電子課程設計-水位測量電路設計要點

鄭州輕工業(yè)學院課程設計說明書題目：水位檢測電路設計姓名：院（系）：專業(yè)班級：學號：指導教師：成績：時間：2013年06月03日至2013年06月17日水位檢測電路設計PAGEPAGE1鄭州輕工業(yè)學院課程設計任務書題目：水位檢測電路設計專業(yè)班級：電子科學與技術10-1班姓名：學號：主要內容、基本要求、主要參考資料等：報警電路在人們的生產生活中有著重要作用。水位檢測是自然界和一般工業(yè)界不可缺少的一種檢測系統(tǒng)。本設計主要實現以下功能。利用LED指示燈顯示水位（最低水位、1/4、1/2、3/4、最高水位）。達到最高水位時，自動報警。參考文獻：[1]張毅.自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng).北京:化學工業(yè)出社,2004.11[2]金偉.現代檢測技術.北京:北京郵電大學出版社,2006.2[3]王兆安.電力電子技術.北京:機械工業(yè)出版社,2006.5完成期限：2013.06.03-2013.06.17_指導教師簽名：張曉冬課程負責人簽名：楊坤2013年06月01日目錄TOC\o"1-3"\h\u1概述 21.1檢測技術 21.2水位檢測技術的應用與發(fā)展 21.3水位檢測系統(tǒng)設計的意義 32系統(tǒng)方案設計 32.1設計方案 32.1.1硬件電路圖 32.1.2硬件設計原理 42.2整流電路的設計 43元器件的介紹與參數計算 53.1發(fā)光二極管 53.2電阻 73.3三極管 73.4蜂鳴報警器 73.5整流二極管 83.6變壓器 84硬件焊接 95AltiumDesigner電路設計 126結論 13參考文獻 14附錄元器件清單 15水位檢測電路設計1概述1.1檢測技術檢測技術是自動化學科的重要組成部分之一，是以現代自動化系統(tǒng)中的應用為主要目的，圍繞參數檢測和測量信號分析等信息，獲取處理技術進行研究與開發(fā)的一門綜合性技術。為了監(jiān)督和控制某個生產過程或運動對象的狀態(tài)，掌握其發(fā)展規(guī)律，使他們處于所選工況的最佳狀態(tài)，就必須掌握描述他們特性的各種參數，這就首先要求檢測這些參數的大小、變化趨勢、變化速度等等。通常把這種流程中含有檢查、測量和測試等比較廣義的參數測量叫做檢測。為實現參數檢測組建的系統(tǒng)稱為檢測系統(tǒng)或檢測裝置。檢測技術與自動化裝置是將自動化、電子、計算機、控制工程、信息處理、機械等多種學科、多種技術融合為一體并綜合運用的復合技術，廣泛應用于交通、電力、冶金、化工、建材等各領域自動化裝備及生產自動化過程。檢測技術與自動化裝置的研究與應用，不僅具有重要的理論意義，符合當前及今后相當長時期內我國科技發(fā)展的戰(zhàn)略，而且緊密結合國民經濟的實際情況，對促進企業(yè)技術進步、傳統(tǒng)工業(yè)技術改造和鐵路技術裝備的現代化有著重要的意義。1.2水位檢測技術的應用與發(fā)展隨著我國經濟社會的發(fā)展，對水文信息不斷提出新要求，水文觀測項目和內容不斷增加，對觀測手段和方法以及水文監(jiān)測技術的研發(fā)和應用提出了越來越高的要求。同時當今的工業(yè)領域中液位檢測對許多自動控制方案來說都至關重要。現代電子技術、傳感技術、通信技術和計算機技術的迅速發(fā)展，也促進了水位監(jiān)測技術自動化的發(fā)展。水位監(jiān)測是采集、存儲、傳輸、處理等技術的集成。從傳統(tǒng)的水位監(jiān)測方式即人工監(jiān)測技術分析來看，主要存在以下問題：首先記錄方式以模擬方式為主，就是數字方式記錄的也很難方便的輸入計算機處理，其次數據處理基本靠人工處理判斷，費時易錯，最后水位信息的采集、傳輸、處理的實時性和準確性較差，無法適應現代水文的需求。因此，要用自動化技術促進水位監(jiān)測自動化的發(fā)展。1.3水位檢測系統(tǒng)設計的意義水位檢測系統(tǒng)是自然界和一般工業(yè)界不可缺少的一種檢測系統(tǒng)。蓄水池、水塔、水箱等都需要有水位檢測。供水系統(tǒng)中有許多設備由于所處地勢高，上下極為不便，有時水即將用完或者已經用完也不知道，造成需用水時卻水量不足或者無水可用的情況。此外，在向池中注入水過程中，由于不知道水位情況，也就無法控制注水量多少，為了準確掌握水位情況，傳統(tǒng)的做法是安排人員進行人為監(jiān)控，這樣不僅會占用人力、物力，還會大大影響工作效率。為此需要對水位監(jiān)測情況實現自動化監(jiān)測、數據化、智能化顯示、視覺或聽覺沖擊化報警，實現水位檢測一個完整的系統(tǒng)，那么工作人員便可以實現在操作室獲知整個設備的水位狀況，如此不但大大減低工作人員的危險性，同時更提升了工作的效率及簡便性。2系統(tǒng)方案設計2.1設計方案2.1.1硬件電路圖圖2.1方案硬件電路圖表2.1水箱水位小燈指示表水箱中的水位發(fā)光的LED最高水位LED1、LED2、LED3、LED4、LED53/4水位LED1、LED2、LED3、LED41/2水位LED1、LED2、LED31/4水位LED1、LED2最低水位LED12.1.2硬件設計原理方案中的電路共有五個發(fā)光二極管，如果發(fā)光二極管全部亮，表示水箱中的水已充滿。12V電源送到水箱底部的水中，晶體管(T1～T5)只要得到基極電壓，就會導通并點亮相應的發(fā)光二極管(LED1～LED5)。當水箱中的水到達最低水位C時，晶體管T1導通，LEDl點亮；當水位上升到水箱的1/4時，晶體管T2導通，LEDl與LED2點亮；當水位升到水箱的一半時，晶體管T3導通，則LEDl、LED2和LED3點亮；當水位升到水箱的3/4時，晶體管T4導通，則LEDl～LED4均點亮；當水箱的水充滿，晶體管T5導通，五個發(fā)光二極管全亮，同時使蜂鳴器發(fā)出報警聲響。因此從發(fā)光二極管點亮的狀態(tài)，就能知道水箱中的水位。發(fā)光二極管與水箱中的水位對應關系如表2.1所示。發(fā)光二極管應安裝在容易監(jiān)視的位置。2.2整流電路的設計此次電源的設計是將220V交流電壓整流成為12V的直流電壓，采用了二極管橋式整流電路的方法[1]。所謂橋式整流電路，就是用二極管組成一個整流電橋。當輸入電壓處于交流電壓正半周時，二極管D1、負載、D3構成一個回路，輸出電壓U3=U2-UD1-UD3。輸入電壓處于交流電壓負半周時，二極管D2、負載電阻RL、D4構成一個回路，輸出電壓U3=U2-UD2-UD4。

圖2.3二極管橋式整流電路

由上述分析可知，二極管橋式整流電路輸出的也是一個方向不變的脈動電壓。設輸入交流電壓為正弦波，其有效值為U2,則全波整流輸出電壓的有效值為：(2.1)在硬件電路圖2.1中，U3=12V，，則V由式2.1可知，=9V∵(2.2)其中，，∴3元器件的介紹與參數計算3.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱為LED（LightEmittingDiode），它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結附近數微米內分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管[5]。發(fā)光二極管還可分為普通單色發(fā)光二極管、高亮度發(fā)光二極管、超高亮度發(fā)光二極管、變色發(fā)光二極管、閃爍發(fā)光二極管、電壓控制型發(fā)光二極管、紅外發(fā)光二極管和負阻發(fā)光二極管等。普通單色發(fā)光二極管普通單色發(fā)光二極管具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應速度快、壽命長等優(yōu)點，可用各種直流、交流、脈沖等電源驅動點亮。它屬于電流控制型半導體器件，使用時需串接合適的限流電阻。常用的國產普通單色發(fā)光二極管有BT（廠標型號）系列、FG（部標型號）系列和2EF系列。常用的進口普通單色發(fā)光二極管有SLR系列和SLC系列等。常用的進口普通單色發(fā)光二極管有SLR系列和SLC系列等。本次選用的發(fā)光二極管顏色為紅色根據元器件手冊可知，此規(guī)格的發(fā)光二極管的最大電壓值為3.6V，工作電流為20mA。設計電路的每一個水位檢測都可以看成一條支路，其支路圖電路如下圖所示。圖3.1硬件支路電路圖設電路中總電壓為U，電阻R1兩端電壓為U1，R2兩端電壓為U2，發(fā)光二極管兩端電壓為ULED，根據上面的電路圖可知：（3.1）即當U=12V，UTe=0.7V，ULED=3.6V時，可知U1+U2=7.7V在晶體三極管中，晶體三級管的放大倍數180時，I=0.02A,令R1=10則：180I1=I2（3.2）R1I1+R2I2=7.7（3.3）由（3.2）（3.3）式可知：I1=0.00011A,R2=3843.2電阻在所設計的電路中，根據發(fā)光二極管的要求，計算電阻阻值。因為實際電路中電阻有保護電路的作用，因此應有適當的余量值。所以?。篟1=10,R2=400 3.3三極管半導體三極管也稱為晶體三極管，可以說它是電子電路中最重要的器件。它最主要的功能是電流放大和開關作用。三極管顧名思義具有三個電極。二極管是由一個PN結構成的，而三極管由兩個PN結構成，共用的一個電極成為三極管的基極(用字母b表示)。其他的兩個電極成為集電極(用字母c表示)和發(fā)射極(用字母e表示)。由于不同的組合方式，形成了一種是NPN型的三極管，另一種是PNP型的三極管。三極管的種類很多，并且不同型號各有不同的用途。三極管大都是塑料封裝或金屬封裝，常見三極管的外觀，有一個箭頭的電極是發(fā)射極，箭頭朝外的是NPN型三極管，而箭頭朝內的是PNP型。實際上箭頭所指的方向是電流的方向。

電子制作中常用的三極管有90××系列，包括低頻小功率硅管9013(NPN)、9012(PNP)，低噪聲管9014(NPN)，高頻小功率管9018(NPN)等。它們的型號一般都標在塑殼上，而樣子都一樣，都是TO-92標準封裝。在老式的電子產品中還能見到3DG6(低頻小功率硅管)、3AX31(低頻小功率鍺管)等，它們的型號也都印在金屬的外殼上[5]。本次選用的三極管型號為：S9014；類型為：NPN3.4蜂鳴報警器蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具等。蜂鳴器主要有電壓式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。此次設計選取的是電壓式蜂鳴報警器。本設計使用綠光發(fā)光二極管替代蜂鳴器。3.5整流二極管整流二極管一種具有單向導電性的半導體器件,能將交流電能轉變?yōu)橹绷麟娔堋ＭǔＫ粋€PN結，有陽極和陰極兩個端子。P區(qū)的載流子是空穴,N區(qū)的載流子是電子，在P區(qū)和N區(qū)間形成一定的位壘。外加使P區(qū)相對N區(qū)為正的電壓時，位壘降低，位壘兩側附近產生儲存載流子，能通過大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7V）,稱為正向導通狀態(tài)。若加相反的電壓,使位壘增加，可承受高的反向電壓，流過很小的反向電流（稱反向漏電流），稱為反向阻斷狀態(tài)。整流二極管具有明顯的單向導電性。整流二極管可用半導體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造。這種器件的結面積較大，能通過較大電流（可達上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。整流二極管主要用于各種低頻整流電路。此次設計選擇型號是2CP31的面結性硅管作為整流二極管。3.6變壓器變壓器幾乎在所有的電子產品中都要用到，它原理簡單但根據不同的使用場合（不同的用途）變壓器的繞制工藝會有所不同的要求。變壓器的功能主要有：電壓變換；阻抗變換；隔離；穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等，變壓器常用的鐵芯形狀一般有E型和C型鐵芯。變壓器的最基本型式，包括兩組繞有導線之線圈，并且彼此以電感方式稱合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中之一組線圈時，于另一組線圈中將感應出具有相同頻率之交流電壓，而感應的電壓大小取決于兩線圈耦合及磁交鏈之程度。一般指連接交流電源的線圈稱之為一次線圈(Primamarycoil);而跨于此線圈的電壓稱之為一次電壓。在二次線圈的感應電壓可能大于或小于一次電壓，是由一次線圈與二次線圈問的匝數比所決定的。因此，變壓器區(qū)分為升壓與降壓變壓器兩種。大部份的變壓器均有固定的鐵芯，其上繞有一次與二次的線圈?；阼F材的高導磁性，大部份磁通量局限在鐵芯里，因此，兩組線圈藉此可以獲得相當高程度之磁耦合。在一些變壓器中，線圈與鐵芯二者間緊密地結合，其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數比相同。因此，變壓器之匝數比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標。由于此項升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現代化電力系統(tǒng)中的不可缺少的部分，提升輸電電壓使得長途輸送電力更為經濟，至于降壓變壓器，它使得電力運用方面更加多元化，吾人可以如是說，倘無變壓器，則現代工業(yè)實無法達到目前發(fā)展的現況。此次選取的變壓器是降壓變壓器，將220V電壓降壓到13.33V。根據圖2.1時可知U1=220V,U2=13.33V∵變壓器線圈匝數比(3.4)∴n=16.5取整n=17，由此可知變壓器的型號為：CEI-104硬件焊接在焊接電路時，在設計電路正確的情況下，首先要檢測器件是否有無問題；再來就是，對于器件如二極管三極管各個管腳要測好，因為如果三極管的管腳不正確接入電路不但不能正常工作,還可能燒壞晶體管；最后要注意到電路在電路板上的清晰和美觀。焊接電路時用到了上述所選擇的器件還有電焊、焊錫、導線等。當實際選件時發(fā)現實際的電阻和計算結果有一定的偏差，因此選取了10和420的電阻。測晶體三極管NPN管的好壞將萬用表歐姆擋置"R×100"或"R×lk"處,把黑表筆接在基極上,將紅表筆先后接在其余兩個極上,如果兩次測得的電阻值都較小,再將紅表筆接在基極上,將黑表筆先后接在其余兩個極上,如果兩次測得的電阻值都很大,則說明三極管是好的。判別晶體三極管的類型。當知道管子的類型，即是NPN管，PNP管時，可直接將萬用表檔位調到“HFE”上，然后將三極管的頭上的平面對自己，將三個管腳插入萬用表的槽中，即可知道各個管腳的極，還可以知道HFE的值[7]。因為選擇器件時已經知道晶體三極管的類型和型號為：NPN,S9013所以可直接知道管子的管腳的各極。經過測試知道了五個晶體三極管的放大倍數為：178、186、192、194、178，因此可以知道將它的具體型號為：S9013I發(fā)光二極管的兩個管腳一個長一個短，在常規(guī)中，長的一端為正極，短的一端為負極。測好各個元器件后進行焊接，焊接出實物圖如下圖所示。圖4.1電路焊接圖圖4.2整體電路實物圖圖4.3功能實現圖5AltiumDesigner電路設計圖6.1電路原理圖圖6.2PCB封裝圖6結論課程設計是一次非常難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整的水位檢測系統(tǒng)設計，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，和實際設計的結合鍛煉了我綜合運用所學專業(yè)基礎知識的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他能力水平，這是我們都希望看到的也正是我們進行課程設計的目的所在。在本次課程設計過程中，我的設計的硬件電路圖并不是十分的繁瑣，簡單明了，主要是實際焊接操作和軟硬件的結合。剛拿到設計題目時，我的課程設計是一個純硬件的設計。經過自己對軟件的學習，最終我將硬件電路與軟件有機的結合在了一起，實現了硬件與軟件的同步檢測。此次設計中我也遇到了很多的問題，在自己的鉆研，老師的幫助和同學的探討中，我將問題一一解決。順利如期的完成本次設計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，我所設計的水位檢測系統(tǒng)在某種程度上并不完善，可這些不完善正是我們去更好的研究更好的創(chuàng)造的最大動力，只有發(fā)現