市电电压双向越限报警保护器课程设计
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市电电压双向越限报警保护器
广东药学院医药大学城校区
医药信息工程学院
生物医学工程电子仪器10级课程设计
组长：
组员：
[摘要]该报警保护器能在市电电压高于或低于规定值时，进行声光报警，同时自动切断电器电源，保护用电器不被损坏。
该装置体积小、功能全、制作简单、实用性强。
[关键词]市电电压双向越限声光报警
研究的背景及意义：市电即我们所说的工频交流电（AC），交流电的常用三个量来表征：电压、电流、频率。
世界各国的常用交流电工频频率有50KHZ（赫兹）与60KHZ（赫兹）两种，民用交流电压分布由100V 至380V不等。
机房一般引入三相380V，50HZ的市电作为电源，但是设备的电源整流模块用的是单相220V 的电压。
全世界市电有不相同的电压标准，如我国一般为220V（伏），日本为55V（伏），美国为55V（伏）。
通俗点说,市电就是区别于发电的电，也就是从政府的电网里面提取的电力资源
在电力系统正常状况下，供电企业供到客户受电端的供电电压允许偏差为:
1. 35kV及以上电压供电的，电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定值的10%"
2.10kV及以下三相供电的，为额定值的±7%；
3.220V单相供电时，为额定值的+7%，-10%。
在电力系统非正常状况下，客户受电端的电压最大允许偏差不应超过额定值的±10%
这个作品目的在于通过对市电的电压起伏的监测，当监测到电压超过区间200V<U<240V时，电路会在短时间内切断家用电器供电电路，实现保护家电不受市电起伏的威胁的功能。
一.系统总体方案设计：1、电源电路2、控制电路3、电压检测电路
主要芯片的选型：1.W7812为三端固定正12V输入的集成稳压器：
输出直流电压U0＝＋12V，输出电流L:0.1A，M:0.5A，电压调整率10mV/V，输出电阻R0＝0.15Ω，输入电压UI的范围15～17V ：
2.CD4069六非门芯片：由六个COS/MOS反相器电路组成。
此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。
3.电磁继电器继电器公共点接火线，常触点接用电器，
再接零线，而非常触点则浮空，这样在断开开关
的时候用电器本身并不带电，让用户免受触电威胁
4.稳压二极管1N4748（1W，22V）:可以提供22V的稳定电压（交流电容降压后电压在30V 以上），最大承受反向电流为41mA，再经过电解电容滤波（1000uF,50V）,得到直流电经过7812集成稳压芯片，最终输出12V的稳流电压（7812芯片上的压降约为10V）
心得：芯片的选型是系统功能实现的基础，从经济、实用的角度出发，对系统中所涉及到的芯片进行了反复的比较，最后确定了上文所述的芯片型号。
这样系统的框架构建起来，接下来就是系统软、硬件的设计，这些内容将在下面的章节中详细介绍。
二、作品分析
该报警保护器能在市电电压高于或低于规定值时，进行声光报警，同时自动切断电器电源，保护用电器不被损坏。
该装置体积小、功能全、制作简单、实用性强。
电路如下图所示。
1、手绘实验图：
2、软件绘图：
3.实物图照：
(二)工作原理：
这个作品目的在于通过对市电的电压起伏的监测，当监测到电压超过区间200V<U<240V时，电路会在短时间内切断家用电器供电电路，实现保护家电不受市电起伏的威胁的功能。
(三)作品结构：
1.电源电路（两部分）
（1）（2）
（1）电源电路主要提供电能给控制电路和电压检测电路。
市电的火线接交流降压电容（涤纶电容，1uF，400V），根据交流电容降压原理计算，
交流容抗Xc=1/2*pi*f*C=1/2*pi*50Hz*1*10^-6F=31833.1 Ohm=3.2k Ohm;
流过降压电容的电流Ic=U/Xc=220V/3.2K=69mA;
经过整流二极管1N4007(1000V)的半波整流后电流Io=0.44*Ic=0.44*69mA=30.4mA;
反向并联在电路上的整流二极管目的是让交流电在负半周期有回路。
并联在降压电容上的大功率电阻（1W,510k）是泄放电阻，当断开电路开关的时候用来泄放降压电容上的电压，目的是让用户免受本电路在断电后降压电容上滞留的高电压带来的触电危险。
放电时间常数为RC=0.51s，即电路断开约0.5s后电容放电完毕。
稳压二极管1N4748（1W，22V）可以提供22V的稳定电压（交流电容降压后电压在30V 以上），最大承受反向电流为76mA，再经过电解电容滤波（1000uF,50V）,得到直流电经过7812集成稳压芯片，最终输出12V的稳流电压（7812芯片上的压降约为10V）。
陶瓷电容（0.33uF,0.1uF）用于抑制稳压芯片输入端和输出端的电流高频谐波和改善高频滤波特性。
此电源电路供电给电压检测电路。
（2）电源电路原理与上述相同，只是为了节省成本而没有选用7812，改用稳压二极管1N4742（1W,12V），独立供电给继电器驱动电路。
继电器驱动电路与六非门集成芯片CD4069的控制电路以小功率三极管9013隔离，两者供电电源独立，控制与驱动隔离，实现精确控制与稳定驱动。
2.电压检测电路：（电路图如右图所示）
电路工作原理：
1）.市电经过整流二极管的半波整流后，通过大功率电阻（1W,470K）
的降压后，再经过简单的电解电容降压（100uF，50V），直接加在
可调电阻（100K）上，形成大概10.5V的基准电压。
之所以这里不
需要像上面所述的那种复杂的整流滤波稳压电路，是因为我们需要
取到的是市电的起伏变化的电压，而不是它的稳定直流电。
2）.过压检测输入端为六非门CD4069的1A口，欠压检测输入端
为2A口。
我们调节可调电阻的电阻值，使其过压检测端的电压值
为稍低于6V，使其欠压检测端的电压值为稍微高于6V，到达使
CMOS非门状态翻转的临界电压值（CMOS门电路翻转电压为芯片
电源电压的一半）。
3）.当市电电压升高时，监测到可调电阻上的电压值高于6V，高于
非门翻转电压，即非门输入端为原来的低电平变为高电平，输出端为
原来的高电平变为低电平，此时通过限流电阻（510，1/4W）接在1Y端的LED绿灯就会导通发光，提示报警。
1Y连通6A为低电平，所以6Y输出高电平，开关二极管1N4148导通，经过限流电阻后时三极管9013导通，继电器导通，断开用电器开关（继电器常闭，接通时断开用电器）。
3.控制电路
工作原理：根据市电用电安全原则，继电器公共点接火线，常触点接用电器，再接零线，
而非常触点则浮空，这样在断开开关的时候用电器本身并不带电，让用户免受触电威胁。
因为继电器是电磁式的，电磁线圈为电感性，在继电器12V控制端断电的时候，根据电磁线圈楞次定律可知，线圈会在断电瞬间释放强大的电流，将会容易击穿下面的三极管等电子元件。
所以我们在继电器的直流低压控制端加上一个反向的开关二极管，当突然断电时线圈所释放的瞬间强电流将会导通此二极管，回流到电源电路，以来保护其他电子元件。
当三极管导通时，接在三极管集电极的4A口从高电平转为低电平，4Y输出高电平，导通有源式蜂鸣器（9V-12V），使之响起报警声。
欠压电路原理与以上所陈述的原理相似，在导通开关二极管的同时导通红色LED，在此就不再累赘重述了。
三．实验遇到的问题
(一)资料提供:
1.在制作过程中已经烧掉5个稳压二极管，因为没有考虑到容抗降压的电流值和稳压二极管的最大反向电流。
2.在开机的瞬间电路电流起伏过大，稳压效果差，电路还有交流成分，十分不稳定。
3.当继电器吸合时电源电压下降到原来的一半，导致芯片逻辑混乱，继电器控制电路不正常。
(二)改良后的电路原理图
四.PCB版图:
五、实验心得：课程设计心得
关于我们的课程设计，我想说的是过程曲折啊。
我们组在刚开始的时候就已经很快的完成了硬件焊接的工作，所以对我们来说难的不是焊接问题。
我们真正遇到的第一个问题是在焊接完街上电源以后，我们没有想到一个小小的稳压二级管会给我们带来这么大的考验。
设计要求是电路稳压12伏，但是稳压二极管.却总是和我们作对似的常常烧坏，在连续烧坏了三个0.5瓦的稳压二极管，又因为电源插头插反导致烧坏了一整个电路板后，我们最终决定改用1瓦的稳压管问题才的已解决。
但是第二个新的问题又来了。
第二个问题可不是第一个那样好解决的，因为我们发现这是电路本身的先天不足所引起的。
当电路插上电源时，由于继电器的负载过大，导致电源电路的电压被拉低了一半，掉到了6伏左右，最后使非门芯片逻辑混乱，继电器不工作。
这个致命的缺点差点使我们崩溃，连续几天泡在实验室里拼命的想办法，看着其他组都已经陆陆续续的做完，我们还在那里很无奈的对着电路检查，其中最辛苦的就是我们的组长了，在宿舍里也常常做实验做到半夜一二点，我们还截了图发了邮件求救以前教过我们的模电老师。
最后是我们的组长想了了一个办法，就是在电源那里重新引一条电路单独给继电器供电才解决了问题。
现在我们的课程设计终于做完了，虽然道路曲折，但是结果是令人满意的，我们在这个过程中也学到了很多。
