电压超限指示和报警电路的预设计

试验题目：电压超限指示和报警电路的预设计.设计内容，要求.................................................................................31.内容...................................................................................................32.要求...................................................................................................3设计思路.............................................................................................31.系统结构...........................................................................................3设计的电路.........................................................................................51.采用TI公司生产的一款MPS430F149型单片机完成设计...........52.图2采用555定时器和窗口比较器构成的电路.............................6电路分析.............................................................................................61.运算放大器比较电路........................................................................62.555定时器构成的多谐振荡器.........................................................8功能分析...........................................................................................101.窗口比较器....................................................................................102.555定时器构成的多谐振荡器的设计...........................................12选择电路...........................................................................................13实验材料...........................................................................................14.设计内容，要求1.内容通过电压超限指示和报警电路的设计与实验，熟悉窗口比较器和555电路的应用。2.要求设计一个电压过限指示和报警电路。1.电压上限为UH=5.5V，下限为UL=4.5V，当4.5V＜uI＜5.5V时，为正常范围。否则uI＞5.5V或uI＜4.5V都为不正常，此时发出报警信号。2.电压uI在正常范围内。绿灯亮，不发出报警声响。3.电压uI低于下限时，黄灯亮，同时连续发出报警声响。4.电压uI高于上限时，红灯闪烁，同时发出断续的报警声响。设计思路1.系统结构根据题目要求，若需要鉴别一个电压是否属于正常或不正常范围，可以利用窗口比较器。窗口比较器的传输特性如图5-1所示。当UH＞uI＞UL时，输出为低电平，而当uI＞UH或uI＜UL时输出为高电平，利用这一特性，就可以鉴别电压是否处于正常范围。如果是其他物理量（如温度）也可以通过传感器将其转换为电压量来实现报警。声音报警可利用555定时器构成的多谐振荡器来实现，断续声音可以由一个频率较低的振荡器去控制一个频率较高的振荡器来实现。图1为系统设计的整体框图窗口比较器555构成的多谐振荡器I555构成的多谐振荡器IIUIULUH蜂鸣器图1.系统的整体结构框图设计的电路1.采用TI公司生产的一款MPS430F149型单片机完成设计采用TI公司生产的一款MPS430F149型单片机，该款单片机内部带有A/D转换。首先设计一个AD采样保持电路将输入电压控制在一定范围之内。然后进行AD转换，利用一定的算法，实现电压超限指示和报警。方案系统结构图如图11.MPS430F149输入电压UI蜂鸣器指示灯电压采样电路图11.系统的整体结构框图2.图2采用555定时器和窗口比较器构成的电路U1ALM324P321141U2BLM324P561147D11N4149D21N4149U5A7408NLS1BUZZER1kHzU8LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2LED1LED2LED3V18VV25.5VV34.5VR11.0kΩR21.0kΩR3470ΩR4470ΩR5470ΩU4A7432NVCC12VR610kΩR71kΩC10.01µFC20.2µFGNDC30.2µFC40.01µFR88.2kΩR9510ΩVCC12VVCC12VU3C7402NU9C7486NU6LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2图2.电路分析1.运算放大器比较电路LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3.1.4所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。当U+U-时，比较器输出高电平；当U+U-时，比较器输出低电平。LM324的引脚排列见下图3.图3.LM324的引脚排列由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。LM324应用作比较器如下图4.所示，窗口比较器有两个运算放大器、两个二极管和电阻组成，LM324内包含4个集成运算放大器，用其中两个运放组成窗口比较器。LM324UHLM324UOUIULD1D2R图4.LM324构成的窗口比较器OULUHUIUO图5.窗口比较器的电压传输特性2.555定时器构成的多谐振荡器555时基电路时一种应用十分广泛的的模拟-数字混合式集成电路，这个电路最初是为集成电路取代延迟继电器等机械延迟器而研制的。它具有定时精度高、温度漂移小、速度快、可直接与数字电路相连、结构简单、功能多、驱动电流较大、有一定的负载能力等优点。555定时器时目前在工业自动控制、仿声、电子乐器、防盗报警等方面获得了广泛应用的一种时基电路，用它可以构成多谐振荡器、施密特触发器和单稳态触发器等脉冲产生和波形变换电路。多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要电源后，不需要外加触发信号（即没有输入信号）。便能自动产生矩形脉冲，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以称为多谐振荡器。如下图6.所示图6.555定时器组成的多谐振荡器功能分析1.窗口比较器在参考电路中窗口比较器由两个运算放大器、两个二极管和电阻组成，LM324内包含四个运算放大器，使用其中的两个运算放大器组成窗口比较器。（1）当UL＜uI＜UH时，处于正常状态，A、B两点均为低电平，二极管不导通，再经或非门输出，绿色指示灯亮。此时异或门输出端C点为低电平，此电压送到第一片555定时器的异步置零端DR（4脚），555振荡器停振，不发出报警信号。（2）当uI＞UH时，图中A点为高电平，B点为低电平，所以或非门输出为低电平，绿灯灭。而异或门的输出端C点为高电平，故第一个振荡器产生频率较低的方波信号。此信号送至第二片555的DR（4脚），从而发出断续的报警声音信号。同时，C点信号与第一片555的输出信号相与，使得红灯闪烁，其闪烁频率同第一片555的振荡频率相同，达到了声、光同时报警的目的。（3）当uI＜UL时，A点为低电平，B点为高电平，黄灯亮。而异或门的输出C点为高电平，第一片555振荡器起振，其输出与B点信号相或，输出始终为高电平，使第二片振荡器发出连续的报警声响。2.555定时器构成的多谐振荡器的设计在参考电路图中，当第一片555振荡器的4脚为高电平振荡器起振，其振荡频率为：1211C)R2R(7.01f若第一片振荡器的振荡频率f1=6Hz，取C1=10μf，R1=1KΩ，则由上式计算出R2≈11.4KΩ，取R2=10KΩ。第一片555的输出电压uo1加到第二片555的异步置零端（4）当该信号为低电平时，第二片555振荡器停振；而此信号为高电平时，第二片555振荡器起振，输出电压为uo2，产生断续报警信号。其波形如图5-4所示。图5-4断续声音报警波形图第二片555振荡器的C2´=0.2μf，R1′´=0.5KΩ，R2′=8KΩ，根据式1211C)R2R(7.01f，可计算出其振荡频率f2为：KHz433.0C)R2R(7.01f2212实验中，集成运算放大器使用±12V电源，所有的门电路和定时器（555或556）都使用CMOS器件。选择电路经过分析与比较，发现，LM324和555定时器所构成的电路材料易得，且价格便宜，所以最终选择了用LM324设计成的窗口比较器，和用555定时器构成的多谐振荡器来完成电路的设计。U1ALM324P321141U2BLM324P561147D11N4149D21N4149U5A7408NLS1BUZZER1kHzU8LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2LED1LED2LED3V18VV25.5VV34.5VR11.0kΩR21.0kΩR3470ΩR4470ΩR5470ΩU4A7432NVCC12VR610kΩR71kΩC10.01µFC20.2µFGNDC30.2µFC40.01µFR88.2kΩR9510ΩVCC12VVCC12VU3C7402NU9C7486NU6LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2图7.总体电路图用multisim仿真，当输入电压变化时，用示波器观察3引脚OUT输出的方波波形都满足设计要出相应频率方波的要求，且仿真都能实现设计的整体要求。故就用上图实验材料芯片：LM3241片555定时器2片4001（CMOS）1片（或非门）4081（CMOS）1片（与门）4071（CMOS）1片（或门）4030（CMOS）1片（异或门）电阻：470欧3510欧11K欧18.2K欧110K欧1二极管：2电容：0.22UF10.01UF210UF1发光二极管：3（红、黄、绿各一个）蜂鸣器：1