doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 引 言
在日常生活中，在日常生活中，由于外部环境的变化、各个用户的用电情况 的改变而起电压较大的波动或电力系统的突然中断与连接， 但是对于电冰箱它要 求工作在比较稳定的情况下，长时间的过压、欠压，突然断电、上电都会对电冰 箱的性能造成不同程度的损害影响它的使用寿命， 情况严重一点甚至导致电冰箱 烧坏。 还有我们在使用电冰箱是会发现电冰箱用久了， 当去开冰箱是手会麻一下， 如果这样的话你就要注意了，可能用久了某些元件老化，出现了漏电情况，存在 安全隐患。鉴于这一系列问题，我们就要为其设计一个保护器、报警器来进行保 护我们的电冰箱、保证我们的安全。本次我们探讨的课题就是与之相关的电冰箱 保护器、报警器设计 通过本课题的设计，培养学生掌握电子技术的科学实验规律，熟悉实验技 术，测量技术等实验研究方法，学会运用 Protelse99、EWB、ptoteus 等软件进行 辅助设计，使其具有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。在设 计产品时，为了使电器设备工作性能更加稳定，设计电器设备时须增加对产品的 安全与稳定等指标的重视的理念。加深对电路理论知识的理解和掌握，更主要的 是学习和掌握科学实验研究方法。学会运用理论和实验两种研究方法，解决实际 问题。 目 引 录
言 „„ 2 „„
„„ 设计任务书 „„ 3 „„ 第一章 方案论证 „„ 4 1.1 数电法设计方案„„ 4 1.2 单片机设计方案„„ 4 1.3 数模结合法设计方案„„ 5 „„ 第二章单元电路设计 „„ 5 2.1 电源电路设计 „„ 5 2.2 采样比较电路设计„„ 6 2.2.1 芯片介绍 „„ 6 2.2.2 LM339 芯片的基本运用。 „„ 7 2.2.3 设计电路 „„ 9 2.3 定时及开关电路设计„„ 10 2.3.1 555 芯片介绍 „„ 10 2.3.2 用 555 定时器单稳态触发器 „„ 11 2.3.3 继电器介绍 „„ 12 2.4 漏电报警电路设计„„ 13 2.4.1 电器设备漏电的种类及原因分析 „„ 13 2.4.2 漏报警电电路 „„ 14 „„ 第三章 总电路及原理分析 „„ 14 3.1 电冰箱保护电路总电路及其说明„„ 14 3.1.1 电冰箱保护电路工作原理 „„ 15 3.2 元器件的参数设定„„ 15 3.3 电路仿真„„ 16 3.3.1 仿真软件介绍 „„ 16 3.3.2 电路仿真 „„ 16
第四章原理图的生成及 PCB 板的制作 „„ 19
4.1 原理图的生成及其原理图 „„ 19 4.2 PCB 板的制作„„ 19 第五章 元件的安装和电路的测试 „„ 20
5.1 元件的安装„„ 20 5.2 电路的测试和调试 „„ 20 5.2.1 测试注意 „„ 20 5.1.2 测试结果 „„ 20 „„ 设计心得 „„ 21 2 2
„„ 附录 „„ 22 元件清单 „„ 22 参考文献 „„ 23 设计任务书
一 课程设计的目的和任务
使学生通过动脑动手解决一两个实际问题，巩固和运用在《电子线路设计》课程中所学到 的理论知识和实验技能； 基本掌握用模拟电子电路一般设计方法； 提高设计能力和动手能力。 为以后从事电子电路设计，研制电子产品打下基础。 二 课程设计的基本要求
1 掌握电子电路分析和设计的基本方法。 2 培养一定的自学能力，独立分析问题的能力和解决问题的能力。 3 掌握普通电子电路的生产流程及安装，布线，焊线的基本技能。 4 巩固常用电子仪器的正确使用方法以及电子器件的测试方法。 5 通过严格的科学训练和设计实践，逐步树立严肃认真，一丝不苟，实是求是的科学作风， 并逐步建立正确的生产观，经济观，和全局观。
课题基本要求 三 课题基本要求
1.设计并制作电冰箱保护器，此保护器具有过、欠压切断，上电延迟等功能； 2.电压在 180～250V 范围内，正常供电时绿灯亮。正常供电范围可根据需要进行调整。 3.欠压保护：当电压低于设定允许最低电压时，自动切断电源，且红指示。 4.过压保护：当电压高于设定允许最高电压时，自动切断叫源，且红灯指示。 5.延迟保护：在上电、欠压过压保护切断电源、瞬间断电时，延迟 3～5min 才允许接通 电源。 欠压、 过压保护后接通电源应同时满足已延迟 3～5min 且电压已恢复正常才允 许接通电源。 6.漏电保护：冰箱漏电，能发出蜂鸣报警。 7.负荷功率 ≥200W
课题提高部分 四 课题提高部分 1. 安装自己设计的电路 （1）检查元器件 （2）对电路进行组装：按照自己设计的电路，在 PCB 板上插接元器件并焊接。焊接完 毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象。 2. 通电调式 （1）通电测试：对安装完成的电路板的参数及工作状态进行测量，以便提供调整电路 的依据。 （2）通电调试：经过反复的调整和测量，使电路的性能达到要求。 3 3
第一章 方案论证
为了解决实际生活中的突然断电、 上电、 电压不稳定等因素对电冰箱的使用寿命的影响， 以及电冰箱机身漏电对使用者的安全保障这一系列的问题，设计一套简单、经济、实用的电 路是十分有必要的。电路的设计方案各种各样，有纯模电设计方案、有纯数电设计方案、有 数模结合的设计方案、也有用单片机来实现、还可以用 EDA 技术来实现等。当然不同的设 计方案其满足的性能指标、电路的复杂程度也就不同 1.1 数电法设计方案
用纯数电法设计的框图如图 1-1 所示 ，此电路是先对电源进行采样，然后经过 A/D 转 化为数字信号，当转化得到的信号经过比较电路处于最低门限电压与最高门限电压之间时 （正常电压范围）输出高电平，定时一段时间，开关闭合，继电器通电吸合，电冰箱通电； 当转化得到的信号经过比较电路低于最低门限电压时（欠压）输出低电平，开关断开，继电 器不通电断开，电冰箱断电；当转化得到的信号经过比较电路高于最高门限电压时（过压） 输出低电平，开关断开，继电器不通电断开，电冰箱断电。实现断电、欠压、过压的保护。 此电路可靠性高、工作稳定，但使用芯片多电路相对复杂、且不经济，一般不用。对于纯模 电设计方案具有对元件要求高，不稳定、可靠性不高等缺点，所以也被舍弃。 电源 A/D转换 比较电路
定时/开 关电路 报警电路 电冰箱
图 1-1 数电法设计的框图 继电器
1.2 单片机设计方案
用单片机来实现的电路框图如图 1-2 所示，此电路是先对电源进行采样，然后经过 A/D 转化为数字信号， 然后经过传感器送给单片机， 单片机对数据进行处理产生相应的控制信号， 经过传感器送给继电器，对继电器的断开与闭合经行控制，从而控制电冰箱。实现断电、欠 压、过压的保护。此电路其可靠性和稳定性就不用说了，肯定好。但对于本次的设计电路相 对简单，无需用单片机技术，且从经济的角度上我们不采用这种方案。 4 4 电源 传感器 A/D转换 单片机系 统 报警电路 电冰箱 继电器 传感器
图 1-2 单片机来实现的电路框图 1.3 数模结合法设计方案
数模结合法设计的电路框图如图 1-3 所示 此电路是对电源电压与参考电压进行比较， 当电源电压处于最低门限电压与最高门限电压之间时（正常电压范围）输出高电平，定时一 段时间，开关闭合，继电器通电吸合， 电冰箱通电；当电源电压低于最低门限电压时（欠压） 输出低电平，开关断开，继电器不通电断开，电冰箱断电；当电源电压高于最高门限电压时 （过压）输出低电平，开关断开，继电器不通电断开，电冰箱断电。实现断电、欠压、过压 的保护。此电路简单，相对稳定、经济，此设计采用此方案。 电源 比较电路
定时/开 关电路 报警电路 电冰箱
图 1-3 数模结合法设计的电路框图 继电器
第二章单元电路设计 2.1 电源电路设计
为了给本电路设计中的的集成芯片提供电源，所以我们不得不在在电路设计中加入一个 +12V 直流稳压电源。 直流稳压电源的工作流程如图 2—1—1 所示： 图 2—1—1 直流稳压电源的方框图 5 5
我们得出直流稳压电源的工作原理：电路接入幅值为 220V、频率为 50Hz 的市电 ui， 通过变压器 TRIAD，将市电 220V 的电压幅值调整为合适的电路工作压值 u2。通过电源变 压器 TRIAD 输送过来的交流电，再通过图 2—1—1 中的桥式整流电路 BRIDGE，得到单方 向全波脉动的直流电压。整流电路 BRIDGE 将交流电压 Ui 变换成脉动的直流电压。再经滤 波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压 U1。常用的整流滤波电路有全波整 流滤波、桥式整流滤波等。本设计采用单相桥式整流电路，它的四臂是由四只二极管构成， 当
变压器 B 次级的 1 端为正、2 端为负时，二极管 D2 和 D4 因承受正向电压而导通，D1 和 D3 因承受反向电压而截止。此时，电流由变压器 1 端通过 D4，再经 D2 返回 2 端。当 1 端 为正时，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止，电流则由 2 端通过 D3，再经 D1 返回 1 端。 因此， 与全波整流一样， 在一个周期内的正负半周都有电流流过负载， 而且始终是同一方向。 由于单方向全波脉动的直流电压中含有丰富的交流成分， 为了获得平滑的直流电压， 在整流 电路的后面加一个滤波电路，以滤去交流成分，滤波电容 C 的容量比较大，本身就存在着 较大的等效电感，因此对于市电引入的各种高频干扰的抑制能力很差。为了解决这个问题， 在电容 C 旁并联一只小容量电容器 C3、C5，就可有效地抑制高频干扰。 另外，稳压器在开 环增益较高、负载较重的状态下时，由于分布参数的影响，有可能产生自激，C3、C5 则兼 有抑制高频振荡的作用。输出端接入电容器 C4、C6，是为了改善瞬态负载响应特性和减小 高频输出阻抗。图 2—1—1 中的电容 C 就起到这个作用；但是输出的电压仍旧有较大幅度 的波动对于电路中的芯片直接供电可能对芯片有所损害， 使芯片不能正常的工作。 为了避免 这种不利的可能的发生。 我们在滤波电路的后面再接一个稳压电路， 使输出的直流电压更加 平滑，如图 2—1—2 中的集成稳压器 78L12。电源电路设计图如下图 2－1—2 所示。 12V U3 3 VI
78L12 VO GND 1 ~ 220V TRAN-2P2S 2W005G BR1 C3 1000n C6 470u 2 C4 220u C5 100n
图 2－1—2 电源电路设计图 2.2 采样比较电路设计 2.2.1 芯片介绍
对于电冰箱只有工作在它的额定电压上下一个比较小的电压的范围电冰箱才会工作 正常。发挥电冰箱的最佳性能，以及保证电冰箱的正常使用寿命。基于此为我们就必须使电 冰箱在它规定的电压范围内工作， 当市电相对语电冰箱的工作电压欠压或者过压的时候电冰 箱处于断电状态，电冰箱不工作，也就是我们常说的电冰箱过压与欠压保护。于是我们就必 须对市电进行实时采样并且对市电与电冰箱的正常工作电压进行比较。 当市电的电压在电冰 箱的正常工作电压范围就使电冰箱正常通电，否则，是电冰箱断电不工作。采样比较电路是 6 6
对电源电压与参考电压进行比较， 当电源电压处于最低门限电压与最高门限电压之间时
（正 常电压范围） 输出高电平。 对于比较电路我们才用 LM339 芯片。 下面是 LM339 的运用简介。 LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小， 典型值为 2mV；2）电源电压范围宽，单电源为 2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对 比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为 0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压 范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339 集成块采 用 C-14 型封装，图 2—2—1 为外型及管脚排列图。LM339 使用灵活，应用广泛 图 2—2—1LM339 外型及管脚排列图
LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个 输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比 较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点） 另一端加一个待比较的信号电压。 “+” ， 当 端电压高于 “-” 端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当 于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于 10mV 就能确保输出能从一种状态可靠地转换 到另一种状态，因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339 的输出端相当 于一只不接集电极电阻的晶体三极管， 在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻 （称为上 拉电阻，选 3-15K） 。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三 极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端 允许连接在一起使用。
2.2.2 LM339 芯片的基本运用。 1）单限比较器电路
图 2—2—2a 给出了一个基本单限比较器。输入信号 Uin，即待比较电压，它加到同相 输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压 Uin>Ur 时，输出为高 电平 UOH。图 2—2—2b 为其传输特性。 7 7
图 2—2—2 单相比较电路 2）迟滞比较器
迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。 前面介绍的单限比较器， 如果输入信 号 Uin 在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏） 。在电路中引 入正反馈可以克服这一缺点。图 2—2—3a 给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特” 电路即是有迟滞的比较器。图 2—2—3b 为迟滞比较器的传输特性。 图 2—2—3 加正反馈的单限比较器 当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过ΔU 之值，输出电压的 值就将是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟滞比较器来说，它不能分辨差别小 于ΔU 的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一 个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强多，故迟滞 比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。 如果需要将一个跳变点固定在某一个 参考电压值上，可在正反馈电路中接入一个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向 导电性，便可实现要求。图 2—2—4 为其原理图。
图 2—2—4 图 2—2—5 为电网过电压检测电路部分。电网电压正常时，1/4LM339 的 U4<2.8V， U5=2.8V，输出开路，过电压保护电路不工作，作为正反馈的射极跟随器 BG1 是导通的。当 电网电压大于 242V 时，U4>2.8V，比较器翻转，输出为 0V，BG1 截止，U5 的电压就完全决 定于 R1 与 R2 的分压值，为 2.7V，促使 U4 更大于 U5，这就使翻转后的状态极为稳定，避免 了过压点附近由于电网电压很小的波动而引起的不稳定的现象。 由于制
造了一定的回差 （迟 滞） ，在过电压保护后，电网电压要降到 242-5=237V 时，U4UR2 或 Uin 4 12 1k LP339 图 2—2—7 电网采样比较电路 2.3 定时及开关电路设计 定时及开关电路设计 2.3.1 555 芯片介绍 我们通过 555 定时器完成上电延迟的定时。通过继电器来控制电冰箱的电源的接通和 断开。555 定时电路的应用十分广泛,它由 TTL 集成定时电路和 CMOS 集成定时电路,这二者 功能完全相同,不同之处是:TTL 集成定时电路的驱动能力比 CMOS 集成定时电路大。 555 定时电路的组成 555 定时电路是由三个 5 千欧电阻组成分压器、两个高精度电压比较器、一个基本 R-S 触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成。它的逻辑电路图为：如图 2-3-1 所示。 图 2-3-1 555 定时器逻辑电路图及 555 定时器逻辑符号 10 10 功能描述：功能表如表 2-3-1 表所示。当输入端 R 为低电平时，不管别的输入端为何 种情况，输出为低电平,CMOS 管工作。当引脚 6 的输入电平大于 2/3UDD 并且引脚 2 的输入电 平大于 1/3UDD,输出为低电平,CMOS 管工作当引脚 6 的电平小于 2/3UDD 并且引脚 2 的输入电平 大于 1/3UDD,输出为原状态.当引脚 2 的电平小于 1/3UDD,电路输出为高电平,NMOS 管关断. , 表 2-3-1 555 功能表 2.3.2 用 555 定时器单稳态触发器 单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外 来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将 自动返回到稳定状态。暂稳态时间的长短，与触发脉冲无关，仅决定于电路本身的参数。单 稳态触发器在数字系统和装置中，一般用于定时（产生一定宽度的脉冲）、整形（把不规则 的波形转换成等宽、等幅的脉冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等。 1. 电路组成及工作原理 （1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态 当电路无触发信号时，vI 保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端 vO 保持低电平，555 内放电三极管 T 饱和导通，管脚 7“接地”，电容电压 vC 为 0V。 （2）vI 下降沿触发 当 vI 下降沿到达时，555 触发输入端（2 脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，vO 由低 电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。 （3）暂稳态的维持时间 在暂稳态期间，555 内放电三极管 T 截止，VCC 经 R 向 C 充电。其充电回路为 VCC→R→C→地， 时间常数 τ1=RC，电容电压 vC 由 0V 开始增大，在电容电压 vC 上升到阈值电压之前，电路将 保持暂稳态不变。 11 11 图 2-3-2 用 555 定时器构成的单稳态触发器及工作波形 （4）自动返回（暂稳态结束）时间 当 vC 上升至阈值电压 时，输出电压 vO 由高电平跳变为低电平，555 内放电三极管 T 由 截止转为饱和导通，管脚 7“接地”，电容 C 经放电三极管对地迅速放电，电压 vC 由 迅速 降至 0V（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。 （5）恢复过程 当暂稳态结束后，电容 C 通过饱和导通的三极管 T 放电，时间常数 τ2=RCESC，式中 RCES 是 T 的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此 τ2 之值亦非常小。经过（3～5）τ2 后，电容 C 放电完毕，恢复过程结束。 恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可以接收新的触发信号。 继电器工作原理 2.3.3 继电器介绍 继电器的作用就是对电冰箱的电源的接通和断开。基于设计原理，我们采用的是电磁 式继电器。电磁继电器的工作原理和特性：电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、 触点簧片等组成的。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与静触点（常开触点）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，使动触点与原来的静触点（常 闭触点）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。电磁式继电器符号图如图 2-3-3 所示。 图 2-3-3 电磁式继电器符号图 12 12 由 555 定时器组成的定时电路加上起驱动作用的三极管和继电器就构成了电冰箱保 护电路的定时、开关电路。其原理图如图 2-3-4 图所示。 +12V 电箱源 冰电 RL1 QUAZ-SH-105D D4 1N4001 220u 4 R 8 C1 R6 U2 VC C Q DC 5 CV GD N 3 7 4.7k Q1 2N1893 输入信号 2 TR 1 TH 6 555 R5 0.1M C2 10n 图 2-3-4 定时、开关电路 2.4 漏电报警电路设计 漏电报警电路设计 2.4.1 电器设备漏电的种类及原因分析 在使用家电的过程中， 有时用手触摸外壳会有一中麻电的感觉， 用电笔测试氖灯会发光。 这就是人们经常遇到的漏电现象。漏电通常是市电相线（也称火线）与家电外壳（包括某些 外露的零部件）之间存在一条或数条泄露通路。根据电流泄露路径不同，主要分为一下四种 情况。(1)静电性漏电：电器中不同材料的转动件之间的相互摩擦、气体流动以及某些射线 的辐射，都可能产生静电。在空气干燥的情况下，空气对静电荷的中和作用和带电体本身的 泄漏放电能力较差，会使带电体静电荷越积月多。当静电电压达到一定值时。就会发生放电 现象，产生火花和嘶嘶声，这时若人体接触到带电体，就会有刺痛触电感。将电器接地后， 静电就会消失。(2) 电容性漏电：电器的带电体与金属外壳之间存在着分布电容。由于电容 在交流电压变化期间会进行充、放电，而起到导电的作用，因而产生电容性漏电。但因分布 电容的容量一般都很小， 对工频交流电而言其容抗很大， 漏电较弱， 对人体没有危害。 不过， 若在严重潮湿条件下，空气的介电常数增大，容抗减小，则电容性漏电将会增大，人体接触 家用电器就会发生漏电事故。(3)短路性漏电：电器的带电部分因绝缘老化或破损，式带电 体直接与电器的金属外壳相通， 在电器通电运行时， 就会使外壳带电其电压值接近于电器设 备的工作电压值。这种漏电属于短路性漏电，危险性很大，会威胁或危及人的生命安全。 电冰箱漏电报警电路 13 13 2.4.2 漏报警电电路 电冰箱的电源线插头采用三角插，其中间一脚连接家用电器的外壳，以策安全，但早 年兴建的民用住宅没有设置专用地线， 三孔插座的接低端悬空不用而存在安全隐患。 针对这 种情况，设计了一种保安插座，只要家用电器外壳带电，即可声、光报警，提醒用户防范于 未然。该插座的电路如图 2-4-1 所示。当外壳带电的家用电器接入三孔插座时，漏电电流便 会通过火线孔、电器外壳、接地壳、报警电路和零线构成回路。漏电电流通过稳压二极管 LED 发光；同时，漏电电流通过稳压二极管 VD2，再经过 C 滤波后，输入 3V 直流电压，使微 型直流音频器 B 得电工作，发出报警声，提醒用户及时断电检查原因，以防止发生事故。 图 2-4-1 电冰箱报警电路 总电路及 第三章 总电路及原理分析 3.1 电冰箱保护电路总电路及其说明 电冰箱保护电路总电路及其说明 电冰箱保护电路总电路如下图 3-1-1 所示： input R7 68k D6 1N4001 D7 LED-RED 电冰箱地线 LS1 D8 C8 47u SPEAKER 12V BR1 3 3V 2W005G ~ 220V TRAN-2P2S U3 VI 78L12 VO GND 1 RL1 2 QUAZ-SH-105D D4 1N4001 C3 100n C6 470u C4 220u C5 100n R6 D2 LED C1 220u 4 4.7k U2 R 8 VCC R3 RV4 3 73% R4 4.7k 5 Q DC 3 7 Q1 9013 D5 D1 U1:A 7 1 6 10k LED-RED LED-GREEN CV 9013 1N4001 2 GND Q2 D3 TR TH 6 R1 555 470R R2 470R RV7 41% 12 1k LP339 U1:B 1k RV6 5 21% 3 R5 2 1.2M C2 10n 1 C7 10n 4 12 1k LP339 图 3-1-1 电冰箱保护电路总电路 14 14 3.1.1 电冰箱保护电路工作原理 接通电源后，220V 交流电经过变压器的降压、整流桥的整流、稳压 78L12 的稳压后， 在 RP2 和 RP3 两端可获得约 12V 直流工作电压。根据变压器的变压系数，调整电位器 RP2 和 RP3， 使市电在正常范围内，上、 下比较器都输出高电平， 此时 VT1 导通， 电压指示灯 LED 保持发亮。因为 C1 两端初始电压为 0，555 时基电路的阈值端 6 脚为高电平，555 时基电路 复位，三极管 VT2 截止，继电器 K1 的常闭触点保持吸合，电冰箱电源被切断。然后电源向 C1 充电，使 2、6 两脚电位不断下降，约经过 5min ，可使电位降至 12V 电压的 1∕3 ，555 时基电压才置位，3 脚输出高电平，VT2 导通，继电器 K1 通电吸合，其常闭触 点 K-1 断开， 电冰箱通电工作。当交流电网意外断电时，C1 储存电荷通过 R2、D5 迅速泄放，当电网恢复 供电时，电路又延迟 5min 左右才向电冰箱供电，从而确保电冰箱压缩机不受损坏。当市电 电压升高到 280V 以上，上比较器输出低电平：市电电压下降到 180V 以下，下比较器输出低 电平。只要两者其一输出低电平，VT1 截止，LED 熄灭。此时 6 脚为高电平，555 时基电路 复位，输出端 3 脚为低电平，电冰箱电源被切断，从而使电冰箱在电压过高或电压过低的情 况下自动停止工作，保证了电冰箱能够安全的工作在规定的范围内。当电压恢复正常时，电 路要延迟 5min 左右才向电冰箱供电。当发生漏电时，报警电路中警示灯发亮，蜂鸣器发出 嘀嘀的声音。在设计中对于电源的通断我们采用两个 LED 发光二极管进行模拟。 3.2 元器件的参数设定 变压器的变压系数是 18.3：1（12V） ，整流后的输出电压 u3≈1.2×u2，当 u1 分别为 220V、180V、250V 时，u2、u3、Va 的计算如下： U1=220V u2=220÷18.3=12.02V u3=1.2×12.02=14.42V Va=7.21V U1=250V u2=250÷18.3=13.66V u3=1.2×13.66=16.39V Va=8.19V U1=180V u2=180÷18.3=9.84V u3=1.2×9.84=11.8V Va=5.9V 所以，比较器的上限电压为 10.5V，下限电压为 6.75V。调节电位器 RP2 和 RP3,使 LM339 的 5 脚电压为 10.5V，8 脚电压为 6.75V。从而设置好比较器的上限和下限电压值，使电路在 280V≤u1≤180V 能正常工作。 电网由断电到恢复后，电冰箱要延迟一段时间才能正常工作，此段延时时间 Tp 由 NE555 的 外围电路 C1 和 R3 决定： Tp≈1.1×R3×C1 因为电路要求延时 5 分钟（300 秒） ，设 C1=220uF，则 R3 的阻值计算如下： R3=300÷(1.1×220× 10 ) ≈1.2× 10 6 6 对于三端稳压二极管采用 78L12，对于市电引入的各种高频干扰的抑制能力很差。为了解决 这个问题， 在电容 C 旁并联一只小容量电容器 C3 、C5。C3 和 C5 取值为 100nf。为了改善 瞬态负载响应特性和减小高频输出阻抗，输出端接入电容器 C4、C6，其取值均为 220uF。D3、 D4、D6 均采用 IN4001 型号的二极管。R1、R2 为 LED 发光二极管的的限流电阻。在本次设计 中我们选用 470 。D1、D2、D5、D7 为 LED 发光二极管，作为指示作用。Q1 是作为继电器 的驱动，Q2 是作为 555 定时器的输入驱动，均采用 9013 型号的三极管。R7 阻值 68K 作为 D7 的限流电阻。C8 为 47uF 作为报警电路的滤波电容。C2、C7 为滤除高频干扰的滤波电容 选值 0.01uF。RV4、RV6、RV7 均选择型号为 50K 的可变电阻。 15 15 3.3 电路仿真 3.3.1 仿真软件介绍 对于本次课程设计我们一改前例，使用了一款新的、功能更为强大的仿真软件 Proteus。它组合了高级原理布图、混合模式 SPICE 仿真,PCB 设计以及自动布线来实现一 个完整的电子设计系统。 Proteus 产品系列也包含了我们革命性的 VSM 技术,用户可以对 基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如 LED/LCD、键盘、RS232 终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。ISIS 提供给用户图形 外观包括线宽、填充类型、字符等的全部控制，使用户能够生成如杂志上看到一样精美的原 理图，远胜过 CAD 软件绘制出的稀薄的线条。画完图可以以图形文件输出，或者拷贝到剪 切板以便其他文件使用。这就使得 ISIS 成为制作技术文件，学术论文，项目报告的理想工 具，也是 PCB 设计的一个出色的前端。 画图的外形由风格模板定义。此外此方案允许用 户定制元件库提供的库部件的外观。生成出版质量的原理图； 风格模板允许提供库部件的 用户化； 鼠标驱动和内容关联的用户界面；自动走线， 以及接点的布置和切除参数表示子 电路元件值的层次设计 包括子电路端口以及总线引脚的总线支持 挑选元件或建立新库元 件可预览 PCB 封装 完全体现多元器件的同性和异性包括相应对话框用户化的元件特性的精 细管理 超过 8000 元件的大型元件库。完全适用于仿真模型 网表格式： Labcenter SDF， SPICETangoBoardmaker，EEDeginer，Futurenet，Racal &Valid 电器标准检以及元件报告 清单可彩色或单色输出到 Windows 打印装置 图形输出格式： WMF， BNP， DXF，EPS 以 及 HPGL。 3.3.2 电路仿真 在这里为等待时间短一些将 RC 定时电路的定是时间减短， （将 R7=0.1M）在 protues 画出如图 3-3-1 所示仿真总电路 U3 3 VI GND 78L12 VO 1 2W005G BR1 RL1 QUAZ-SH-105D D4 1N4001 C3 100n C6 470u 2 C4 220u C5 100n +88.8 AC Volts D1 R6 8 D5 LED-RED D2 LED C1 220u 4 R VCC Q DC U2 3 7 4.7k LED-GREEN Q1 2N1893 R3 RV4 3 57% R4 4.7k 5 U1:A 7 1 6 10k CV 2N1893 1N4001 2 GND Q2 D3 TR TH 6 50k 50k 42% R1 555 470R R2 470R AC Volts 12 RV7 +88.8 LP339 +88.8 1 V2 +88.8 AC Volts AC Volts U1:B RV6 5 2 AC Volts 41% V1 +88.8 AC Volts 3 R5 0.1M C2 10n +88.8 4 12 50k LP339 +88.8 AC Volts 仿真电路 图 3-3-1 仿真总电路 16 16 （1） 电源电路的仿真， 电路图如图 3-3-2 所示，波形图如图 3-3-3 所示 A B U3 3 VI 78L12 VO GND 1 C D 2W005G BR1 C3 100n C6 470u 2 C4 220u C5 100n +12.0 AC Volts 图 3-3-2 电源仿真图 图 3-3-3 电源仿真波形图 （2）比较电路的仿真 仿真电路及结果如图 3-3-4 (a)、(b)、(c)、所示 R3 RV4 3 69% R4 4.7k R3 RV4 3 69% R4 4.7k U1:A 7 1 6 10k U1:A 7 1 6 10k Q2 2N1893 Q2 2N1893 50k 12 50k AC Volts 50k 63% LP339 50k 44% AC Volts 12 RV7 +8.15 RV7 +8.15 LP339 U1:B 3 RV6 5 50% V1 +0.06 AC Volts AC Volts U1:B RV6 5 2 50% V1 +0.06 AC Volts 2 +8.29 AC Volts 4 12 +5.79 4 12 50k LP339 50k 3 LP339 +5.90 AC Volts +5.91 AC Volts (a) 过压 17 17 (b)欠压 R3 RV4 3 69% R4 4.7k U1:A 7 1 6 10k Q2 2N1893 50k RV7 50k 55% AC Volts 12 +8.14 LP339 U1:B RV6 5 2 AC Volts 50% V1 +0.75 AC Volts +7.24 4 12 50k 3 LP339 +5.90 AC Volts （c）正常工作 图 3-3-4 比较器仿真电路 （3）定时、开关电路仿真 电压在工作范围内，当刚上电时，结果如图 3-3-5（a）所示，定时电路开始定时，过大 约 25 秒定时时间到（RC 电路电容充电完成）555 定时器 5、6 脚出现低电平，3 脚输出高 电平使 Q1 导通，开关打开，结果如图 3-3-5（b）图所示，当过压、欠压时，555 定时器 5、 6 脚为高电平，3 脚输出低电平（0） ，使 Q1 截止，开关断开，结果如图 3-3-5（a）所示 R6 8 R6 8 U2 Q DC 3 7 4.7k U2 Q DC 3 7 4.7k VC C VC C 4 Q1 2N1893 R 4 Q1 2N1893 R 5 CV G ND 5 CV G ND 2 TR TH 6 2 TR TH 6 1 555 1 555 V2 +0.91 AC Volts V2 0.00 AC Volts +4.20 AC Volts +11.8 AC Volts C2 10n C2 10n 图 3-3-5（a） 图 3-3-5（b） （4）总电路仿真 仿真图如前面图 3-3-1 所示，当才上电时，继电器处于常断状态，红色发光二极管（D2）点 亮。绿色发光二极管（D1）亮，红色发光二极管（D5）不亮，大约 25 秒后，继电器闭合， 绿色发光二极管（D1）熄灭，红色发光二极管（D5）点亮。调节 VR7 使 LM339 5、6 脚 的电压增大，当调到大于 8.19V，继电器断开，可观察到：红色发光二极管（D2）熄灭，绿 色发光二极管（D1）亮，红色发光二极管（D5）熄灭，再调节 VR7 使 LM339 5、6 脚的 电压减小， 使继电器闭合， 然后调节 VR7 使 LM339 5、 脚的电压减小， 6 当调到小于 5.9V， 继电器断开，可观察到：红色发光二极管（D2）熄灭，绿色发光二极管（D1）亮，红色发 光二极管（D5）熄灭，仿真结果与设计要求一致。 18 18 第四章原理图的生成及 第四章原理图的生成及 PCB 板的制作 4.1 原理图的生成及其原理图 首先打开 Protel99se 软件，新建一个原理图文件并命名为《电冰箱保护电路设计》 ，选 定保存的地方。然后，在工具栏中选元件，连线，对各元件进行正确的引脚封装。设置好在 Proteus 中仿真确定的元件参数。在 protel99se 中生成的原理图如下图 4-1-1 所示。 图 4-1-1 protel99se 软件中生成的原理图 4.2 PCB 板的制作 在上图 4-1-1 图的基础上，在工具栏中产生网络表。检查网络表无误后新建一个 PCB 文件， 在 PCB 中导入网络表。然后进行自动布局，再自动布局后进行人工调整，在进行人工布线制 作出 PCB 文件。PCB 最终的布线效果图如图 4-2-1 所示。 图 4-2-1 PCB 图 19 19 第五章 元件的安装和电路的测试 5.1 元件的安装 元件的安装 在安装前，先用纱布将电路板上的碳粉打磨掉，然后用万用表检查是否有短线，短路 的情况，在焊接时注意焊点的大小，焊锡量要合适过，热要靠焊锡桥，使焊件很快被加热到 焊接温度。 元件要固定在焊锡凝固之前不要使焊件移动或震动， 特别是用镊子夹住焊件时一 定要等焊锡凝固再移去镊子。另外，安装时对照 PCB 图、原理图经行焊接，要特别注意电 容，芯片等器件的引脚和极性，不能接反，否则会把这些器件烧坏。如果不小心接错了，在 拔出 的时候要小心，用工具慢慢把焊锡去掉，再将元件拔出。而且拔的方向要正确，如果万 一有线路腐蚀过火，且线路少时，可用导线连接，连接线路要尽可能短，否则影响美观和检 查。 5.2 电路的测试和调试 5.2.1 测试注意 整个电路连接完之后，就可以对该电路进行调试与测试，来发现和纠正设计方案的不 足。在进行调试和测试之前，首先要对电路进行检查。对照原理图按顺序一一检查，以免出 现遗漏。以元件为中心进行查线，把每个器件的引脚依次检查，看是否有接错线或少接线， 为了防止出差错，最好对已检查的线路在原理图上做上标记，如果线路没有问题，就可以接 着对电路进行调试和测试了。用万用表适当的档位对元器件进行测试，看线路是否接通。如 果有错误就对其进行修改，修改后再调试。将输入端接通电源，用示波器测输出电压，看是 否输出为各个输出端的输出的波形和幅度大小， 并测量个项性能指标是否满足题目要求。 如 果有输入电压，而没有输出电压，就要重新对电路进行检查，直到有输出电压为止。输不出 电压的原因： （1）焊接电路是有虚焊 （2）线路接触不良对没有错误的电路而言。用万用表 的欧姆档对印制电路板连接在一起的节点进行测试， 如果万用表有数值显示。 则证明此节点 已经连通的。如果没有显示，则证明此节点中间断路。 5.1.2 测试结果 接通电源用万用表测 LM339 7 脚的电压，调节电位器 VR4 使其电压调到 8.19V, 万用 表测 LM339 5、6 脚的电压，调节电位器 VR6 使其电压调到 5.9V, VR7 调到正中间，当才上 电时，继电器处于常断状态，可观察到：红色发光二极管（D2）亮，绿色发光二极管（D1） 亮，黄色发光二极管（D5）不亮，大约 5 分钟后，继电器闭合，可观察到：绿色发光二极管 （D1）熄灭，黄色发光二极管（D5）点亮。调节 VR7 使 LM339 5、6 脚的电压增大，当调到 大于 8.19V，继电器断开，可观察到：红色发光二极管（D2）熄灭，绿色发光二极管（D1） 亮，黄色发光二极管（D5）熄灭，再调节 VR7 使 LM339 5、6 脚的电压减小，使继电器闭合， 然后调节 VR7 使 LM339 5、6 脚的电压减小，当调到小于 5.9V，继电器断开，可观察到： 红色发光二极管（D2）熄灭，绿色发光二极管（D1）亮，黄色发光二极管（D5）熄灭，测试 结果与设计要求一致。 20 20 设计心得 1 通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中， 我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和 PCB 连接图，和芯片上的选择。 2 我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平 时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能， 而且考试内容有限， 所以在这次课 程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 对于以前那些没弄懂的地方，在做完课程设计，那些问题弄懂了，一些芯片的功能，平时看 课本， 这次看了， 下次就忘了， 通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。 认识来源于实践， 实践是认识的动力和最终目的， 实践是检验真理的唯一标准。 所以这个期末测试之后的课程 设计对我们的作用是非常大的。 3 在制作 PCB 时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既 要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。 4 在画好原理图后的做 PCB 版时，由于我们组成员对 protel99se 软件的操作不熟悉， 导致布线后元件出现在另一边，增加了布线难度，也产生很多不曾注意的问题，今后要牢记 这个教训，使以后布线更加顺利。 5 经过两个星期课程设计制作，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾 一度热情高涨。 从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情， 点点滴滴无不令我回味无 长。 生活就是这样，汗水预示着结果也见证着 收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。 通过本次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义。我想说，设计确实有 些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可 以，而且设计也是一个团队的任务，一起的做课程设计，相互帮助，配合默契，多少人间欢 乐在这里洒下， 平时相处还赶不上这十来天的合作， 我感觉我和同学们之间的距离更加近了； 同时也培养了我们的团队意识。我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中 也不免产生兴奋。更加激发了我们对后续专业知识的学习兴趣。 对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一 份拥有。这次课程设计的过程必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！ 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的， 只有理论知识是远远不够 的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务， 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 同时在此忠心的感谢老师为我们提供了这 样一次难得的锻炼机会。 21 21 附录 元件清单 名称 滑动变阻器 LM339 发光二极管 继电器 变压器 二极管 555 定时器 三极管 稳压管 整流桥 蜂鸣器 稳压二极管 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电容 电容 电容 电容 规格 50K LM339 LED KHK21F 12V IN4001 NE555 9013 L7812 DCW08M HYDZ 3V 10K 1.2M 4.7K 1K 68K 220μF 0.01μF 470μF 100μF 数量 3个 1个 3个 1个 1个 3个 1个 2个 1个 1个 1个 1个 2个 1个 2个 3个 1个 2个 2个 3个 1个 22 22 参考文献 [1]胡宴如.模拟电子技术[M].第三版.北京：高等教育出版社，2008. [2]藤中信生.电子实用手册[M].北京：科学出版社 OHM 社，2001. [3]杨志忠.数字电子技术[M].第三版.北京：高等教育出版社，2008. [4]湖南工学院电气与信息工程系电工电子实验室. 电路分析与电子技术试验指 导书[M].2005. [5]谢自美.电子线路设计.实验.测试.[M].武汉：华中科技大学出版社，2000. [6]杨志亮.Protel 99 se 电路原理图设计技术 西北工业大学出版社，2002. [7]荀殿栋、徐志军.数字电路设计实用手册.北京：电子工业出版社，2003. [8]熊幸明、曹才开.电工电子实训教程.北京：清华大学出版社，2007 23 23 1
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