电网电压异常报警电路.docx

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电网电压异常报警电路

陕西理工学院

课程设计报告

题目：

电网电压异常报警电路

姓名：

姚腾飞

学号：

0817014121

院系：

电气工程系

专业：

自动化

班级：

自控084

指导老师：

帅春江

地点：

501实验楼

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。

前言………………………………………………………………………………………2

一、任务指标……………………………………………………………………………4

二、方案提出与论证…………………………………………………………………5

1.1提出方案1………………………………………………………………………5

1.2提出方案2

1.2方案论证与分析及方案选定……………………………………………6

三、单元电路设计……………………………………………………………………8

3.1电源电路………………………………………………………………………8

3.2采样电路………………………………………………………………………9

3.3比较电路………………………………………………………………………10

3.4报警电路………………………………………………………………………11

四、电路安装与调试…………………………………………………………………12

4.1电路安装与连接……………………………………………………………13

4.2电路的调试、出现的问题及解决办法……………………………13

五、总结与体会…………………………………………………………………………14

六、致谢……………………………………………………………………………………15七、附录……………………………………………………………………………………16

6.1芯片管脚图与管脚功能…………………………………………………16

6.2单元电路图……………………………………………………………………19

6.3参考文献………………………………………………………………………20

任务指标

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190～250V（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或高于250V（误差不超过±5V）时，报警器发出声响，并可根据声响的不同音调区分电压的高低，即：

（1）当电压超过250V时，报警器发出两种频率交替的“滴—嘟、滴—嘟”声响。

（2）当电压低于190V时，报警器发出间歇式声响。

3.只需用交流电源供电。

若不使用电源变压器，可降低成本，减少体积，但在安装调试时需采用有效措施，确保元器件和人身安全。

缺乏经验者以使用电源变压器降压为好。

4.在保证性能的前提下,尽量降低成本,减少功耗,缩小体积。

二、方案1的提出

2.1提出方案

本次课程设计为期两周，此次我们组的课题是电网电压异常报警电路，在此课程设计过程中所涉及到的知识主要是数字电子技术基础及模拟电子技术基础等，经过构思，及讨论可以通过电源电路、电压比较信号、比较电路、报警电路三个主要模块来构成电网电压异常报警电路。

1、电源电路

电源电路是构成整个电路的基础，可以提供电压的模拟信号，也能提供比较电路中窗口比较器的工作电压，供集成运放工作芯片正常工作，电源电路主要由降压电路、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。

稳压电路运用三端集成稳压器来稳压。

需要稳压芯片7812.7912.7805.

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。

主要由电位器和电阻构成。

3、比较电路

比较电路事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。

运用LM324集成运放。

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定时器和一个蜂鸣器及电阻和电容构成。

4、电路框图

12V～12V6V

220V～波动电压

图1电网电压异常报警系统组成框图

三、方案二的提出

我们小组对方案一经过讨论，认为方案一还不够完善，存在着一些细节性问题，可能会对实验造成影响。

考虑到两个电路公用一个蜂鸣器的话，会对彼此有影响，使蜂鸣器的响声不能清脆悦耳，故我们采用了两个相对独立的蜂鸣器，又对比较器之后的两个输出电压加上了5v稳压二极管，以保证使555定时器能正常工作。

四、电源电路组成及各单元设计

（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，故采用变压器变压。

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。

（2）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。

（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RCπ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。

（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电压，保证了电网电压报警的准确性。

（5）采样电路

采样电路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。

2比较电路

比较电路是本设计的核心部分。

它是由两组运放组成的上下限比较器。

由于比较电路中的窗口比较器能够提供上限基准电压与下限基准电压输入端，即比较方便，然后由采样电路采样到的电压与两基准电压分别进行比较，即可检测出电网电压是否异常，并输出相应信号驱动后级报警系统。

设计时应当注意尽量不使运放的两输入端电压高于其电源电压，故采用芯片为双源供电，+12v和-12v,阈值电压分别为5v和3.8v

3报警电路

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。

三、单元电路设计

3.1电源电路：

根据提出的方案，本次电源电路的输出端设计为+5V与-5V两电压值，输出端的+5V电压值作为比较电路中上限基准电压，+5V与-5V两电压值分别作为窗口比较器中两集成运放的工作电压，具体如下：

（1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电

（3）滤波电路：

可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

220V电网电压经过通用变压器T1降压至25V，25V交流电压经VD1-4组成的全桥整流、C1的滤波作用后变成直流电压供给集成三端稳压器7805（见附录A），经过7805降压、稳压后变成所需的+5V直流电压。

集成三端稳压器输入端的瓷片电容能消除自激振荡，输出端所连的瓷片电容能滤出高频杂波作用，都是为了进一步滤波稳压以改提高和改善12V电源的品质，有助于电源的稳定和带负载能力。

相类似的，220V电网电压经过通用变压器T1降压至25V，25V交流电压经VD1-4组成的全桥整流、C2的滤波作用后变成直流电压供给集成三端稳压器7912（见附录B），经过7912降压、稳压后变成所需的-12V直流电压。

但注意的是，电解电容的正端是接地，负端连接的是全桥整流的负端。

图2电源模块电路

3.2采样电路

采样电路由两个电阻及一个调位器组成，通过从整流电路后采集的直流电压经电阻和调位器分压后输入到窗口比较器中进行比较。

3.3比较电路

比较电路中包括上下限基准电压模块和窗口比较器模块，其中上限基准电压由电源输出端给出，下限基准电压由两个电阻和调位器分压给出。

图4下限基准电压提供电路

根据电源电路输出端所提供的电压值的需要，选择工作电压为+12V与-12V集成运放LM324（见附录C）构成窗口比较器。

窗口比较器输出端连接着保护电阻及稳压二极管（5V），二极管起到一定比较作用，保护电阻起到保护稳压二极管能处在正常工作电流范围内，稳压二极管是将输出的值稳压为5V提供555定时器芯片工作。

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5V，代入上述公式得:

U上=5V；U下=3.8V

图5窗口比较器电路

3.4报警电路

报警电路由单频模块与双频模块组成，由多个555定时器（见附录D）构成的多谐振荡器组成单双频报警电路。

单频报警电路由555定时器构成两级多谐振荡器，第一级的工作频率由R1、R2和C1决定，f1=1.43/[（R1+2R2）C1],f1=0.7Hz。

第二级的振荡频率由R3、R4、C2决定，并且受Vo1控制，f2=1.43/[（R3+2R4）C2]，f2=700Hz~10kHz,有R4调节。

Vo2的输出可推动蜂鸣器发出断续笛音。

图6单频报警电路

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（约1Hz）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。

图7双频报警电路

四、电路安装与调试

4.1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。

4.2电路的调试、出现的问题及解决办法

报警电路模块：

在连接完成单频报警电路时，将其连接到直流电源发生器进行工作，发现蜂鸣器所产生的声响只能细微听到滴滴的声音、而且不清楚、比较杂乱、数率很快，经我们组内人员分析，得出结论。

可能是第一片555控制第二片555信号持续时间不够长的原因，于是调整第一片555芯片上的R2，将其阻值加大，加大阻值在于能第一片555的控制信号的低电平持续时间较长。

结果测试时效果明显、能清楚听到滴滴的声音，而且声音比较大。

在同样连接完成双频报警电路时，将其连接到直流电源发生器进行工作，发现蜂鸣器不产生的声响，进分析以位蜂鸣器坏了，结果换上新的蜂鸣器后还不响，最后发现可能是蜂鸣器前端的电解电容产生干扰，因为电解电容需要时间进行充放电，因此产生干扰，于是将其拿掉后，立即听到清晰的滴嘟声。

整个电路模块：

当将各个模块连到一块进行调试时发现报警电路所产生的报警声非常小，当使用万用表进行检测时发现稳压管两端电压远低于5V，以至于报警电路无法正常工作，然后将稳压管前的保护电阻阻值减少，发现报警电路所产生的报警声明显变响亮，更清晰。

五、总结和体会

上一学年我们开设了《模拟电路技术》与《数字电路技术》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。

经过两周的努力，我终于完成了我的课程设计任务。

能够取得这一成绩我首先要感谢我的指导老师，是他为我们的课程设计方案提出了很多宝贵的意见和建议并且在实现操作上给我了很多的建议，感谢系上为我们提供良好的实验环境，使我的课程设计得以顺利的开展、改进，进而最终促使我完成了课程设计任务。

此外还有我们同组的组员，他们给我提供了许多有用的资料以及见解供我参考。

在此次课程设计过程中，我发现有很多东西都是老师曾经在课上讲过的知识，譬如说电路的电源电路还有稳定电路等。

电路中比较难的部分就是报警电路部分，因为需报警器发出两种频率交替的声响进而要反复的进行调节。

总的来说，这次设计的电网电压异常报警器还是比较成功的，完成了课程设计的任务。

在设计中遇到了很多问题，例如，实际电路的电阻选择，电路中某段没有电压，电路不工作。

最后在大家的排查下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且增强了自己的动手能力，锻炼了我们的思维，同时也增强了我们对专业课的兴趣，使自己对以后的路有了更加清楚的认识为我们将来发展打下坚实的基础。

六、致谢：

在这次课程设计的整个过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我要感谢我的指导老师——帅春江老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把设计电路系统做得更加完善。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。

同时也感谢学校为我提供良好的做课程设计的环境。

七、附录

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4.5～16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3～18V。

一般用5V。

3脚：

OUT（或Vo）输出端。

2脚：

TR低触发端。

6脚：

TH高触发端。

4脚：

R是直接清零端。

当R端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

 5脚：

CO（或VC）为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

 7脚：

D放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

电阻分压器由三个5kΩ的等值电阻串联而成。

电阻分压器为比较器C1、C2提供参考电压，比较器C1的参考电压为2/3Vcc，加在同相输入端，比较器C2的参考电压为1/3Vcc，加在反相输入端。

比较器由两个结构相同的集成运放C1、C2组成。

高电平触发信号加在C1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器R端的输入信号；低电平触发信号加在C2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本RS触发器S端的输入信号。

基本RS触发器的输出状态受比较器C1、C2的输出端控制。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器C1、C2基准电压分别为2/3Vcc，1/3Vcc的情况下，555时基电路的功能表如表1示。

附录E:

单元整体电路

参考文献

[1]童诗白、华成英.模拟电子技术基础.北京：

高等教育出版社.2001

[2]彭介华.电子技术课程设计指导.北京：

高等教育出版社.1997

[3]阎石.数字电子技术基础.北京：

高等教育出版社.2006