中，避免用模拟电路，即使用数字电路。
3．准确性。
电路选用数字电路进行逻辑分析和判断，不但能够准确和快速的将高低电平传输到控制输出部分。
4．报警时间。
报警器的报警时间，由人为控制，可以更好并且更有效的提醒人们，不至于太长，产生多余噪声；太短，不能有效的提醒人们。
5．可靠性高，经济，实用。
报警器报警的时候，报警器的电源采用外加电源供电，可以保证报警器的输出有足够的功率。
外加电源采用蓄电池后备供电，以减少生产成本。
由此可见，以上两个报警电路均不符合电路选取的原则，故均不采用。
对于另外一个报警电路——来电、停电多功能报警电路来说，便满足以上条件。
首先，在电源电路中才用了TLP521-4，CD4011和CD4069就满足了电路的集成化和小型化，以及准确性。
其次，对于报警时间的控制，由电路中的监控开关控制，当市电都正常或工作市电停电时，监控开关置停电报警位；当市电都停电，或进线市电的一路或两路来电时，监控开关[5]置来电报警位，监控开关的切换可以控制报警的时间。
再次，电路有紧急按钮，即可保证在出现意外事故时，按下紧急按钮，是电路报警，即电路的多功能性。
最后，附加电源电路既能保证报警器的输出功率，即可保证电路的可靠性。
因此选用来电、停电多功能报警电路，以下就对报警电路的结构和原理作详细的分析和说明。
3停电、来电多功能报警电路的分析
3.1报警电路的组成
该停电、来电多功能报警电路的市电检测线有4个，分别是两路市电进线A和B，以及工作市电，和公共零线[6]组成。
停电、来电报警电路由电源电路，数字逻辑电路，输出控制电路，附加电源组成，其原理图如图3.1所示。
3.1.1电源电路
电源电路由整流二极管，稳压二极管，降压电阻和滤波电容器，以及光耦芯片TLP521-4组成。
电源电路能实现对市电强电进行隔离。
电源电路通过稳压二极管、降压电阻后，在旁路电容端得到较稳定的12V直流电，然后加在光耦芯片端（1，3，5）。
在光耦芯片的另一端（12，14，16）输出低电平（相应电路有220V左右的交流电），从而完成把市电有无转换为高低电平。
整流二极管的作用是整流，把市电的交流电变为单向脉冲电流。
由于二极管的基本性质是“单向导电”，交流电流过时，只有正（或负）半周时电流能流过，而在负（或正）半周时，电流是截止的，就是说，只有半个周期的电流流过，另半个周期因为电流方向是相反的不能流过，这样在电路中就只有一个方向的电流了，也就是把交流电变成了单向脉动电流。
稳压二极管[7]是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。
此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。
稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性。
当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
稳压管的伏安特性及符号如图3.2所示。
电容在电源电路中其滤波作用。
整流电路将交流变成脉动[14]的直流，而在整流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。
稳压二极管[8]是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,根据这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。
光电耦合器（简称光耦），是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。
TLP521-4的内部原理图如图3.3所示。
光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。
对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。
其工作原理单就1，2，15，16管脚进行说明，16脚接外加电压+5V，15脚接地。
当1，2两脚之间存在外加电压时，发光二极管导通发光，光照在光敏三极管的基极，光敏三极管导通，则在光敏三极管的集电极输出低电平。
当1，2两脚之间无电压时，发光二极管不导通，不发光，光敏三极管截止，则16脚处于高电平。
这样便起到了强电隔离的作用。
3.1.2数字逻辑电路
数字逻辑电路由CD4011与非门芯片和一片CD4069非门芯片，电阻，和两个二极管组成。
数字逻辑电路对电路进行逻辑分析和判断。
CD4011[9]都是一个四输入与非门集成电路，其引脚图如图3.4所示。
CD4011的四个与非门相互之间不无联系，即1，2输入，3输出；5，6输入，4输出，两个门的输入、输出不会相互影响。
CD4011在工作电路中，14管脚接高电位，7脚接低电位。
对于与非门[10]的逻辑功能,用TTL与非门进行说明，如图3.5所示。
图中的与非门电路由三部分组成：
第一部分由多发射极晶体管T1和电阻R1组成电路的输入级，该级实现与功能；第二部分由T2和电阻R2、R3组成中间级，从T2的集电极和发射级同时输出两个相位相反的电压（实现倒相），并分别送到T3、T4管的基极，以满足输出级的需要；第三部分由T3，D，T4和R4组成输出级，这种电路形式称推拉式电路，它不仅输出阻抗低，带负载能力强，而且可以提高工作速度。
第二部分和第三部分共同实现了非功能。
其工作原理为：
当输出高电位时T3、D导通，T4截止；输出为低电位时，T3和D截止T4饱和导通。
TTL与非门的各级工作状态如表3.1所示。
表3.1TTL与非门各级工作状态
输入状态
输出电位
T1
T2
T3
D
T4
全部为高电位UIH
低电位UOL
反向放大
饱和
截止
截止
饱和
一个或多个为低电位UIL
高电位UOH
饱和
截止
导通
导通
截止
TTL与非门具有较高的开关速度，主要原因主要有两点：
一是由于采用了多射极管T1，它缩短了T2和T5的开关时间。
二是由于采用了推拉式输出电路，加速了T5管存储电荷的消散过程。
此外，由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平时T5处于深饱和状态，输出电阻很低；而输出高电平时T3、T4导通，组成射极跟随器，其输出电阻也很低，因此无论哪种状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。
TTL与非门的电压传输特性曲线如图3.6所示。
传输特性曲线大致分为四段：
当输入电压小于0.6V时，T1工作在深饱和状态，T2和T5截止，T3、T4均导通，此段为截止区。
当输入电压在0.6V和1.3V之间时，T2开始导通，T5尚未导通，T2处于放大状态，集电极电压随输入电压的增加而下降，此段为线性区。
当输入电压在1.3V和1.4V之间时，T5开始导通，最后T3、T4截止，T5进入饱和状态，此段为转折区。
当输入电压大于1.4V时，随着输入电压的增加，T1进入倒置工作状态，T3导通，T4截止，T2和T5饱和，因而输出低电平，此段为饱和区。
CD4069[11]是一片CMOS非门芯片，其内部原理图如图3.7所示。
非门又称反相器，即当其输入端为高电平时输出端为低电平，当其输入端为低电平时输出端为高电平。
也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反相的。
在数字逻辑电路的后端输出部分，两二极管的作用实际起到了或门的作用，只要有一路为高电平，通过三极管控制继电器就会吸和，输出+12V的直流电到报警电路，使报警电路报警。
3.1.3输出控制电路
输出控制电路主要由报警器，监控转换开关，C1815NPN型三极管，紧急按钮和继电器组成。
三极管和继电器主要控制报警器的报警。
三极管导通，继电器吸合，报警器报警；三极管截止，继电器不吸合，报警器不报警。
继电器是当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。
可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。
具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁式继电器[12]一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的，其原理图如图3.8所示。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点（3）与常开触点（5）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与的常闭触点（4）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
半导体三极管[13]有两个PN结组成，故为双极型晶体管，可以对电流起放大作用。
有3个引脚，晶体三极管分别为集电极（c），基极（b），发射极（e）。
半导体三极管有PNP型和NPN型两种，其电路符号分别如图3.9和图3.10所示。
三极管最基本的作用是放大作用，即集电极电流随基极电流的变
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