电源电压检测电路设计综述.docx
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电源电压检测电路设计综述
多功能计时器电源电压检测与遥控指示电路设计
电子系1101班姓名
指导老师
摘要：
随着锂电池可充电技术的成熟，该技术目前已经得到广泛的应用，相对于一次性充电电池，可充电电池具有循环利用、高效节能、环保等特点。
可充电电池在经过放电后，会出现电池电压过低现象，如果不能及时的告诉工作人员，常常会造成一些不必要的损失。
利用电池放电电量降低电压随着降低的原理，在电池电量降到正常工作的底线时，以此对应的输出电压值为临界点，或者稍微提高一点，当电池电压低于这个值后，利用电路通过蜂鸣器报警，以此来提醒工作人员进行充电或者更换电池。
此方式运用于工作人员必须在场的情形下，因此有一定的局限性。
另一方面，在当今无线遥控、无线传输也日益普遍的情况下，让电池低电量报警器与无线遥控相结合，在一定的范围内，工作人员可以收到报警，从而及时的更换电池或者进行充电，给工作人员带来了极大的方便。
关键词：
多功能计时器；电池低电量报警；无线遥控
引言
随着科技的不断发展，电池容量设计的增大，对于电源电压实时监控的需求愈发强烈，目前国内很多厂家都相继推出了各种电源监控系统，如华为公司的电池动力及环境监控系统，以及ERICSSOM公司的电源监控子系统等，都已经具备非常高的水平以及实用价值。
锂电池供电日益增加的状况下，当电量不足时，必须及时告知工作人员，以便做出相应的应急处理；另一方面，无线遥控功能也日益普遍，为了达到控制界面的简约化，如何将两种功能状态通过单一的指示灯来表征，则需要进行一番应用研究。
1多功能计时器简介与电路设计目标
1.1多功能计时器简介
多功能计时器是一种用来精确计时的电子装置，它的主要功能有时间显示、倒计时、定时报警等，通常是由一个主控芯片对电路进行调控，如单片机等，采用晶体振荡器来提供一个时钟信号，通过主控芯片的控制在多位数码管上进行时间显示，有的还具有遥控、语音等功能。
由于现代科技的发展，各种芯片价格便宜且性能稳定，因此得到了广泛的使用。
本次设计的目标是为实验室的多功能计时器提供电源电压检测，计时器属于精密电子仪器，电源的稳定与否关系到计时器的走时与显示等，因此不能大意。
另外由于美观、减小体积等因素，将整个模块与计时器模块、无线遥控模块整合到了一起，使得整个电路简洁，方便。
多功能计时器显示面如图1.1所示：
计时器电源采用了一块12伏锂电池进行供电，最低工作电压为10.5V，将此电压值设为最低值，在此基础上将电压调高一点，将之设定为11.3V，为警戒值。
计时器外部由时间对位调整、储存、复位、开始以及三种模式选择键、电源开关共11位构成，前后均有4个LED数码管进行同步显示。
两种工作模式分秒/时分模式、正/倒计时显示方式。
多功能计时器操作面如图1.2所示：
计时器内部主要是由时钟电路、计时电路、控制电路和显示电路等几部分组成，其中时钟电路为计时器提供基本的时钟信号，而计时电路则完成相应的计时功能，整个计时电路由分十位计数器、分个位计时器、秒十位计数器、秒个位计数器构成。
控制电路由复位电路、启动电路组成，计时结果由数码管进行显示。
1.2电路设计目标
计时器电路板上有一个指示灯，计时器正常工作电压为12V左右，在锂电池电压高于11.3V的时候指示灯为绿灯，低于11.3V时指示灯变为红色表示电池电量不足，需要更换电池。
当电压小于10.5V后，电路断开电池不再为计时器供电，以此保护计时器不受损坏。
315M无线遥控器遥控复位过程中信号指示灯为红色，随后显示绿灯表示计时器电源电量充足放心使用，当电压低于11.3V后，指示灯变为红色，提醒工作人员更换电池。
整个电路简洁明了，方便使用。
2315M无线遥控系统概况
2.1无线发射组件特性
无线遥控技术在日常生产生活中已经得到了广泛应用,例如车辆防盗系统、家庭防盗系统以及其他电器遥控装置上。
多功能计时器上的遥控电路由无线发射模块和接收模块组成。
根据功能实现无线发射模块可以分为1键、2键、4键三种发射器，其主要原理都是一样的，只是发射方波的宽度不同或者调制高频载波的频率不同，导致已调制波不同。
1键无线发射器只有一种已调制波，2键的2种......以此类推。
以下是不同的无线遥控器。
不同型号的无线遥控器如下图2.1所示：
发射模块技术参数：
发射距离：
10-50米，受环境影响
工作电压：
12V
调制方式：
ASK
发射功率：
10mW
发射频率：
315Mhz
外接天线：
25cm普通多芯或单芯线
引脚排列从左→右：
（DATA；VCC；GND）
针脚定义如表2.2所示:
表2.1发射模块引脚定义
脚位
名称
功能说明
1
ATAD
数据输入端
2
VCC
电源正极
3
GND
电源负极
其典型应用电路如图2.2所示。
图2.2典型无线发射模块电路图
当按下按钮后，PT2262与之相连的针脚变成高电平，随之进入触发状态。
F05V为一个超外差模块。
使用时接入+3V的高电平，17脚高电平接入为唤醒状态时可以发出对应的信号。
LED的功能是检测F05V是否供电。
F05V、J05V有休眠功能，低电平休眠，高电平唤醒。
1-8脚为三态地址编码。
每一位地址都可以有悬空、接地和高电平三种状态。
不需要时可以把它们全部悬空。
2262和2272的地址编码一致。
2.2无限接收组件特性
接收电路从工作方式分,可以分成超外差接收方式和超再生接收方式。
超再生式接收方式具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点所以在实际应用中被广泛采用。
表2.2接收模块引脚定义
脚位
名称
功能说明
1
ANT
接天线端
2
VCC
电源正极
3.4
DATA
数据输出
5
GND
电源负极
超再生接收模块采用LC振荡电路，输出的数据信号为TTL电平，可直接至解码器或者与单片机配合，灵活方便并且价格低廉，所以被广泛使用。
接收模块技术参数如下：
工作电压：
5V
静态电流：
4mA
接收频率：
315Mhz
接收灵敏度：
－105DB
外接天线：
32CM单芯线
脚位及使用说明见下表2.3。
接收模块一共有四个外部接口，上面有英文表示。
“VCC”表示接电源正极，“DATA”表示输出，“GND”表示接电源负极。
使用前要接上50欧姆1/4波长的天线，并且天线应该是直的，以达到最佳的接收效果，波长=光速/频率，其典型应用电路如图2.3所示：
图2.3典型无线接收模块电路图
如上图，当超外差接收模块J05V为工作状态时。
当PT2262的10-13脚为高电平或接地时，PT2272M4的10-13脚就会有对应的输出，随之与之相连的LED就会发光、熄灭。
它们的作用都是来检测对应针脚的电平高低状态，并将之显示出来。
3电压检测与遥控指示电路设计
3.1锂电池放电特性分析
下图是3.7V锂电池常温下放电时电压随时间变化。
图3.1为1300mah容量锂电池在常温下不同倍率放电的特性曲线。
横坐标表示时间，单位为分（min）；纵坐标表示电压（V），在0-4分的时间内，电量全部耗光，从上图可以看到，当锂电池电压在3.9V-3.3V放电过程中电压较为平稳。
当放电电压低于3.3V后，电压急剧降低。
当锂电池电压低于2.5V后，继续放电电池随之损坏。
普通干电池放电过程中电压是慢慢降低的，同普通干电池相比，锂电池在大电流放电情况下是非常容易产生损坏，所以当电压小于3V左右时必须停止放电。
由于不可能观察到电压的实时情况，或者不可能为电池安装一个实时仪表进行监控，所以电压检测电路非常有必要。
3.2运放LM393用于稳压电路分析
电流互感器一般的作用是检测和测量电器设备的运行情况，在本电路中同样如此，LM393的2、3脚也就是正反端分别接R2的两端，8脚接入15V电压，4脚接地。
1脚通过一个74系列的比较器输出一个控制脉冲。
LM393是一个2电压比较器。
它的实际应用很广泛，如构成基本比较器电路、驱动CMOS电路、驱动TTL电路、低频运算放大器等。
由他所构成的电压检测原理图如图3.2所示：
运放LM393用于稳压电路分析，他在其中起到稳压的作用。
他的针脚如图3。
3所示：
LM393的工作电压范围很宽，一般为2-36V（单电源），它的外部为8针脚，8脚VCC、4脚接地。
另外比较器的所有没有用的引脚必须接地。
根据以上的理论，我们分析一个更加复杂的逆变器用的欠压过压保护电路，12V的电源正常波动为10.5V-15V，当电压大于15V时，D1处于导通状态，LM393比较器反向输入端电压大于正向输入端电压，比较器输出高电平，逆变器关闭。
当电压小于10.5V时，比较器同样输出高电平，3525的PWN输出关闭，由于LM393的0脚和3脚接入一个正反馈电阻R5，电路具有回差。
当电压又恢复到12.2V，比较器会反转，逆变器重新启动，具体电路如图3.3所示：
上述电路的不足之处在于进入低压保护状态后的电源电压恢复到12.2V后，电路重新开始启动，逆变器工作不了多长时间随之又进入欠压保护状态，然后电源电压又恢复到12.2V...容易对逆变器造成损害。
改进措施：
可以调整电阻R5的值来调整恢复启动时的电池电压值，把这个值设置大点，应该可避免打嗝式保护。
调小R5值，恢复启动电压变大。
或者加入一个可控硅，让电路进入保护状态后能自锁，以免出现上述状况，如图3.4所示：
3.3TL431精密可调并联稳压器的特性分析
TL431在本设计中的作用为精密并联稳压器，它也叫三端可编程基准电压源。
有些时候可以把它代替稳压二极管。
它的作用在于输出电压用两个电阻就可实现2.5V-36V的电压转变。
三个针脚分别为参考端、阳极和阴极，其原理框图如图3.5所示：
当运放的同相端Reference电压大于基准电压Vref时，输出端有电流输出，且通过一个NPN三极管起到一个放大的作用。
3.4电压检测电路的设计
图3.6电压检测电路
其中LED为一个双色灯，LM393为比较器，QS为TL431精密稳压器，U5为非门SN7405。
计时器电池接入，整个电路起到一个稳压的作用。
3.5电压检测与遥控指示电路设计
电压检测与遥控指示电路设计如图3.7所示。
图3.7电压检测与遥控指示电路设计
当信号输入后，有遥控信号产生时，LM393反相端电位低于同相端，输出高电平，经非门U5A给LED的1脚一个低电平，此时红灯点亮。
LM393反相端电位高于同相端电压，输出低电平，经非门U5A后给LED的3脚一个低电平，此时绿灯亮。
4实验结果及分析
4.1实验结果
电源电压检测模块成品展示：
图4.1电源电压检测电路
整个电源电压保护电路最终实现了10.5V欠压停止电源输出的功能。
并且当电压小于11.3V后，指示灯变红相应的信号提示。
4.2不足之处
整个遥控信号的有效距离只有9-10米，使用信号倍增器后，有效距离能够达到18-20米，信号容易受到环境的干扰，有效距离会降低。
总结
本设计通过研究逆变器欠压过压保护电路，以及对精密可调并联稳压器TL431、运放LM393的分析，结合315M无线遥控系统，设计出一套专门给实验室多功能计时器电源供电的稳压保护电路。
本设计电路简单，能够在电源电压低于一定值后有效地停止供电，从而保护锂电池和整个计时器不受损坏。
通过对本论文的设计与分析，让我对模拟电子技术这门课程的理解更加深刻，同时也对EWB、Protel99SE等软件的应用更加熟练，尽管在试验设计和参与成品制作中出现了各种困难和错误，但是在张老师的指导更正和查找资料下得以不断的改正与完善，最终完成本论文及试验设计。
在此由衷的感谢张老师。
参考文献
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Multifunctiontimervoltagedetectionand
remoteindicationcircuitdesign
DepartmentofElectronics1101NameLiuRongfei
TutorZhangZhike
Abstract：
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,lithiumbatteriesandotherrechargeablebatterytechnologymature,thistechnologyhasbeenwidelyused,relativetotheone-timerechargeablebatteries,rechargeablebatterieshaverepeatedlyrecycling,highefficiencyandenergysaving,environmentalprotection,etc.Butrechargeablebatteriesinthecycleofrepeatedchargeanddischargeprocess,canappeartheshortcomings,suchascelllossduetonottimelytellstaff,oftencausesomeunnecessaryloss.Usingthebatterydischargecapacitytoreducethevoltageastheprincipleofreducing,atthebottomofbatterytoworkproperly,sothecorrespondingoutputvoltagevalueofcriticalpoint,oralittlebitimprove,whenthebatteryvoltageislowerthanthisvalueafterusingcircuitthroughthebuzzeralarm,toremindtheworkertochargeorchangebatteries.Thewayusedinstaffmustbepresentsituationtocarryontheprompt,thustherearesomelimitations.Intoday'swirelessremotecontrol,wirelesstransmission,ontheotherhand,arealsoincreasinglycommonsituation,letthebatterylowbatteryalarmsystemcombinedwithwirelessremotecontrol,inacertainrange,thestaffcanreceivealarm,soastotimelyreplacementbatteryorcharge,tothestaffhasbroughtgreatconvenience.Keywords:
Multifunctiontimer;lowbatterypoweralarm;wirelessremotecontrol;
致谢
在这次的毕业论文中，发挥了我在学校所学到的文化知识和软件技能的应用，本论文在写作过程中，感谢张老师对我的指导，张老师渊博的专业知识教会了我很多。
从论文的开题到最终的完成，张老师给予我耐心的指导和支持。
在张老师身上我看到了认真的教学态度和严谨的科研精神，让我在以后的学习生活中更加的细致、认真。
最后感谢学校给我们提供这次宝贵的机会以及老师同学的诸多帮助，让我在学习中成长，锻炼，不断进步。
以后的学习工作中，我一定会勤奋好学，更上一层楼！
附录
Protel99SE总体设计电路图如下：
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