液位超限报警器的课程设计

皖西学院机电学院电信专业电子线路课程设计任务书液位超限报警器摘要：液位超限报警器在液位控制方面起着关键性的作用，设计一套性能优良，维护简单，运行可靠的液位超限报警器，具有非常大的现实意义。 国内外液位超限报警器种类繁多，但大多数价格昂贵，维护和修理也不方便，并且市场上大多数的液位超限报警器也都功能单一，不适合对其功能进行拓展，市场上当然也有些液位超限报警器价格比较便宜，但功能简单，体积比较大，容易出现故障。为此，我们便着手设计了一种使用方便，体积小，但是又能方便带大负载，维修简单的液位超限报警器。 本课程主要介绍了简易的液位超限报警器的电路设计和电路板的制作，这种电路主要由电压放大电路、单稳态触发器电路、报警电路组成。设计可利用压电陶瓷片作为液压传感器获得信号并将其转换为电压信号，由于传感器在实际的电路设计及电路板的制作中很难控制，且与该课题有点出入，所以本次的课程设计是用电压信号来模拟液压信号，经场效应管放大后触发由NE555集成芯片构成的单稳态触发器和多谐振荡器,输出电压驱动蜂鸣器工作。经过调试，实现课程要求。关键字：液位超限 NE555 单稳态触发器 多谐振荡器目录摘要 1引言3第一章 设计方案与电路31.1课题研究背景、目的和意义 31.2液压报警器的发展 41.3 电路设计 61.4 放大电路设计原理分析 71.5 门电路设计 81.6 时钟信号产生电路 91.6.1 Ne555 101.6.2 Ne555构成的单稳态触发电路 111.6.3 Ne5565构成的多谐振荡器 131.7窗口比较器 131.8蜂鸣器 14第二章 电路设计与焊接15 2.1电路原理图 152.2工作原理 162.3 电路板的制作过程 17 第三章 电路的调试 183.1调试方法过程183.2误差分析及解决方法19第四章 课程设计体会19致谢 20参考文献 21引言随着科学事业的逐渐发展，厂房高楼的逐渐增多，水短缺问题越来越严重。随着人类的破坏，原来的那个蔚蓝色的星球已经不再明澈，不再蔚蓝了，即将干枯。 地球上可被利用的水并没有人类想象的那么多，如果说将地球的水比作一大桶的话，那么我们能用的只有一勺；如果再让它们继续遭到人类的摧残，早晚有一天，它会消失的。随着社会的迅速发展以及世界人口数量的急剧增长，节约水源已经成为人们日益关注的热点，越来越多的人们关注水资源的保护问题，一般来说水资源的实际使用量低于正常使用量，经过调查表明这主要是因为水资源的浪费造成的。若能及时的预警那就可以避免不必要的浪费从而保护水资源。有一个报警系统对水源进行监控是非常有必要的。本次课程设计的目的：设计一个液位超限报警系统电路，由一个蜂鸣器通过是否正常鸣叫和发光二极管的灯亮的不同颜色来告诉使用者水位是否超限，用电压比较器来控制电压超限范围。首先通过放大电路对较低的液压进行液压放大，其次通过门电路来控制输入的电压信号，并用发光二极管的闪亮颜色及时间长短来表征出来，再次运用555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器来输出一矩形波信号，最后通过一个蜂鸣器来实现报警功能。当液压超过设定上下限值时产生报警及发光功能。和液压一样，这个电路也可用作电压超限报警器来使用。电压是日常生活，工业，医学，环境保护，化工，石油等领域最常用到的物理量。而且随着现代工业的发展，人们需要对工业生产中有关电压系统进行控制。会导致人生安全，所以需要用到电压报警控制器，如在工厂生产工作时电压不应过高以及过低，当电压超上下限值时，需要对工作人员给予警示，所以需要用到电压报警控制器。而且很多领域的电压可能较高或较低，有时人无法靠近或现场无，然而需人力来监控会导致人生安全，所以需要用到电压报警控制器。所以，对电压超限报警控制的研究液很重要。 现在我们初步了解液压的相关性能，运用最简单的模拟电路和数字电路对液压的控制，为以后对液压控制的深入研究打下了坚实的基础。第一章 设计方案与电路1.1课题研究背景、目的和意义研究背景 目前，我国水资源供需矛盾面临非常严峻的形势，在全国660多座城市中，缺水城市达400多个，其中严重缺水的城市108座。全国每年因缺水少产粮食近 800亿公斤。每年因缺水造成的经济损失达2000亿元。我国人均水资源仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列第110位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。缺水已成为影响我国经济发展、人民生活和环境改善的主要制约因素。 从人口的增长上看，2030年左右，我国人口将达到16亿，人均占有水资源量将比目前减少1/5，降至1700立方米左右；从经济增长上看，到21世纪中叶，国内生产总值要增长10倍以上，城市和工业用水将较大幅度增长，废污水排放量也将相应增加，开源节流保护任务十分艰巨；从城市发展看，21世纪中叶，我国的城市化率将达到70%，城市水供求矛盾更加尖锐；从农业生产，特别是粮食生产上看，2050年前，我国粮食产量要比现在增加1400亿公斤以上。因此，保护水资源显得尤为重要 目的和意义 保护水资源，水作为大自然赋予人类的宝贵财富，早就被人们关注。但是人们经常使用“水资源”一词，却是近一二十年的事。关于水资源的含义，有几十种之多，较普遍的说法是指“可以供人们经常取用、逐年可以恢复的水量”。也就是通常所指的淡水资源。这样，苦咸的的海水就不算在内，连千年难化的冰川、不易取用的一部分地下水也排除在外了。水落石出资源是人类调查了解得最清楚的资源，决不会像煤、铁、石油等资源那样有新的大发现而改变数量结构和分布。其实，水资源还应包括水所具有的发电、航运、养殖、环境等方面的能力。所以保护谁资源具有非常重大意义。 1.2液压报警器的发展液压学科学是一门年轻的科学仅有数百年历史。它开始于一位名叫布莱斯帕斯卡的人发现的液压杠杆传动原理。这一原理后来被称为帕斯卡定律。虽然帕斯卡作出了这一发现，但却是另一位名叫约瑟布拉姆的人，在他于1795 年制造的水压机中首次使液压得到了实际使用。在这一水压机中作为媒介利用的液体就是水。第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用,特别是1920年以后,发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的20年间,才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯发明了压力平衡式叶片泵,为近代液压元件工业或液压传动 的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁尼斯克(GConstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。第二次世界大战(1941-1945)期间,在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出,日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后 , 日本迅速发展液压传动,1956 年成立了“液压工业会”。近2030 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞 行 器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。1.3 电路设计 根据题目要求，若需要鉴别一个液压是否属于正常或不正常范围，可以利用窗口比较器。窗口比较器的传输特性如图5-1所示。 图 5-1当UHuIUL时，输出为低电平，而当uIUH或uIUL时输出为高电平，利用这一特性，就可以鉴别液压是否处于正常范围。如果是其他物理量（如温度）也可以通过传感器将其转换为电压量来实现报警。声音报警可利用555定时器构成的多谐振荡器来实现，断续声音可以由一个频率较低的振荡器去控制一个频率较高的振荡器来实现。1.4 放大电路设计原理分析 工作原理 1）静态工作分析由于V1管和V2管的基极都未加偏置电压，因此静态时，两管都不导通，静态电流为零，管子工作在截止区，电源不供给功率。由于电路对称，因此发射极电位为零，负载上无电流。 2）动态工作分析设输入信号为正弦电压ui，在正半周时，V1管发射结正偏导通，V2管发射结反偏截止，由+VCC提供的电流ic1经V1管流向负载，在负载RL上获得正半周输出电压uo。同理，在负半周时，V1管发射结反偏截止，V2管发射结正偏导通，由-VCC提供的电流ic2从-VCC端经负载流向V2管，在RL上获得负半周输出电压uo。可见，在ui的整个周期内，V1管和V2管轮流导通，相互补充，从而在RL上得到完整的输出电压uo，故称为补对称功率放大电路。 由于V1管和V2管均为射极输出器接法，因此uoui， （3）交越失真及其消除方法在上述电路中，V1管和V2管的基极都未加偏置电压，静态时UBE=0。由于三极管有一死区电压，当ui小于死区电压时，两管均不导通，输出为零，只有当ui增加到大于死区电压时，管子才导通，因此，当输入正弦电压ui时，在输出电压uo的正负半周交接处出现失真， 作用： 一般液压都比较小，输入信号会比较小，在实际焊接及调试中，找不到相应的电源，要经过一个电压的放大过程，使输入端信号更强，报警声音更响及发光二极管更亮。1.5门电路设计“门”是这样的一种电路：它规定各个输入信号之间满足某种逻辑关系时，才有信号输出，通常有下列三种门电路：与门、或门、非门（反相器）。从逻辑关系看，门电路的输入端或输出端只有两种状态，无信号以“0”表示，有信号以“1”表示。也可以这样规定：低电平为“0”，高电平为“1”，称为正逻辑。反之，如果规定高电平为“0”，低电平为“1”称为负逻辑，然而，高与低是相对的，所以在实际电路中要选说明采用什么逻辑，才有实际意义，例如，负与门对“1”来说，具有“与”的关系，但对“0”来说，却有“或”的关系，即负与门也就是正或门；同理，负或门对“1”来说，具有“或”的关系，但对“0”来说具有“与”的关系，即负或门也就是正与门。1） 二输入或非门 或非就是或的非的意思,也就是对或取反.或非的功能是将或功能的结果取反而得到的.所以如果或逻辑输出为1,或非逻辑则变为0,或逻辑输出为0,或非逻辑则变为1.这样就得到了或非门.2） 与门电路 又称“与电路”。执行“与”运算的基本门电路。有几个输入端，只有一个输出端。当所有的输入 同时为“1”电平时，输出才为“1”电平，否则输出为“0”电平。 与的含义是只有当决定一件事情的所有条件都具备时，这个事件才会发生。逻辑与也称逻辑乘。 与门表达式F=AB “与”门 用“AND”表示 3) 或门电路 又称“或电路”。执行“或”运算的基本门电路。有几个输入端，只有一个输出端。只要输入中有一个为“1”电平时，输出就为“1”电平，只有当所有的输入全为“0”电平时，输出才为“0”电平。 逻辑或也称为逻辑加。或门表达式为F=A+B “或”门电路状态表1.6 时钟信号产生电路1.6.1 555定时器555定时器产品有TTL型和CMOS型两类。TTL型产品型号的最后三位都是555，CMOS型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。555定时器的电路如图9-28所示。它由三个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电晶体管T、与非门和反相器组成。分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器C1的参考电压为，加在同相端；C2的参考电压为，加在反相端。是复位输入端。当=0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。正常工作时，=1。u11和u12分别为6端和2端的输入电压。当u11，u12 时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，即=0，=1，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。当u11，u12 时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，=1，=0，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端u0为高电平。当u11 时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。1.6.2 单稳态触发器前面介绍的双稳态触发器具有两个稳态的输出状态和，且两个状态始终相反。而单稳态触发器只有一个稳态状态。在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。单稳态触发器电路的构成形式很多。图9-29(a)所示为用555定时器构成的单稳态触发器，R、C为外接元件，触发脉冲u1由2端输入。5端不用时一般通过0.01uF电容接地，以防干扰。下面对照图9-29(b)进行分析。（1）稳态接通电源后，经R给电容C充电，当uc上升到大于时，基本RS触发器复位，输出u0=0。同时，晶体管T导通，使电容C放电。此后uc，则u0保持0状态。电路将一直处于这一稳定状态。(2) 暂稳态在t=t1瞬间，2端输入一个负脉冲，即u1)，若ucU1时，运放A1输出高电平；当Ui 。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。若选择U1U2，则当输入电压Ui越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。 若选择U2 U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。 此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。1.8蜂鸣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，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 ；蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。 蜂鸣器的结构原理1压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。 2电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。第二章 电路设计与焊接2.1电路原理图2.2 工作原理 1. 窗口比较器 在参考电路中窗口比较器由两个运算放大器、两个二极管和电阻组成，LM324内包含四个运算放大器，使用其中的两个运算放大器组成窗口比较器。 （1）当ULuiUH时，处于正常状态，A、B两点均为低电平，二极管不导通，再经或非门输出，绿色指示灯亮 。 （2）当uiUH时，图中A点为低电平，B点为高电平，所以或非门输出为低电平，绿灯灭。而或门的输出端为高电平，555振荡器产生频率较低的方波信号。此信号送至蜂鸣器从而发出断续的报警声音信号。同时，555的输出信号与B输出相与，使得黄灯闪烁， （3）当uiUL时，A点为高电平，B点为低电平，红灯亮。而或门的输出为高电平，555振荡器发出连续的报警声响。2.3 电路板的制作过程在插放元件前先用电工刀将电路板的外型设计好，是否与它的外壳相匹配。要注意插入边沿的元件后，能否盖上外壳。在插放元件的时候，最好对个元件的性能进行检测，我们所购买的都不是军用元件，存在一定的误差。不同的三极管引脚排列顺序不一样，对电阻、电容、电解电容、二极管、三极管、可控硅、稳压二极管 、集成电路等的识别及检测焊接的时候应注意烙铁的温度，最好不要在电风扇下面，以免风扇影响烙铁头的温度。同时要注意焊接技术，不要出现尖角，剪除引脚的时候，引脚不要留的太长，避免不必要的干扰。第三章 电路的调试3.1调试方法过程按电路图焊接组装好后，可进行调整，主要是调整电路的接收灵敏度。调整时，一边发出响声，一边调整RP，使电路被触发，发出报警声。电路中的其他部分只要组装正确，一般不需调整即能正常工作。3.2 误差分析及解决方法1）产品在规定的条件下、规定的时间内，不能完成规定的功能，称为故障。故障的类型有损坏性故障和漂移性故障。损坏性故障包括性能全部失效和突然失效。这类故障通常是由元器件的损坏或生产工艺不良(如虚焊等)造成。 漂移性故障是指元器件的参数和电源电压的漂移所造成的故障。例如：温度过高会导致电阻阻值的变化，此时设备表现为时好时坏。事实上，环境温度、元件制造工艺、设备制造工艺、使用时间、储存时间及电源负载等因素都可能导致元器件参数的变化，产生漂移性故障。无论是损坏性故障还是漂移性故障都将使系统误报警，要减少由此产生的误报警必须提高产品的设计水平和工艺水平，在作系统设计的同时，还需作可行性设计，如冗余设计、三防设计(防潮、防盐雾、防霉菌)等。在此基础上，提高产品制造过程的可行性，如对元器件质量的严格筛选；2）设计要求十分熟悉报警器的原理、特点、适用范围和局限性。排布元件时要注意元件与元件之间的干扰。3）报警器安装位置、安装角度、防护措施以及系统布线等方面。例如：将被动红外入侵探测器对着空调、换气扇安装时，将会引起系统的误报警；室外用主动红外探测器如果不作适当的遮阳防护(有遮阳罩的最好也作防护)，势必会引起系统的误报警；报警线路与动力线、照明线等强电线路间距小于1.5m时，而未加防电磁干扰措施，系统亦将产生误报警。4）由于用户使用不当常常会引起报警系统的误报警。例如：打开报警器后发射与接收之间有物体阻隔。5）由于环境引起的误报警是指报警系统在正常工作状态下产生的，从原理上讲是不可避免的，而事实又是不需要的，属于误报警。例如：老鼠在防范区出没；宠物在居室内走动等。随着传感技术、计算机技术的发展，大规模集成电路的推广应用，报警系统智能化程度将不断提高，环境噪扰引起的误报警现象必将随之降低。第四章 课程设计体会在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在做单片机课程设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，而我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。 其次，在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：Proteus 、 Multisim、模拟和数字电路知识等。虽然有些知识过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。最后，在设计过程，好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。通过这次课程设计我