太阳能热水器水位温度显示电路的设计与制作

理工类XX职业技术学院毕业教学成果理工类目录摘要1Abstract:2引言31电路设计与分析41.1设计要求及思路41.2电路的设计42单元电路设计与分析52.1电源电路的设计与分析52.1.1电源电路的设计52.1.2电源电路的分析62.2温度显示电路的设计与分析62.2.1温度显示电路模块核心芯片介绍62.2.2温度显示电路模块设计82.2.3温度显示电路模块分析92.3水位显示及超水位报警电路设计与分析92.3.1水位显示及超水位报警电路模块核心芯片介绍92.3.2水位显示及超水位报警电路模块设计102.3.3水位显示及超水位报警电路模块分析113总电路设计与分析113.1总电路的设计113.2总电路的分析124实物制作与调试134.1实物制作134.1.1PCB图绘制134.1.2焊接134.2调试14结论与谢词15参考文献16附件1.元器件清单17附件2.实物焊接板18太阳能热水器水位温度显示电路的设计与制作信息工程学院应用电子技术专业XX摘要：为解决太阳能热水器的水位与水温自动控制问题，设计了太阳能热水器水位温度显示电路。电路设计实现了水温的实时监测功能，并将水位多级化显示，当超水位时电路还具备报警提示功能，防止水资源浪费。电路主要由LM3914和CD4069以及相关的外围电路构成。基于中规模集成芯片的太阳能热水器水位温度显示电路具有控制简单、使用方便、本钱低廉等优点。关键词：太阳能热水器；温度检测；水位检测DesignofWaterLevelandTemperatureDisplayforSolarWaterHeater(MajorofAppliedElectronicTechnology,InformationandEngineeringCollege,XXCollegeofVocationandTechnology,Abstract:Tosolvesolarwaterheaterthewaterlevelandwatertemperatureautomaticcontrol,designasolarwaterheaterwaterlevelandwatertemperaturedisplaycircuit.Circuitdesigntoachieveareal-timemonitoringfunctionofwatertemperature.Andmulti-leveldisplayofwaterlevel，Circuitalsohasasuper-waterlevelalarmfunctionstopreventthewasteofwaterresources.CircuitmainlybytheLM3914andtheCD4069andrelatedperipheralcircuits.Thesolarwaterheaterwaterlevelandtemperaturedisplaycircuitisbasedonamediumscaleintegratedchip,Havesimplecontrol,easytouseandlowcostcharacteristics.keyword:SolarwaterheaterTemperaturetestingWaterleveldetection引言在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济开展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续开展和在日后的开展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、平安等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的开展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。太阳能热水器已成为我国第一个实现商业化的可再生能源产业。自1998年起，中国就成为太能热水器第一大制造和消费的市场，现已经开展成为一个重要的产业。目前，太阳能热水器与电、燃气热水器三分热水器市场，是可再生能源产业领域的第一个商业化的产品。2007年，我国太阳能热水器年产量达2340万平方米，比2006年同期增长30%；总保有量达10800万平方米，比2006年同期增长20%。市场销售额约为320亿元人民币。目前太阳能热水器已在我国城乡开始推广使用，主要供给生活和洗浴热水，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和应用国。太阳能热水器节能减排，实现能源替代，效果显著。经过两年多的实践，人们认识到太阳能热利用是投资少、见效快、经济实用、节能减排，实现我国能源替代的一个好产业，国家也正大力扶持和支持，学校、宾馆、饭店、洗浴中心纷纷建设太阳能洗浴系统，太阳能热水器的市场存在扩大空间。新农村建设与建筑节能也为太阳能热水器的应用推广带来机遇。1电路设计与分析1.1设计要求及思路设计电路应实现水位的显示和温度的显示两个根本功能，应用于太阳能热水器室内观察水位水温之用，防止上水时溢出造成浪费和洗澡时缺水造成的为难。设计电路应到达两个要求：1.温度指示由十个指示灯组成，根据温度上下点亮不同数量的指示灯。2.水位指示电路由四个指示灯组成，根据水位上下点亮不同数量的指示灯，并且当水位到达最高水位时能发声报警。分析电路应由电源开关电路、温度显示电路和水位显示及超水位报警电路等电路组成。实现第一个要求判定可以使用一个LM3914来驱动，实现第二个要求可以考虑使用一个4069六反相器来完成。本设计有以下特点：可靠性高、本钱较低、制作简单、体积小、重量轻、消耗小、易于系统设计、操作方便，实用性强，不容易损坏；适应性广，不但适用太阳能热水器，可以应用于各种需要控制抽水的地方，如自来水储水箱、水塔等。1.2电路的设计基于电路的根本功能，对电路的总体框架设计分别如图1-1、1-2、1-3所示：图1-1电源电路设计框图图1-2温度显示电路设计框图图1-3水位显示及超水位报警电路设计框图在对整个电路设计都是以上面的三幅框图的思路为根底，再对此进行相关的外围电路扩展，最后完成对整个电路的整体设计。2单元电路设计与分析2.1电源电路的设计与分析电源电路的设计任何电源都会有或多或少的干扰信号，这些信号对电路特别是对精度要求较高的电路会产生不可估量的影响，因此，在对电源电路的设计中参加了简单的稳压滤波局部，同时加上开关电源局部构成一个完善的电源电路。各局部电路的设计分别如图2-1、2-2所示：图2-1电源稳压滤波电路图2-2开关电源电路电源电路的分析由图2-1可以看出，电源通过一个DC头接入板子，经过一段简单的滤波和稳压进入开关电源局部。在滤波电路里的拨动开关S3为整个电路的总开关。开关电源电路局部由Q1、Q3、Q5、S2(按钮开关)、D3〔电源指示灯〕及相关的外围元件组成。在未按动S2时，电路里的三个三级管Q1、Q3、Q5均处于截止状态，无电源输出，电源指示灯D3〔红色〕不会点亮。此时4.5V电压经过电阻R2和R5向电容C2充电。当第一次按下S2瞬间，电容C2快速放电，三级管Q1、Q3导通，4.5V电源经三级管Q1集电极输出，红色的电源指示灯亮起，同时Q5由于Q1和Q3的导通也进入导通状态。再次按下S2时，三级管Q1、Q3截止，电源关断电源指示灯熄灭，三级管Q5也截止，开关电源电路局部停止工作。2.2温度显示电路的设计与分析温度显示电路模块核心芯片介绍LM3914是10位发光二极管驱动器，它可以把输入模拟量转换为数字量输出驱动10位发光二极管来进行点显示或柱显示。内部原理图如图2-3所示。图2-3温度显示电路LM3914各引脚主要功能如下：引脚主要功能引脚主要功能1接发光管负极10接发光管负极2地11接发光管负极3正电源12接发光管负极4发光管最低亮度设定13接发光管负极5信号输入14接发光管负极6发光管最高亮度设定15接发光管负极7基准电压输出16接发光管负极8基准电压设定17接发光管负极9模式设定18接发光管负极LM3914参考电压源输出约5V，即在7脚和8脚之间维持一个5V的基准电压Vref，该基准可以直接给内局部压器使用，这样当Vin〔5脚〕输入一个0～5V电压时，通过比拟器即可点亮0～10个发光二极管。LM3914的9脚为显示模式转换端，将该脚接地或悬空时，显示模式为点状(LED单级发光)；将该脚接正电源端(Vcc)时，显示模式为线状(逐级发光)。温度显示电路模块设计温度显示电路模块主要由温度传感器〔负温度系数热敏电阻〕、U1(LM3914)、Q2、Q4及发光二极管〔绿色〕等元器件组成。整个功能的实现都是靠LM3914控制的。电路原理图如图2-4所示。图2-4温度显示电路温度显示电路模块分析温度显示电路工作时，接插件J1连接的负温度系数热敏电阻因温度变化而产生变换的电压，该模拟信号从LM3914的5脚(输入端)输入，经输入缓冲器放大后，送至10级电压比拟器的反相输出端，与各电压比拟器正相输大端的分压器上基准电压进行比拟。每级分压器上的基准电压为0.125V，逐级比拟电平分别为0.125V、0.25V、0.375V、0.5V…1.25V。当输入模拟信号电压低于0.125V时，10级比拟器均输出高电平；当输入信号电压高于0.125V时，电压比拟器1输出低电平(1脚)；当输入信号电压高于0.25V时，电压比拟器2输出低电平(18脚)…当输入信号电压高于1.25V时，电压比拟器10输出低电平(10脚)。现将这10个输出端接上发光二极管，即可线性地显示出输入模拟信号的大小。在本设计中将LM3914的9脚接正电源端，故点亮的LED为柱状的。根据负温度系数热敏电阻的工作特性及电路原理最终可以看到的现象是随着温度的升高，点亮的LED数目增多。在该电路中有一个温度显示延时开关S1，按下按钮开关S1的瞬间，三极管Q2导通，由于Q2的导通使三极管Q4也导通，Q4导通后U1〔LM3914〕的3脚有电源，LM3914开始工作。S2断开后Vcc向电容C1充电，Q2和Q4维持导通状态，随着电容C1的电压的上升，三极管Q2基极的电压将小于0.7V，无法维持Q2导通。Q2截止后Q4也会由导通变截止，此时LM3914的3脚无电压输入，芯片停止工作。2.3水位显示及超水位报警电路设计与分析水位显示及超水位报警电路模块核心芯片介绍CC4069是由六个COS/MOS反相器电路组成，此器件主要用作通用反相器，即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。芯片内部主要结构见图2-5所示。图2-54069内部主要结构CD4069为CMOS数字集成电路，是一种高输入阻抗器件，容易受外界干扰造成逻辑混乱或出现感应静电而击穿场效应管的栅极。虽然器件内部输入端设置了保护电路，但它们吸收瞬变能量有限，过大的瞬变信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用。CMOS集成电路输出0电位在0.4V以下。输出1电位在2.4V以上。在5V电源电压下，要求输入0电位不要超过1.5V，输入1电位不要低于3.5V。使用CD4069的任意两个非门外加两个电阻一个电容可构成一个典型的多谐振荡器电路，该多谐振荡电路周期可调:T=2.2RC。水位显示及超水位报警电路模块设计水位显示及超水位报警电路主要由U2(4069六反相器)、Q6、发光二极管〔红色〕、蜂鸣器及其他元器件组成。水位由发光二极管模拟显示，U2E、U2F、R23、R24、C8组成多谐振荡器，为蜂鸣器提供矩形波。水位显示及超水位报警电路原理图如图2-6所示。图2-6水位显示及超水位报警电路电路图中的J2为一个接插件，接入的信号为水位的位置，水位示意图如图2-7所示。图2-7水位示意图水位显示及超水位报警电路模块分析整个水位显示及超水位报警电路工作原理为，当水箱水位低于A点时，水位指示灯全灭，显示当前水箱无水，应给予水箱加水；当水箱水位到达为A位置时六反相器4069的1脚为低电平0，那么2脚经过非门电路的作用得到一个高电平，指示灯LED16点亮，显示当前水位为1挡；当水箱水位到达B位置时，六反相器4069的1脚和3脚都得到一个低电平，那么2脚和4脚输出高电平，指示灯LED16和LED15点亮。由此可以知道，水位的显示也是柱状点亮的，能很形象的显示水位的上下。当水位到达D点位置时，水位指示灯全亮，同时，蜂鸣器发出滴滴的报警声。提示用户水箱已满，可以停止加水。用U2E、U2F、R23、R24、C8组成多谐振荡器电路原理为：当反相器U2F输出正跳时，电容C8立即使U2E输入为“1〞，输出为“0〞。电阻R24为C8对反相器输出提供放电通路。当C8放电到U2E的转折电压时〔为1/2电源电压〕，U2E输出为“1〞，U2F输出变为“0〞。电阻R24连接在U2E的输出端对C8反方向充电。当C8被充电到U2E的转折电压时，U2E输出为“0〞，U2F输出为“1〞，于是形成周期性多谐振荡器。其振荡周期T=2.2*R24*C8=0.726S。电阻R23是反相器输入端保护电阻，接入与否并不影响振荡频率。3总电路设计与分析3.1总电路的设计总电路的设计是在电源电路、温度显示电路、水位显示及超水位报警电路的根底上整合出来的，电路图如下列图3-1。图3-1总电路图3.2总电路的分析插上DC头，接入一个4.5V的电压。当未拨动开关S3〔电源总开关〕时，整个电路是没有电压的，所有的模块电路都无法工作。当拨动S3后，4.5V的电压首先经过一段滤波和稳压电路，然后将电压送给开关电源模块。开关电源模块中有一个按钮开关S2，此开关为电路的启动开关。在S3合上没有按下S2的情况下，后续的水位和温度显示电路局部还是处于未工作状态，此时假设按下S2，开关电源电路开始工作，稳定的输出4.5V的电压。开关电源局部的工作状态可以通过该局部的一个指示灯D3〔红色〕显示出来——指示灯亮的时候说明电路处于工作状态即开关电源电路在向后续电路输出4.5V电压，反之，那么说明电路处于未工作状态。在得到开关电源电路提供的4.5V电压后，水位显示及报警电路开始工作：判断六反相器的1、3、5、9号引脚当前电压为高电平还是低电平。假设当前水为最高水位，那么1、3、5、9号引脚的电压都为低电平，此时经逻辑电平转换2、4、6、8号引脚输出高电平，使水位指示灯全部亮起，同时电路中的多谐振荡电路也开始工作，输出周期为0.726S的矩形波使得蜂鸣器发出滴滴的报警声。在电源指示灯亮着的情况下，按下温度显示延时开关，温度显示电路开始工作，LM3914开始检测5脚的温度输入的电压信号，通过LM3914的内部工作即电压的比拟判断对10--18号和1号引脚输出什么样的电平，如果输出的是一个低电平那么点亮一个温度指示灯，通过对点亮的LED的数目判断水温的上下。温度显示的指示灯在点亮一段时间后会自动熄灭，如需再次显示需再次按下温度显示延时开关S1。4实物制作与调试4.1实物制作PCB图绘制根据设计好的原理图，通过AltiumDesignerWinter09软件转换绘制PCB。AltiumDesignerWinter09提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。AltiumDesignerWinter09在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB幅员设计、编辑和制造，并集成了现代设计数据管理功能。在本PCB设计中，LM3914的封装以及整体的布局是难点。因为LM3914这块IC的使用并不算太多，所为软件库里没有找到相对应封装，这时有两种方案可以选着：1，根据IC的实际大小、引脚距离绘制一个新的封装；2，寻找相同的封装代替。在查阅了相关的资料后可以发现它的封装与双列直插的18脚的IC是一样的，因此，这里用了一个18脚IC的封装代替。PCB图如图4-1。图4-1PCB图焊接焊接是电子产品的装配的重点，具有很高的工艺要求。焊接前首先要对元器件进行成型，然后按先低后高、先小后大的原那么进行焊接。结合本设计，首先应把稳压二极管1N4148焊好，之后依次为电阻、瓷片电容、LED、开关、三级管、IC座、电解电容、蜂鸣器。因为焊点的好坏很大程度上影响着整体功能的实现，对手工焊接中极易出现的虚焊、球焊和拉尖现象要防止出现，以免实物的整体功能无法实现功能。由于PCB的局部焊盘较多〔IC附近的10个LED的焊盘〕，焊接是要应注意不能出现桥接。4.2调试首先通过DC头接入了4.5V直流电压，拨动电路的总开关S3后，在按下按钮开关S2，发现电路没有反响。在试着按下S2后电源指示灯亮起，模拟水位可以正确显示出来。再次按下S2时电源指示灯和水位指示灯都熄灭。在按下S2时，电路又没反响，屡次按下S2后，电源指示灯亮起。初步疑心开关电源电路局部有焊接不良。在修补焊点后重新上电测试，发现还是一样，只有在屡次按下S2后电路才有反响，同时发现，在水位显示正常的情况下，按下S1即温度显示启动按钮时，可以显示正确，但所有的LED都会出现闪烁和变暗的现象，在满水为的时候蜂鸣器的报警声音较小。通过对电路的检测和分析，判定温度显示电路模块和水位显示及超水位报警电路模块都没有问题，问题应该出在开关电源局部的功率缺乏。在将电源局部的一个100K的电阻R5用10K的电阻替换，将3.3uF电容C2用4.7uF来代替，再次上电时现象得以稍微改善。经屡次调试，发现开关电源局部的作用不大，由于在稳压滤波电路局部有总电路开关，该开关即可到达控制电路电源的目的，故最终在实物调试时选择将三级管Q1的发射极和集电极短接即把开关电源局部忽略，使4.5V的电压在总开关S3的控制下直接送给水位温度显示电路，整个电路功能得以实现。结论与谢词在完成整个毕业设计的过程中，将所学的专业理论知识与实际开发实际结合起来，理论联系实际，提高了专业技能，对专业知识有了更深入的理解和认识，扩展了知识面，从课题立项、方案论证、理论设计、线路图绘制、制版设计到电路焊接与调试，全面了解和掌握了课题开发的根底方法和步骤，不管是实物的制作还是论文的撰写都使我获益匪浅。在电路设计时接触到了大量模拟电路和数字电路知识，因为模拟电路和数字电路知识都是在大一的时候学的，之后学习的都是单片机的相关知识，所以遗忘的比拟多，而在这次设计时，重新拿起了大一的课本复习了一遍，对模拟电路和数字电路有了更深入的理解。在绘制PCB图时涉及到了电子线路板设计等知识，因绘制PCB时选择了一款应用较广的新软件，不但提高了自己的自学能力，还掌握了一门新的技能，对自己将来就业有很大地好处。在实物制作时应用了电子电路调试等相关技能，在这个实物制作的过程学到的东西是相当多的了，在电路中运用到的各种各样的元器件都需要自己去选型，对相关参数的考虑，这个如果没有自己设计制作过是完全无法了解其重要性的。单单拿一个电容来说，以前考虑的时候往往只注意到它的容量，从来没有考虑过它的耐压值，却未曾想到耐压值的选取对电容是至关重要的。在对论文的撰写过程中，很大程度的锻炼了我对资料的收集分析和整理的能里，同时对word的标准使用也是一个很好的锻炼时机。在本论文的写作过程中，我的导师XXX老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在论文设计的各个阶段提出了许多有益的建议，让