电子课程设计-水位测量电路设计要点.pdf

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1、郑州轻工业学院 课程设计说明书 题目：水位检测电路设计 姓名： 院 （系） ： 专业班级： 学号： 指导教师： 成绩： 时间：2013 年 06 月 03 日至2013 年 06 月 17 日 郑州轻工业学院 课 程 设 计 任 务 书 题目： 水位检测电路设计 专业班级：电子科学与技术10-1 班姓名： 学号： 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 报警电路在人们的生产生活中有着重要作用。水位检测是自然界和 一般工业界不可缺少的一种检测系统。本设计主要实现以下功能。 1. 利用 LED指示灯显示水位（最低水位、1/4 、1/2、3/4 、最高水位）。 2. 达到最高水位时，自动报警。 参考文

2、献： 1 张 毅 . 自 动 检 测技术 及 仪表 控 制 系统 . 北 京: 化 学 工业 出 社,2004.11 2 金伟. 现代检测技术 . 北京: 北京邮电大学出版社 , 2006.2 3 王兆安. 电力电子技术 . 北京: 机械工业出版社 , 2006.5 完 成 期 限 ：2013.06.03-2013.06.17_ 指导教师签名：张晓冬 课程负责人签名：杨 坤 2013 年 06月 01 日 水位检测电路设计 1 目录 1 概述. 2 1.1 检测技术 . 2 1.2 水位检测技术的应用与发展 2 1.3 水位检测系统设计的意义 3 2 系统方案设计 . 3 2.1 设计方案.

3、3 2.1.1 硬件电路图 3 2.1.2 硬件设计原理 4 2.2 整流电路的设计. 4 3 元器件的介绍与参数计算. 5 3.1 发光二极管 5 3.2 电阻 . 7 3.3 三极管 7 3.4 蜂鸣报警器 7 3.5 整流二极管 8 3.6 变压器 8 4 硬件焊接. 9 5 AltiumDesigner电路设计 12 6 结论. 13 参考文献 14 附录元器件清单. 15 水位检测电路设计 2 水位检测电路设计 1 概述 1.1 检测技术 检测技术是自动化学科的重要组成部分之一，是以现代自动化系统中的应用为主 要目的，围绕参数检测和测量信号分析等信息，获取处理技术进行研究与开发的一门

4、 综合性技术。 为了监督和控制某个生产过程或运动对象的状态，掌握其发展规律， 使 他们处于所选工况的最佳状态，就必须掌握描述他们特性的各种参数，这就首先要求 检测这些参数的大小、变化趋势、变化速度等等。通常把这种流程中含有检查、测量 和测试等比较广义的参数测量叫做检测。为实现参数检测组建的系统称为检测系统或 检测装置。检测技术与自动化装置是将自动化、电子、计算机、控制工程、 信息处理、 机械等多种学科、 多种技术融合为一体并综合运用的复合技术，广泛应用于交通、 电 力、冶金、化工、建材等各领域自动化装备及生产自动化过程。检测技术与自动化装 置的研究与应用， 不仅具有重要的理论意义， 符合当前及

5、今后相当长时期内我国科技 发展的战略， 而且紧密结合国民经济的实际情况，对促进企业技术进步、 传统工业技 术改造和铁路技术装备的现代化有着重要的意义。 1.2 水位检测技术的应用与发展 随着我国经济社会的发展， 对水文信息不断提出新要求， 水文观测项目和内容不 断增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求。 同时当今的工业领域中液位检测对许多自动控制方案来说都至关重要。现代电子技 术、传感技术、 通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水位监测技术自动化的 发展。水位监测是采集、存储、传输、处理等技术的集成。从传统的水位监测方式即 人工监测技术分析来看， 主要存在以

6、下问题： 首先记录方式以模拟方式为主，就是数 字方式记录的也很难方便的输入计算机处理，其次数据处理基本靠人工处理判断，费 时易错，最后水位信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，无法适应现代水 水位检测电路设计 3 文的需求。因此，要用自动化技术促进水位监测自动化的发展。 1.3 水位检测系统设计的意义 水位检测系统是自然界和一般工业界不可缺少的一种检测系统。蓄水池、水塔、 水箱等都需要有水位检测。供水系统中有许多设备由于所处地势高，上下极为不便， 有时水即将用完或者已经用完也不知道，造成需用水时却水量不足或者无水可用的情 况。此外，在向池中注入水过程中， 由于不知道水位情况， 也就无法控

7、制注水量多少， 为了准确掌握水位情况， 传统的做法是安排人员进行人为监控， 这样不仅会占用人力、 物力，还会大大影响工作效率。为此需要对水位监测情况实现自动化监测、数据化、 智能化显示、 视觉或听觉冲击化报警， 实现水位检测一个完整的系统，那么工作人员 便可以实现在操作室获知整个设备的水位状况，如此不但大大减低工作人员的危险 性，同时更提升了工作的效率及简便性。 2 系统方案设计 2.1 设计方案 2.1.1 硬件电路图 图 2.1 方案硬件电路图 水位检测电路设计 4 表 2.1 水箱水位小灯指示表 水箱中的水位发光的 LED 最高水位LED1 、LED2 、LED3、 LED4、 LED5

8、 3/4 水位LED1 、LED2 、LED3、 LED4 1/2 水位LED1 、LED2 、LED3 1/4 水位LED1 、LED2 最低水位LED1 2.1.2 硬件设计原理 方案中的电路共有五个发光二极管，如果发光二极管全部亮， 表示水箱中的水已 充满。12V电源送到水箱底部的水中，晶体管(T1T5)只要得到基极电压，就会导通 并点亮相应的发光二极管(LED1LED5)。当水箱中的水到达最低水位C 时，晶体管 T1导通，LEDl 点亮；当水位上升到水箱的1/4 时，晶体管 T2导通， LEDl 与 LED2点 亮；当水位升到水箱的一半时，晶体管T3 导通，则 LEDl、LED2和 L

9、ED3点亮；当水 位升到水箱的 3/4 时，晶体管 T4导通，则 LEDlLED4均点亮；当水箱的水充满，晶 体管 T5导通，五个发光二极管全亮，同时使蜂鸣器发出报警声响。因此从发光二极 管点亮的状态，就能知道水箱中的水位。发光二极管与水箱中的水位对应关系如表 2.1 所示。发光二极管应安装在容易监视的位置。 2.2 整流电路的设计 此次电源的设计是将220V交流电压整流成为12V的直流电压，采用了二极管桥式 整流电路的方法 1 。 所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥。 当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D1、负载、 D3构成一个回路，输出电 压 U3=U2-UD1-UD3。输

10、入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻 RL、D4构成 一个回路，输出电压U3=U2-UD2-UD4。 水位检测电路设计 5 图 2.3 二极管桥式整流电路 由上述分析可知，二极管桥式整流电路输出的也是一个方向不变的脉动电压。 设输入交流电压为正弦波，其有效值为U2,则全波整流输出电压的有效值为： 2 0 0 9.0)(sin 1 UwtwtdUU T (2.1) 在硬件电路图 2.1 中，U3=12V ， 23 2. 1 UU，则10 2 UV 由式 2.1 可知， 0 U=9V 2 5 T CRL(2.2) 其中400 L R，02.0T，FC125 3 元器件的介绍与参数计算

11、3.1 发光二极管 发光二极管简称为LED （Light Emitting Diode） ，它是半导体二极管的一种， 可以把电能转化成光能。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。 磷砷化镓二极管发红光， 磷化镓二极管发绿 光，碳化硅二极管发黄光。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

12、， 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 5 。 水位检测电路设计 6 发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、 超高亮度发光二 极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管 和负阻发光二极管等。 普通单色发光二极管普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流 小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源 驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限

13、流电阻。 常用的国产普通单色发光二极管有BT （厂标型号）系列、 FG （部标型号）系列 和 2EF系列。常用的进口普通单色发光二极管有SLR系列和 SLC系列等。常用的进口 普通单色发光二极管有SLR系列和 SLC系列等。 本次选用的发光二极管颜色为红色 根据元器件手册可知，此规格的发光二极管的最大电压值为3.6V，工作电流为 20mA 。 设计电路的每一个水位检测都可以看成一条支路，其支路图电路如下图所示。 图 3.1 硬件支路电路图 设电路中总电压为U，电阻 R1两端电压为 U1，R2两端电压为 U2，发光二极管两 端电压为 ULED ，根据上面的电路图可知： （3.1 ） 即当 U=1

14、2V ，UTe=0.7V ，ULED=3.6V时，可知 U1+U2=7.7V 在晶体三极管中，晶体三级管的放大倍数180 时，I=0.02A, 令 R1=10 则： 水位检测电路设计 7 180I1=I2 （3.2 ） R1I1+R2I2=7.7 （3.3 ） 由（3.2 ） （3.3 ）式可知： I1=0.00011A,R2=384 3.2 电阻 在所设计的电路中， 根据发光二极管的要求， 计算电阻阻值。 因为实际电路中电 阻有保护电路的作用，因此应有适当的余量值。 所以取： R1=10,R2=400 3.3 三极管 半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主 要

15、的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个 PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极( 用字 母 b 表示) 。其他的两个电极成为集电极(用字母 c 表示) 和发射极 ( 用字母 e 表示)。 由于不同的组合方式，形成了一种是NPN 型的三极管，另一种是PNP 型的三极管。 三极管的种类很多， 并且不同型号各有不同的用途。 三极管大都是塑料封装或金 属封装，常见三极管的外观， 有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是 NPN 型三极 管，而箭头朝内的是PNP 型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。 电子制作中常用的三极管有90系列，包括低

16、频小功率硅管9013(NPN) 、 9012(PNP)，低噪声管 9014(NPN)，高频小功率管 9018(NPN)等。它们的型号一般都标 在塑壳上，而样子都一样，都是TO-92 标准封装。在老式的电子产品中还能见到 3DG6( 低频小功率硅管 ) 、3AX31(低频小功率锗管 ) 等，它们的型号也都印在金属的外 壳上 5 。 本次选用的三极管型号为：S9014 ；类型为： NPN 3.4 蜂鸣报警器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛用于计算机、 打印机、复印机、报警器、电子玩具等。蜂鸣器主要有电压式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器 两种类型。 水位检测电路设计 8 此次设计选

17、取的是电压式蜂鸣报警器。 本设计使用绿光发光二极管替代蜂鸣器。 3.5 整流二极管 整流二极管一种具有单向导电性的半导体器件, 能将交流电能转变为直流电能。 通常它包含一个 PN结，有阳极和阴极两个端子。 P区的载流子是空穴 ,N 区的载流子是电子， 在 P区和 N区间形成一定的位垒。 外 加使 P区相对 N区为正的电压时， 位垒降低， 位垒两侧附近产生储存载流子，能通过 大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V）, 称为正向导通状态。若加相反的电压, 使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反 向阻断状态。 整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体

18、锗或硅等材 料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功 率整流二极管都用高纯单晶硅制造。这种器件的结面积较大， 能通过较大电流 （可达 上千安） ，但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频整 流电路。 此次设计选择型号是2CP31的面结性硅管作为整流二极管。 3.6 变压器 变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合 （不同的用途） 变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有： 电压变 换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁芯形状一般有E 型和 C型铁芯。 变压器的最基本型式， 包括两

19、组绕有导线之线圈， 并且彼此以电感方式称合一起。 当一交流电流 (具有某一已知频率 )流于其中之一组线圈时， 于另一组线圈中将感应出 具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。 一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈(Primamary coil);而跨于此线圈的电压 称之为一次电压。 在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与 二次线圈问的匝数比所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。 水位检测电路设计 9 大部份的变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。 基于铁材的高导 磁性，大部份磁通量局限在铁芯里， 因此，两组线圈藉此可以

20、获得相当高程度之磁耦 合。在一些变压器中， 线圈与铁芯二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎 与二者之线圈匝数比相同。 因此，变压器之匝数比， 一般可作为变压器升压或降压的 参考指标。由于此项升压与降压的功能， 使得变压器已成为现代化电力系统中的不可 缺少的部分， 提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器， 它使得电 力运用方面更加多元化， 吾人可以如是说， 倘无变压器， 则现代工业实无法达到目前 发展的现况。 此次选取的变压器是降压变压器，将220V电压降压到 13.33V。 根据图 2.1 时可知 U1=220V,U2=13.33V 变压器线圈匝数比 2 1 2 1 U

21、U N N n (3.4) n=16.5 取整 n=17，由此可知变压器的型号为：CEI-10 4 硬件焊接 在焊接电路时， 在设计电路正确的情况下， 首先要检测器件是否有无问题；再来 就是，对于器件如二极管三极管各个管脚要测好，因为如果三极管的管脚不正确接入 电路不但不能正常工作 , 还可能烧坏晶体管；最后要注意到电路在电路板上的清晰和 美观。 焊接电路时用到了上述所选择的器件还有电焊、焊锡、导线等。 当实际选件时发现实际的电阻和计算结果有一定的偏差，因此选取了10和 420的电阻。 测晶体三极管NPN 管的好坏将万用表欧姆挡置 “R 100“ 或 “R l k“ 处, 把黑表笔接在基极上,

22、 将红表笔先后接在其余两个极上, 如果两次测得的电阻值都较 小, 再将红表笔接在基极上 , 将黑表笔先后接在其余两个极上, 如果两次测得的电阻值 都很大 , 则说明三极管是好的。 水位检测电路设计 10 判别晶体三极管的类型。当知道管子的类型，即是NPN管，PNP管时，可直接将 万用表档位调到“ HFE ”上，然后将三极管的头上的平面对自己，将三个管脚插入万 用表的槽中，即可知道各个管脚的极，还可以知道HFE的值 7 。 因为选择器件时已经知道晶体三极管的类型和型号为：NPN,S9013 所以可直接知 道管子的管脚的各极。 经过测试知道了五个晶体三极管的放大倍数为：178、 186、 192、

23、 194、178，因此可以知道将它的具体型号为：S9013I 发光二极管的两个管脚一个长一个短，在常规中， 长的一端为正极， 短的一端为 负极。 测好各个元器件后进行焊接，焊接出实物图如下图所示。 图 4.1 电路焊接图 水位检测电路设计 11 图 4.2 整体电路实物图 图 4.3 功能实现图 水位检测电路设计 12 5 AltiumDesigner电路设计 图 6.1 电路原理图 5 4 3 2 1 0 123 12 12 12 21 12 21 21 21 21 21 123 123 123 123 5 4 3 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 12 图 6.2 P

24、CB 封装图 水位检测电路设计 13 6 结论 课程设计是一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的水位 检测系统设计， 我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我综合 运用所学专业基础知识的能力，同时也提高我查阅文献资料、 设计手册、 设计规范以 及电脑制图等其他能力水平， 这是我们都希望看到的也正是我们进行课程设计的目的 所在。 在本次课程设计过程中，我的设计的硬件电路图并不是十分的繁琐，简单明了， 主要是实际焊接操作和软硬件的结合。刚拿到设计题目时， 我的课程设计是一个纯硬 件的设计。经过自己对软件的学习，最终我将硬件电路与软件有机的结合在了一起， 实现了硬件

25、与软件的同步检测。此次设计中我也遇到了很多的问题，在自己的钻研， 老师的帮助和同学的探讨中，我将问题一一解决。 顺利如期的完成本次设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专 业的发展前景充满信心， 我所设计的水位检测系统在某种程度上并不完善，可这些不 完善正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能 解决问题。这次设计是对自己所学知识的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄， 虽然明年就要毕业了， 但是自己的求学之路还很长， 以后更应该在工作中学习， 努力 使自己成为一个对社会有所贡献的人。 水位检测电路设计 14 参考文献 1 童诗白 . 模拟电子技术基础

26、. 北京: 高等教育出版社 , 2001.1 2 张毅. 自动检测技术及仪表控制系统. 北京: 化学工业出版社 , 2004.11 3 金伟. 现代检测技术 . 北京: 北京邮电大学出版社 , 2006.2 4 王兆安 . 电力电子技术 . 北京: 机械工业出版社 , 2006.5 5 姚金生 . 元器件 . 北京: 电子工业出版社 , 2004.10 6 于安红 . 简明电子元器件手册 . 上海: 上海交通大学出版社 , 2005.12 7 张宪 , 王春娴 . 电子元器件的选用与检测问答. 北京 : 化学工业出版社, 2005.8 水位检测电路设计 15 附录元器件清单 元器件名称类型基本

27、参数数量（个） 电阻金属氧化膜电阻器 标称阻值范围 （）： 11K 5：10 5：400 电容铝电解电容 额定电压（ V） ： 6.3-450V 1：100F 发光二极管 (LED) 发光颜色： 纯红色 UF/V ：4.2 I/mA: 20 5 发光二极管 (LED) 发光颜色： 纯绿色 UF/V ：4.2 I/mA: 20 1 整流二极管面结性硅管 Icm/mA:250 U 峰/V：25 U 反/V：1 4 课程设计成绩评定表 评定项目内容满分评分总分 学习态度学习认真，态度端正，遵守纪律。10 答疑和设 计情况 认真查阅资料， 勤学好问，提出的问题有一 定的深度，分析解决问题的能力较强。 40 说明书质 量 设计方案正确、表达清楚；设计思路、实验 （论证）方法科学合理；达到课程设计任务 书规定的要求； 图、表、文字表达准确规范， 上交及时。 40 回答问题 情况 回答问题准确，基本概念清楚，有理有据， 有一定深度。 10 总成绩采用五级分制：优、良、中、及格、不及格 指导教师评语： 签名： 年月日