電子課程設(shè)計-水位測量電路設(shè)計

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計說明書題目： 水位檢測電路設(shè)計 姓 名： 院 （系）： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)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(shè)計鄭州輕工業(yè)學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書題目： 水位檢測電路設(shè)計 專業(yè)班級： 電子科學(xué)與技術(shù)10-1班 姓名：學(xué)號：主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：報警電路在人們的生產(chǎn)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(shè)計主要實現(xiàn)以下功能。1. 利用LED指示燈顯示水位（最低水位、1/4、1/2、3/4、最高水位）。2. 達(dá)到最高水位時，自動報警。參考文獻(xiàn)：

2、1 張毅.自動檢測技術(shù)及儀表控制系統(tǒng). 北京: 化學(xué)工業(yè)出社,2004.112 金偉. 現(xiàn)代檢測技術(shù). 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2006.23 王兆安. 電力電子技術(shù).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.5 完 成 期 限 ：2013.06.03-2013.06.17_ 指導(dǎo)教師簽名： 張曉冬 課程負(fù)責(zé)人簽名： 楊 坤 2013年06月01日目 錄1概述21.1檢測技術(shù)21.2水位檢測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展21.3水位檢測系統(tǒng)設(shè)計的意義32系統(tǒng)方案設(shè)計32.1設(shè)計方案32.1.1硬件電路圖32.1.2硬件設(shè)計原理42.2整流電路的設(shè)計43元器件的介紹與參數(shù)計算53.1發(fā)光二極管53.2電阻73

3、.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95 AltiumDesigner電路設(shè)計126結(jié)論13參考文獻(xiàn)14附錄 元器件清單15水位檢測電路設(shè)計1概述1.1檢測技術(shù)檢測技術(shù)是自動化學(xué)科的重要組成部分之一，是以現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用為主要目的，圍繞參數(shù)檢測和測量信號分析等信息，獲取處理技術(shù)進(jìn)行研究與開發(fā)的一門綜合性技術(shù)。為了監(jiān)督和控制某個生產(chǎn)過程或運(yùn)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(shù)，這就首先要求檢測這些參數(shù)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(shù)測量叫做檢測。

4、為實現(xiàn)參數(shù)檢測組建的系統(tǒng)稱為檢測系統(tǒng)或檢測裝置。檢測技術(shù)與自動化裝置是將自動化、電子、計算機(jī)、控制工程、信息處理、機(jī)械等多種學(xué)科、多種技術(shù)融合為一體并綜合運(yùn)用的復(fù)合技術(shù)，廣泛應(yīng)用于交通、電力、冶金、化工、建材等各領(lǐng)域自動化裝備及生產(chǎn)自動化過程。檢測技術(shù)與自動化裝置的研究與應(yīng)用，不僅具有重要的理論意義，符合當(dāng)前及今后相當(dāng)長時期內(nèi)我國科技發(fā)展的戰(zhàn)略，而且緊密結(jié)合國民經(jīng)濟(jì)的實際情況，對促進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造和鐵路技術(shù)裝備的現(xiàn)代化有著重要的意義。1.2水位檢測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展隨著我國經(jīng)濟(jì)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(nèi)容不斷增加，對觀測手段和方法以及水文監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)

5、和應(yīng)用提出了越來越高的要求。同時當(dāng)今的工業(yè)領(lǐng)域中液位檢測對許多自動控制方案來說都至關(guān)重要?，F(xiàn)代電子技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了水位監(jiān)測技術(shù)自動化的發(fā)展。水位監(jiān)測是采集、存儲、傳輸、處理等技術(shù)的集成。從傳統(tǒng)的水位監(jiān)測方式即人工監(jiān)測技術(shù)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(shù)字方式記錄的也很難方便的輸入計算機(jī)處理，其次數(shù)據(jù)處理基本靠人工處理判斷，費(fèi)時易錯，最后水位信息的采集、傳輸、處理的實時性和準(zhǔn)確性較差，無法適應(yīng)現(xiàn)代水文的需求。因此，要用自動化技術(shù)促進(jìn)水位監(jiān)測自動化的發(fā)展。1.3水位檢測系統(tǒng)設(shè)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

6、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(shè)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(jīng)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(zhǔn)確掌握水位情況，傳統(tǒng)的做法是安排人員進(jìn)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(xiàn)自動化監(jiān)測、數(shù)據(jù)化、智能化顯示、視覺或聽覺沖擊化報警，實現(xiàn)水位檢測一個完整的系統(tǒng)，那么工作人員便可以實現(xiàn)在操作室獲知整個設(shè)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(shè)計2.1

7、設(shè)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(shè)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(T1T5)只要得到基極電壓，就會導(dǎo)通并點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管(LED1LED5)。當(dāng)水箱中的水到達(dá)最低水位C時，晶體管T1導(dǎo)通，LEDl點(diǎn)亮；當(dāng)水位上升到水箱的1/4時，晶體管

8、T2導(dǎo)通，LEDl與LED2點(diǎn)亮；當(dāng)水位升到水箱的一半時，晶體管T3導(dǎo)通，則LEDl、LED2和LED3點(diǎn)亮；當(dāng)水位升到水箱的3/4時，晶體管T4導(dǎo)通，則LEDlLED4均點(diǎn)亮；當(dāng)水箱的水充滿，晶體管T5導(dǎo)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(diǎn)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(yīng)關(guān)系如表2.1所示。發(fā)光二極管應(yīng)安裝在容易監(jiān)視的位置。2.2整流電路的設(shè)計此次電源的設(shè)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(dāng)輸入電壓處于交流電壓正半周時，二極管D1、負(fù)載、

9、D3構(gòu)成一個回路，輸出電壓U3=U2-UD1-UD3。輸入電壓處于交流電壓負(fù)半周時，二極管D2、負(fù)載電阻RL、D4構(gòu)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(shè)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(shù)計算3.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱為LED（Light Emitting Diod

10、e），它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)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(shù)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(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)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(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越

11、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(fù)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(yīng)速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可用各種直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動點(diǎn)亮。它屬于電流控制型半導(dǎo)體器件，使用時需串接合適的限流電阻。常用的國產(chǎn)普通單色發(fā)光二極管有BT（廠標(biāo)型號）系列、FG（部標(biāo)型號）系列和2EF系列。常用的進(jìn)口普通單色發(fā)光二極管有SLR系列和SLC系列等。常用的進(jìn)口普通單色發(fā)

12、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(jù)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(shè)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(shè)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(jù)上面的電路圖可知： （3.1）即當(dāng)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(shù)180時，I=0.02A,令R1=10則： 180I1=I2 （3.2） R1I1+R2I2=7.7 （3.3）由（3

13、.2）（3.3）式可知：I1=0.00011A,R2=3843.2電阻在所設(shè)計的電路中，根據(jù)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(hù)電路的作用，因此應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠嗔恐?。所以?。篟1=10,R2=4003.3三極管半導(dǎo)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(guān)作用。三極管顧名思義具有三個電極。二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)成的，而三極管由兩個PN結(jié)構(gòu)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

14、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(nèi)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(biāo)在塑殼上，而樣子都一樣，都是TO-92標(biāo)準(zhǔn)封裝。在老式的電子產(chǎn)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

15、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(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、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(shè)計選取的是電壓式蜂鳴報警器。本設(shè)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?qū)щ娦缘陌雽?dǎo)體器件,能將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔?。通常它包含一個PN結(jié)，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(cè)附近產(chǎn)生儲存載流子，能通過大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7

16、V）,稱為正向?qū)顟B(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?qū)щ娦?。整流二極管可用半導(dǎo)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(jié)面積較大，能通過較大電流（可達(dá)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(shè)計選擇型號是2CP31的面結(jié)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(chǎn)品中都要用到，它原理簡單但根據(jù)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

17、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(dǎo)線之線圈，并且彼此以電感方式稱合一起。當(dāng)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(yīng)出具有相同頻率之交流電壓，而感應(yīng)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(Primamary coil);而跨于此線圈的電壓稱之為一次電壓。在二次線圈的感應(yīng)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(shù)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，

18、其上繞有一次與二次的線圈。基于鐵材的高導(dǎo)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(dāng)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(jié)合，其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數(shù)比相同。因此，變壓器之匝數(shù)比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標(biāo)。由于此項升壓與降壓的功能，使得變壓器已成為現(xiàn)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(jīng)濟(jì)，至于降壓變壓器，它使得電力運(yùn)用方面更加多元化，吾人可以如是說，倘無變壓器，則現(xiàn)代工業(yè)實無法達(dá)到目前發(fā)展的現(xiàn)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(jù)圖2.1時可知U1=220V,U2=

19、13.33V 變壓器線圈匝數(shù)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(shè)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(dǎo)線等。當(dāng)實際選件時發(fā)現(xiàn)實際的電阻和計算結(jié)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 ×

20、; l k" 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(dāng)知道管子的類型，即是NPN管，PNP管時，可直接將萬用表檔位調(diào)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(jīng)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(jīng)過測試知道了五個晶體三極管的放大倍數(shù)為：178、186、192、194、178，因此可

21、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(fù)極。測好各個元器件后進(jìn)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(xiàn)圖5 AltiumDesigner電路設(shè)計圖6.1電路原理圖圖6.2 PCB封裝圖6結(jié)論課程設(shè)計是一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機(jī)會，通過這次比較完整的水位檢測系統(tǒng)設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識的能力，同時也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、設(shè)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(jìn)行課程設(shè)計的

22、目的所在。在本次課程設(shè)計過程中，我的設(shè)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(jié)合。剛拿到設(shè)計題目時，我的課程設(shè)計是一個純硬件的設(shè)計。經(jīng)過自己對軟件的學(xué)習(xí)，最終我將硬件電路與軟件有機(jī)的結(jié)合在了一起，實現(xiàn)了硬件與軟件的同步檢測。此次設(shè)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(xué)的探討中，我將問題一一解決。順利如期的完成本次設(shè)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(shè)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?nèi)ジ玫难芯扛玫膭?chuàng)造的最大動力，只有發(fā)現(xiàn)問題面對問題才有可能解決問題。這次設(shè)計是對自己所學(xué)知識的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄