项目6 汽车电压监视电路
设计任务
汽车电压监视电路用于监视汽车供电电压是否正常。若汽车供电电压在12～14.5V，则汽车供电电压正常；若汽车供电电压低于12V或高于14.5V，分别有相应的LED亮起来报警。
总体思路
本设计通过电压比较器进行电压比较，以实现上述功能。汽车供电电压既作为汽车电压监视电路的输入电压，又作为电源给整个电路供电。通过调节两滑动变阻器，分别控制LM324芯片的两个电压比较器。当汽车供电电压低于12V和高于14.5V时LM324芯片的两个电压比较器分别输出高电平信号，此时通过三极管驱动对应的LED亮起来报警。当汽车供电电压在12～14.5V的正常范围之内，LM324芯片的两个电压比较器均输出低电平，两个LED均不亮。
系统组成
汽车电压监视电路主要由以下两个模块组成。
电压比较电路：主要用于对汽车供电电压进行比较，判断汽车供电电压是否在正常范围内。
LED驱动电路：通过两个三极管导通使相应的LED亮起。
模块详解
汽车电压监视电路如图6-1所示。下面分别对汽车电压监视电路的各模块进行详细介绍。
1.电压比较电路
LM324芯片内部包含4个电压比较器，本次设计用到其中两个电压比较器。如图6-2所示的电路为电压比较电路的上半部分，由电容C1、C2，电阻R1及稳压二极管构成。其中，电容C1、C2起到滤波作用；电阻R1的作用是分压，保护稳压二极管不被击穿。稳压二极管的稳定电压为6.2V，其两端电压分别作为LM324芯片内部第一个电压比较器的同相输入信号和第二个电压比较器的反相输入信号，参与电压比较。
图6-1 汽车电压监视电路
图6-2 滤波及稳压电路
在Proteus中，对上述的滤波稳压电路进行仿真，如图6-3所示。用直流电压表测量稳压电路的输出电压为5V，符合此电路的设计要求。
如图6-4所示的电路为电压比较电路的下半部分，由LM324芯片、电阻R2、R4，滑动变阻器RV1和RV3组成。在图6-4中，第一个电压比较器的输入端为2、3引脚，其输出端为1引脚。第一个电压比较器的同相输入电压为稳压管两端电压，其反相输入电压通过调节滑动变阻器来控制。当第一个电压比较器的同相输入电压大于其反相输入电压时，1引脚输出高电平；当第一个电压比较器的同相输入电压小于其反相输入电压时，1引脚输出低电平。
图6-3 滤波及稳压电路仿真
图6-4 电压比较电路的下半部分
在图6-4中，第二个电压比较器输入端为5、6引脚，其输出端为7引脚。第二个电压比较器的同相输入电压通过调节滑动变阻器来控制，其反相输入电压为稳压二极管两端电压。
第一个电压比较器的作用是比较汽车供电电压是否小于12V；第二个电压比较器的作用是比较汽车供电电压是否大于14.5V。
在Proteus中，对上述电压比较电路的下半部分进行仿真，利用电压探针观测P02端的输出电压，并利用图表仿真观测结果。我们设计仿真实验分为3种情况，分别为汽车供电电压小于12V、汽车供电电压大于14.5V、汽车供电电压在12～14.5V的范围内。
1）汽车供电电压小于12V
当输入的汽车供电电压小于12V时，实测的汽车供电电压为8V。从图6-5中可以看出，第一个电压比较器的输出电压大约为4.00V，第二个电压比较器的输出电压大约为0.00V。这时第一个电压比较器的输出电压会驱动黄色的LED亮起，符合我们对电路的设计要求。
2）汽车供电电压大于14.5V
当输入的汽车供电电压大于14.5V时，实测的汽车供电电压为15V。从图6-6中可以看出，第一个电压比较器的输出电压大约为0.00V，第二个电压比较器的输出电压大约为4.00V。这时第二个电压比较器的输出电压会驱动红色的LED亮起，符合我们对电路的设计要求。
图6-5 电压比较电路仿真结果1
图6-6 电压比较电路仿真结果2
3）汽车供电电压为12～14.5V
当输入的汽车供电电压为12～14.5V时，实测的汽车供电电压为13V。从图6-7中可以看出，第一个电压比较器的输出电压与第二个电压比较器的输出电压重合，同时为0.00V。这时两个LED都会亮起，符合我们对电路的设计要求。
图6-7 电压比较电路仿真结果3
2.LED驱动电路
LED驱动电路由4个二极管D2～D5，电阻R3、R5～R9，两个三极管Q1、Q2和两个LED组成，并分为汽车供电电压低于12V时的报警灯驱动电路和汽车供电电压高于14.5V时的报警灯驱动电路，如图6-8和图6-9所示。
如图6-8所示，二极管D2、D3串联接于LM324芯片的1引脚。当汽车供电电压小于12V时，LM324芯片的1引脚输出高电平信号，三极管Q1导通，汽车供电电压通过R8给黄色的LED供电，黄色的LED亮起。
如图6-9所示，二极管D4、D5串联接于LM324芯片的7引脚。当汽车供电电压大于14.5V时，LM324芯片的7引脚输出高电平信号，三极管Q2导通，汽车供电电压通过R9给红色的LED供电，红色的LED亮起。
图6-8 汽车供电电压低于12V时的报警灯驱动电路
图6-9 汽车供电电压高于14.5V时的报警灯驱动电路
当汽车供电电压在12～14.5V的范围内，LM324芯片的1、7引脚均输出低电平信号，三极管Q1、Q2截止，两个LED均不亮。
R6、R7两个电阻的作用是为三极管Q1、Q2提供开启电压。
在Proteus中，对LED驱动电路进行仿真。当汽车供电电压小于12V时，P02端输出高电平信号，用以驱动LED。同理，当汽车供电电压高于14.5V时，P03端会输出高电平信号，用以驱动LED。
1）汽车供电电压小于12V
由图6-10可以看出，当汽车供电电压为8V时，比12V的设定电压小，P02端输出高电平信号，黄色的LED亮起。
图6-10 报警灯驱动电路仿真1
2）汽车供电电压高于14.5V
由图6-11可以看出，当汽车供电电压为15V时，比14.5V的设定电压大，P03端输出高电平信号，红色的LED亮起。
图6-11 电压高于14.5V报警灯驱动电路仿真
总体电路仿真（见图6-12）
图6-12 总体电路仿真
电路板布线图（见图6-13）
图6-13 电路板布线图
实物照片（见图6-14）
图6-14 实物照片
思考与练习
（1）简述电压比较器输入电压、输出电压特点。
答：电压比较器的输入电压为模拟信号，其输出电压有高、低电平两种状态，用以表示比较结果。
（2）如图6-1所示，在本设计中，为什么RV1的抽头端接第一个电压比较器的负端，而RV3的抽头端接第二个电压比较器的正端？
答：当汽车供电电压小于12V时，第一个电压比较器所接的黄色的LED要亮起，第一个电压比较器应输出高电平信号，故RV1的抽头端接第一个电压比较器的负端。
当汽车供电电压大于14.5V时，第二个电压比较器所接的红色的LED要亮起，第二个电压比较器应输出高电平信号，故RV3的抽头端接第二个电压比较器的正端。
（3）叙述本电路调试方法。
答：在调试本电路时，先输入12V电压，调节滑动变阻器RV1，使第一个电压比较器输出信号翻转。然后输入14.5V电压，调节滑动变阻器RV3，使第二个电压比较器输出信号翻转。
特别提醒
（1）注意本设计电路与电源正、负极的正确连接。如果将汽车电压监视电路与电源正、负极接反了，会使电解电容爆炸。
（2）在绘制PCB时，要留出接地点，以便于后续测试。