太阳能热水器水位报警器.doc

题 目： 缺水报警器设计
学号姓名： 200995024022 李亮亮
所在系别： 电子电气工程系
专业年级： 电子信息工程 2009级
指导教师： 罗文亮

课程设计任务书
一、 设计课题：缺水报警器
二、 设计内容及要求：
1.设计要求：
1.掌握电子电路的设计方法。
2.在家用热水器中，当水位太低时，会有空烧危险发生，当汽车在发动机水箱缺水的情况下行驶，极易造成发动机损坏。本次设计的缺水报警器，能在水箱内水位降至最低水位时，能用液位传感器检测到，通过相应电路使报警器动作，发出声光的报警，提醒人们及时加水。
2．工作任务和要求：
1).搜集有关资料，进行方案设计，画出总体设计框图，说明缺水报警器由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间的互相联系，并以文字对原理作辅助说明。
2）进行电路参数分析，论证，以及电路可靠性分析。
3).设计各个功能模块的电路图，加上原理说明。
4).选择相应元器件。
5）在验证各个功能模块基础上，对整个电路的元器件和布线，进行合理布局，画出总体电路图。
4.设计说明书正文内容要求：
1）.设计目的。
2）.设计指标。
3). 设计方案及论证。
4）.画出设计的原理框图，并要求说明该框图的工作过程及每个模块的功能。
5）.画出各个功能模块的电路图，加上原理说明。
6）.画出总布局接线图（集成块按实际布局位置画，集成块的引脚须按实际 位置画，并注明名称。）
7）.元器件清单。
8）.总结。设计过程中遇到的问题及解决方法及课程设计过程体会。
5.设计说明书格式要求：
设计说明书应包括：序言、目录、摘要（中英文）、关键字（中英文）、正文(含设计方案论证，设计及其他说明等（不少于2000字）)、结束语和参考文献等内容、并按照封页，设计任务书、序言、目录、摘要、关键词、正文、结束语、参考文献和封底的顺序装订。

指导教师（签名）：__________________
学生（签名）：____________________
2012年6月7日

序 言

20世纪80年代以前，在生活用品应用自动控制的最先进装置就是继电器，它对当时生活质量的提高及节能确实发挥了很大的作用；传感技术还很少应用到生活中。但当人们跨入20世纪80年代以后，生活用品及卫生节能环保用品随着科技的发展，开始由单一化转变为多样多品种高智能化，在这种转变过程中，机电控制系统的许多固有弊端如体积大、质量重反映慢、不方便等越发显得突出，成为了转变的一大障碍。80年代后期，市场所需的“柔性”智能、生活用品品质提高、节能环保，呼唤智能自动控制系统的诞生。随着科技进步模拟电子技术、单片机技术、PLC技术、传感器技术日益成熟，这些技术逐渐投入到生活、卫生、环保、科技等领域当中，生活卫生、环抱用品自动控制技术逐步提高。但这些应用与小生活用品在控制精度、准确度、使用技术、智能方面尤其是价格方面受限。随着人们对智能化，方便、简捷、精确度、轻便、美观、性价比等要求的提高，新型的感应装置与电子技术随之出现。

目 录

摘要 1
一、系统总体方案 2
1.1设计目的 2
1.2系统设计 3
二、设计原理分析及电路设计 3
2.1工作电源 4
2.2工作原理 4
2.3主要电路的设计 4
三、电路器件选择 6
3.1LED发光二极管 6
3.2稳压管 6
3.3 二极管 7
3.4三极管 8
四、电路原理图 10
五．控制流程 11
六、设计总结及体会 12
七．参考文献 12

摘要
太阳能热水器一般都设在室外或房屋的顶处，热水器的水位在使用时不易观测，使用水位报警器后，则可以实现水箱中缺水或加水过多时自动发出声光报警。此报警器电路在设计中要求当水位报警器接通电源时，主电路有相应的电源指示灯点亮，指示电源正常。当太阳能热水器水箱缺水，电路能发出声光报警，告知人们应向水箱中送水。当水箱中的水上升到需要的高度时，电路发出声光报警，应停止向水箱中送水。为了适应社会日益增长的物质需求此报警器需要更多更好改进以满足人们的需求。
关键词 整流电路 稳压电路 电导式传感器 电解电容 稳压管
Summary
Solar water heaters are generally located in the outdoor or housing at the top of the water level of the water heater is in use is not easy observation, the use of the water level alarm, you can achieve the audible and visual alarm automatically when the lack of water or too much water in the tank. This alarm circuit when the water level alarm when the power is turned on, the main circuit power indicator light, indicate power is normal in the design. When a solar water heater water tank, the circuit can be audible and visual alarm to inform the people should be bottled water in the tank. When the water in the tank to rise to the desired height, the circuit audible and visual alarm should stop the water tank and bottled water. In order to adapt to society's growing material needs alarms need more and better improvements to meet the needs of people

Keywords rectifier circuit voltage regulator circuit electrolytic capacitor of the conductance sensor regulator

关键词 整流电路 稳压电路 电导式传感器 电解电容 稳压管

一、系统总体方案
1.1设计目的
传感器技术、数字电子技术与自动控制技术在生产过程、科学研究、现实生活应用、医疗卫生、环保事业及其他各个领域的应用十分广泛。传感器技术、控制逻辑电路的设计及门电路芯片的选择是感应自动控制设计的重要环节，系统设计应满足环保、实用及课题要求的总体技术方案。这种专用感应控制装置的设计可以提升专业知识的运用能力，促进科技向生活的转化及环保事业的发展，对提高生活质量有重要作用。数字逻辑电路控制器使近十几年来发展起来的一种新型控制电路，具有功能齐全、控制简单、抗干扰能力强，价格便宜、重量轻、耗电省等优点。
随着热水器的推广普及，在没有自来水的地方，如何使用水泵自动启停抽水并保证连续供水是一个现实的问题。由于热水器的注水箱大多安装在房顶上，是否缺水不易观察，如果使用自动水位控制装置来控制水泵的工作，就能够很好的解决这个问题，给广大用户带来方便。
1.2系统设计
本课程设计是利用电导式传感器的三个电极设计一个热水器的水位报警器，通过传感器将水位变化转化为电信号送到测控电路中，通过对信号的处理对外在条件进行操作，可大体用图表表示为：

敏感元件
转换元件
调制电路
被测量 输出信号

二、设计原理分析及电路设计
根据本实验的内容及原理，遵循了尽量简便的普遍原则来设计电路图。本实验要求：
1、当水位报警器接通电源时，主电路有相应的电源指示灯点亮，指示电源正常。
2、当太阳能热水器水箱缺水，电路能发出声光报警，提醒人们应向水箱中送水。
3、当水箱中的水上升到需要的高度时，电路发出声光报警，应停止向水箱中送水。
根据以上的实验要求本课题的电子电路可大致设计如下：
2.1工作电源
电路在工作时通入220V交流电，经过变压器变压后成为12V交流电，再经过整流电路整流后输出12V的直流电，电路通入12V直流电后发光二极管VD5点亮，指示电源工作正常。
2.2工作原理
1、 导电式水位传感器的三个探知电极分别和VT1 、VT2和VT3的基极相连。电路的电源由变压器降压，经过整流器电路整流提供。发光二极管VD5为电源指示灯。音乐集成电路9300报警。
2、 当水位在电极1—2之间正常情况下，电极1悬空，VT1截止，高水位指示灯VD8不亮。由于电极2—3处在水中，由于水电阻的原因，使VT3导通，VT2截止。低水位VD9指示灯也不亮。
3、 当水位下降到低于电极2时VT3截止，VT2导通。低水位指示灯VD9亮，由C3及R4组成的微分电路在VT2由截止到导通的跳变过程中产生的正向脉冲，将触发音乐集成电路IC工作，随之扬声器发出报警，告知主人缺水。
4、 同理，当水位超出电极1时候，VT1导通，高水位指示灯VD8亮，C2和R4微分电路产生的正向脉冲触发音乐集成电路IC工作，发出报警声，告知主人水已注满。
2.3主要电路的设计
变压器的选择
变压器是利用电磁感应原理工作的，变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。这两个绕组具有不同的匝数且互相绝缘，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系。其中，接于电源侧的绕组称为一次绕组；用于接负载的绕组称为二次绕组。经过分析计算查找选用MM微型干式变压器，其功率小，耗能底，性价比高，且能满足此设计系统使用要求。
干式变压器的性能特点
1、低压绕组除小容量采用铜导线以外，一般都采用铜箔绕制的圆筒式结构；高压绕组采用分段多层圆筒式结构，使之绕组的安匝分布平衡，漏磁小，机械强度高，抗短路能力强。
2、可配置低噪音的风冷装置，通过温控器对风扇的起动和关闭可以自动控制，由此可以使变压器增容40%运行。
本实验要求所加在报警器上的电源电压为220V，但报警器本身所用的电压为12V直流电，这就要求220V电源电压必须经过变压以后才能加在实验电路上。此干式变压器的输出电压有12V和8V两种，所以本实验的变压器电路大致如下图所示：
3. 整流电路的原理与选用
整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。
整流电路按其组成器件可分为不控整流电路、半控整流电路和全控整流电路。后两种电路按其控制方式又可分为相控整流电路和斩波整流电路（见电力电子电路）。相控整流电路由于采用电网换相方式，不需要专门的换相电路，因而电路简单、工作可靠，得到广泛应用。但相控整流电路在控制用α较大时，功率因数较低，网侧电流谐波含量较大。因而在大功率调速传动中，低速运行时，采用斩控整流电路可解决功率因数变坏的问题。
整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样；按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种，按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压器二次侧电流的方向是单相或双相，又分为单拍电路和双拍电路。
因在安全及系统器件等方面需要，要对交流整流。用可控硅组成的可控整流相对用普通二极管组成的不可控整流系统价格较高，二极管组成的整流系统提供的直流电已满足此设计系统要求。为提高电压电流的输出平均值采用全桥整流。其组成主要有四个普通二极管组成。
根据实验课题的要求，本实验的电源要求用12V直流电，所以经过变压后的12V交流电必须经过整流电路整流后才能加到实验电路上。综合各方面的因素，本实验所设计的整流电路如图所示（其中4个二极管都选用1N4007）：
三、电路器件选择
3.1LED发光二极管
发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

3.2稳压管
稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的因为这种特性稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。
稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 这样，当把稳压管接入电路以后，
若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
3.3 二极管
几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。
二极管的工作原理
晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
二极管的导电特性
二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。
1. 正向特性。
在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。
2. 反向特性。
在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。

3.4三极管
晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，
从三个区引出相应的电极，分别为基极B发射极E和集电极C。
发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。

元器件一览表
名称
型号
数量
特殊说明
标注
变压器
干式
1

二极管
普通
6

电阻
色环电阻
10
不同阻值

音乐集成电路
IC9300
1

三极管1
9012
3

三极管2
9013
1

蜂鸣器
压电式
1

稳压管
普通
1
齐纳二极管

发光二极管
LED
3

整流电路
桥式
1
二极管组成

电容
电解电容
4
不同电容值

电导电极
普通
3

四、电路原理图

五．控制流程
水位接触到电极1的最低点
水位恢复正常，电源灯亮
检测水位
水位低于电极2的最低点
接通电源，电源指示灯亮
LED管VD8亮，发出警报，提醒停止加水
水位不低于2电极最低点且不高于电极1最低点
LED管VD9亮，发出报警声，提醒主人加水
加水中
继续加水

六、设计总结及体会
经过两周的传感器课程设计，使我受益匪浅。通过课程设计，使我意识到我们所学知识的实际应用，发现它非常有现实意义。以前，我们所学的只是纯书本知识，没有与实践联系起来，学起来不免有点三心二意。但是通过这次课程设计是我意识到我们所学的专业知识在实际生活中的应用，我想对我以后的学习会更加有利。
在课程设计当中，我遇到不少问题，但经过不但的查阅资料和询问同学老师情况下，把一些基本的问题都解决了。我开始在找类似的设计书目，结果以失败而告终。没办法，自己就开始认真的一点一点地找资料，拼凑起来，再结合设计内容来整理资料，以及选择、计算参数。然后就用Proteus画电路图，这一切都还算顺利。通过这次课程设计，我知道了要设计一个真正实用的产品，不是想象得那么简单，其中材料、参数、电路以及外观等的选择和设计都非常重要，其中每一点都决定着产品的使用性能或适用范围。
这次设计过程也算坎坷。设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。
通过传感器课程设计，我不仅加深了对理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己
七．参考文献
1. 《传感器工作原理及应用实例》，人民邮电出版社，黄继昌 主编
2. 《干式电力变压器》 国家标准局 1986-05-29 发布
3 、《电子技术》，第二版 高等教育出版社，2004年 付植桐 主编
4 、《传感器与检测技术》，第一版，高等教育出版社，2004周乐挺 主编
5 、《电力电子技术》，第一版高等教育出版社，2004年 苏海宾 主编
6、 《传感器应用及其电路精选》电子工业出版社，1993 张福学编