电池电压指示器

1、郑州科技学院模拟电子技术课程设计题 目 电池电压指示器 学生姓名 专业班级 10级自动化（3）班 学 号 院 （系） 电气工程学院 指导教师 完成时间 2012年11月2日 目 录1 课程设计的目的11.1 设计概述11.2 设计目的12 课程设计的任务与要求22.1 设计的任务22.2 技术要求23 设计方案与论证23.1 设计思路23.2 方案论证34 设计原理及功能说明34.1 设计原理34.2 功能说明35 单元电路的设计与说明45.1 单元电路的设计及分析45.2处于不用状况下电路分析56 硬件的制作与调试96.1所选元件的工作原理96.2 硬件的制作126.3 硬件的调试137.

2、总结13参考文献15附录1：总体电路原理图17附录2：元器件清单18171 课程设计的目的1.1 设计概述随着科技的发展和社会的进步，人们的环保意识和能源节约意识也不断增强，所以如何正确反应我们对身边能源的使用情况，也是我们当代大学生应该努力去设法解决的问题。我利用这次模拟电子课程设计的机会，利用所学电子技术基础的相关知识，设计了一个电池电压指示器。电池电压指示器能鉴别电池的供电能力，检验汽车发电机及调节器的效率,以帮助司机正确处理汽车电池供电方面的问题，从而起到对能源充分利用的目的。本次实习设计的是一个10V到15V电池电压指示器，利用稳压管的稳压作用，三极管的放大作用，电池处于不同电压值时

3、可以让发光二极管处于不同的发光状态。当电池电压小于11V时，只有红色发光二极亮，黄色、绿色二极管都不亮；当电池电压大于11V小于12V时，红色，黄色二极管亮，绿色的仍不亮；当电池电压大于12V小于13V时，黄色的二极管亮，红色，绿色的灭：当电池电压大于13V小于14V时，黄色，绿色的二极管亮，红色灭；当电池电压大于14V时，可以通过调节滑动变阻器来改变通过三级管Q3,Q4的电流，从而让黄色和绿色二极管处于不同的亮灭状态。 1.2 设计目的 一、利用所学电子技术基础来进行综合性设计实验，巩固所学理论知识，同时锻炼自己的动手能力。 二、熟悉掌握各元器件的原理及工作模式和工作环境。 三、学会如何查找

4、器件手册及其参数，进而熟练运用所学元器件来完成设计。 四、学会利用Multism软件来绘制电路原理图及框图，并进行电路的仿真实验。 五、提高对电路的分析计算能力。 六、提高自身专业方面的实际应用通过这次的课题研究我们希望在理清一项科技发明的发展脉络上进一步了解它的发明原理，将平时所学知识运用到实践探索上来，这对提高我们的动手能力，创新意识，及思维锻炼无疑是一个重大突破。2 课程设计的任务与要求2.1 设计的任务该课程设计的任务是设计一个电池电压指示器，通过发光二极管的亮灭状态来间接显示电池电压的大致范围。2.2 技术要求1.会选择合适的元件并连接成正确的电路，能通过发光二极管的亮灭情况来反应电

5、池的电压范围。2.会利用仿真软件对所设计电路进行仿真实验，在仿真成功的基础上才能进行后续实验。3.能正确焊接电路，使其能完成相关功能。4.能正确演示自己所设计电路，并能正确分析每个情况发生的原因。3 设计方案与论证 3.1 设计思路 晶体管发光二极管稳压管指示电源电压电源电压图3-1 思路流程图图3-1所示便是我设计电池电压指示器设计思路方框图，通过稳压管的稳压作用对电压进行控制，不让其对无关项有所影响，再通过晶体管对电压的放大作用，对来自不同幅值的电压进行处理，并将相关的变化反应在发光二极管上，从而指示电源的的电压。3.2 方案论证当电池电压小于11v时，由于稳压管的稳压作用，稳压管Z1、Z

6、2都不会被反向击穿，其对应支路没有电流流过，三极管Q2、Q3、Q4截止，LED2、LED3都不亮，但此时三极管Q1处于导通状态，三极管Q1具有电流的放大作用，集电极的电流放大，电流流过LED1，红灯亮。当电池电压上升到11V时，Z1稳压管导通，Z2稳压管任然截止，此时三极管Q2导通，故LED2黄灯亮，这时，Q2集电极和发射极之间的电压还能使三极管Q1保持导通，所以LED1仍亮着。当电池电压上升到12v时，Q1仍然导通，但流过集电极的电流过小，不足以使LED1红灯点亮，所以红灯熄灭，黄灯任然亮着。电池电压继续上升到13v时，稳压管Z2也导通，电源（电池）经过Z2、R6供给Q3、Q4基极电流，Q3

7、、Q4导通，LED3亮。电池电压升到14v时，Q1、Q2、Q3、Q4都导通，但是通过调节R6的阻值大小，使大部分电流通过Q3的集电极流入Q2的集电极，此时流过LED2的电流很小，故这时LED2熄灭。而且，本电路可采用不同稳压值的稳压管来修正不同的电压值范围。4 设计原理及功能说明4.1 设计原理图4-1 电池电压指示器原理图4.2 功能说明电池电压指示器能鉴别电池的供电能力，检验汽车发电机及调节器的效率。本次实习设计的是一个10V到12V电池电压指示器，当电池U<11V时，红色发光二极亮，黄色、绿色二极管灭；当电池电压11V<U<12V时，红色，黄色二极管亮，绿色的灭；当电池

8、电压12V<U<13V时，黄色的二极管亮，红色，绿色的灭：当电池电压13V<U<14V时，黄色，绿色的二极管亮，红色灭；当电池电压U>14V时，只有绿色二极管亮。5 单元电路的设计与说明5.1 单元电路的设计及分析图5-11、图5-1所示为其第一部分，主要用来检测当电源电压在低于11V的情况。此部分电路主要利用了晶体管对电流的放大特性和稳压管的的反向稳压特性，能使流过LED2的较小电流放大为可以使LED1正常发光的电流，而稳压管的稳压作用则直接影响着LED2的亮灭情况，只有当稳压管D1反向导通时，才会有电流流过晶体管Q2的基极，从而使处于晶体管Q2集电极的发光二极

9、管LED2发光。而且稳压管D1也阻止了其支路电流对LED1的影响。此电路中的电阻R1、R2、R3、R4、R5不仅对各支路起到了保护作用，同时在必要时刻也起到了分压的作用，从而影响发光二极管的亮灭。图5-22、图5-2所示是第二部分，主要对LED1和LED2产生影响，利用三极管的放大特性和稳压管的稳压特性来影响两个灯的亮灭状况的。而且，当晶体管Q3、Q4起作用时，还可以通过调节滑动变阻器来间接对LED2、LED3产生影响，具体情况将在下面进行分析。5.2处于不用状况下电路分析1、当电源电压低于11V时（假设此时为10V）, 只有红灯亮,仿真电路图如5-3所示：图5-3三极管Q1基极与发射极之间电

10、压为0.735v,处于导通状态。又因Q1集电极与发射极之间电压为2.08v，所以Q1处于放大区，LED1亮。稳压管D1没能反向击穿，所以流过它的电流是反向饱和电流，几乎为零。Q2的基极与发射极电压为0.153v小于导通电压0.7v，所以Q2截止，LED2的电流为77.136mA，流经LED2的电流太小不足使它发光，所以LED2不亮。又因D3的反向击穿电压为12v，所以其处于反向截止状态，流过它的电流几乎为零。Q3、Q4的基极与发射极电压分别为负的9.007mv、负的9.001mv，发射结反偏，Q3、Q4都处于截止状态，所以灯LED2、LED3灭。2、当大于11V而小于12V时（假设此时为11.

11、5V）, 红灯和黄灯同时亮,仿真电路图如5-4所示：图5-4Q1基极与集电极之间电压为718.362mv，集电极与发射极电压为8.091v，所以Q1处于放大状态，灯LED1亮。此时稳压管D1已反向击穿处于稳压状态，Q2基极与发射极两端电压为756.323mv，集电极与发射极之间电压为1.998v，所以Q2导通且处于放大状态，Q2基极电流经放大足使LED2发光。稳压管D2的击穿电压为12v，所以此时处于截止状态。Q3、Q4的基极与发射极的电压分别为负10.495mv、负1.889mv，所以它们都处于截止状态，故LED3不亮。3、当电源电压大于12V而小于13V时（假设此时为12.5V）,只有黄灯

12、亮,仿真电路图如5-5所示：图5-5此时稳压管D1仍处于反向击穿状态，Q2集电极与发射极之间电压为0.178v，基极与发射极之间电压为0.837v,所以Q2处于饱和区，LED2亮。由于Q2基极与发射极之间电压小于Q1基极与发射极导通电压，故Q1处于截止状态，所以LED1不亮。D2两端电压为11.892v，所以D2仍截止，此时Q3、Q4基极与发射极之间电压为负1.304mv负9.86mv,所以Q3、Q4仍截止，故灯LED3仍不亮。4、当电源电压大于13V而小于14V时（假设此时为13.5V），黄灯和绿灯亮,仿真电路图如5-6所示：图5-6此时稳压管D1、D2均反向击穿，流经它们的电流都比较大，Q

13、2的基极与发射极电压为0.859v，集电极与发射极电压为0.217v，处于饱和区仍使LED2发光，其集电极与发射极电压太小使Q1截止，所以LED1灯灭。Q3、Q4基极与发射极之间电压分别为0.826v、0.927v,集电极与发射极之间电压分别为负0.576v、0.476v，所以Q3、Q4均处于放大区，流过LED3的电流足够使它发光。 5、当电源电压大于14V时（假设此时为15V，滑动变阻器为600欧），黄和绿灯亮,仿真电路图如5-7所示：图5-7此时稳压管D1、D2均反击穿，Q3、Q4的基极与发射极之间电压分别为负的1.21v、负的1.14v,集电极与基极之间电压分别为2.864v、2.756

14、v，所以Q3、Q4处于饱和区，灯LED3亮。流过LED2的电流为0.151mA，仍能使它发光。经测量Q2基极与发射极之间电压为0.865v、集电极与发射极之间电压为0.189v，所以Q2仍处于饱和区，故Q1截止LED1灭。6、当电源电压大于14V时（假设此时为15V，滑动变阻器为1000欧），只有绿灯亮,仿真电路图如5-8所示。经调节滑动变阻器使R为1000欧流经LED2的电流过小2.828mA，不足使它发光。Q2的基极与发射极之间电压为0，处于截止状态，使Q1也处于截止状态，灯LED1不亮。图5-86 硬件的制作与调试6.1所选元件的工作原理一、稳压二极管1、稳压二极管的基本特性稳压二极管是

15、一种用特殊工艺制造的面接触型半导体二极管，这种管子的掺杂度高，击穿电压值低，正向特性和普通二极管一样。当反向电压加到某一定值时，反向电流剧增， 产生反向击穿，反向击穿特性很陡峭。击穿时通过管子的电流在很大范围内变化，而管子两端的电压却几乎不变，稳压二极管就是利用这一特性来实现稳压的。可见，稳压管就是工作在反向击穿状态下的硅二极管，因此，在使用时，稳压管必须反向偏置。2、稳压二极管的工作原理:稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡， 稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管

16、反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。在实际电路中，要使用好稳压二极管，应注意如下几个问题：（1）要注意一般二极管与稳压二极管的区别方法。不少的一般二极管，特别是玻璃封装的管，外形颜色等与稳压二极管较相似，如不细心区别，就会使用错误。区别

17、方法是：看外形，不少稳压二极管为园柱形，较短粗，而一般二极管若为园柱形的则较细长；看标志，稳 压二极管的外表面上都标有稳压值，如5V6，表示稳压值为5.6V；用万用表进行测量，根据单向导电性，用X1K挡先把被测二极管的正负极性判断出来，然后用X10K挡，黑表笔接二极管负极，红表笔接二极管正极，测的阻值与X1K挡时相比，若出现的反向阻值很大，为一般二极管的可能性很大，若出现的反向阻值变得很小，则为稳压二极管。（2）注意稳压二极管正向使用与反向使用的区别。稳压二极管正向导通使用时，与一般二极管正向导通使用时基本相同，正向导通后两端电压也是基本不变的，都约为0.7V。从理论上讲，稳压二极管也可正向使

18、用做稳压管用，但其稳压值将低于1V，且稳压性能也不好，一般不单独用稳压管的正向导通特性来稳压，而是用反向击穿特性来稳压。反向击穿电压值即为稳压值。有时将两个稳压管串联使用，一个利用它的正向特性，另一个利用它的反向特性，则既能稳压又可起温度补偿作用，以提高稳压效果。二、发光二极管1、发光二极管的工作原理:当电流流过时，发光二极管发光，光的颜色由二极管的材料决定。发光二极管通常用作显示器件，工作电流一般在几毫安至几十毫安之间。2、二极管管脚的判断:二极管极性的识别是非常重要的，因为二极管具有单向导电性，所以在很多场合下，对其在使用时极性的正确与否是很重要的，在安装到电路上之前，即使管壳上的标志很清

19、楚，也应用仪器核实其是否正确，方可使用。3、二极管极性识别方法如下：用数字万用表只需把万用表拨到欧姆档，两只表笔分别接一个被测电极，若万用表显示的值很大，则红表笔一端为二极管的负极，黑表笔一端为二极管的正极; 若万用表显示的值很小，则红表笔一端为二极管的正极，黑表笔一端为二极管的负极。4、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。三、晶体三极管 晶体三极管的工作原理:三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C、基极B、发射极E，分成NPN和PNP两种三极管。在实际的放大

20、电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。三极管实现电流放大的外部条件：发射结加正向电压，集电结加反向电压。1、判别半导体三极管的类型如果已知某个半导体三极管的基极，可以用红表笔接基极，黑表笔分别测量其另外两个电极引脚，如果测得的电阻值很大，则该三极管是NPN型半导体三极管，如果测量的电阻值都很小，则该三极管是PNP型半导体三极管。2、判别半导体三极管基极（1）用万用表黑表笔固定三极管的某一个电极，红表笔分别接半导体三极管另外两各电极，观察指针偏转，若两次的测量阻值都大或是都小，则改脚所接就是基极（两次阻值都小的为NPN型管，两次阻值都大的为PNP型管），若两次测量阻值一大一小，则用黑笔重新固定半

21、导体三极管一个引脚极继续测量，直到找到基极。（2）判别半导体三极管的c极和e极确定基极后，对于NPN管，用万用表两表笔接三极管另外两极，交替测量两次，若两次测量的结果不相等，则其中测得阻值较小得一次黑笔接的是e极，红笔接得是c极（若是PNP型管则黑红表笔所接得电极相反）。3、半导体三极管的好坏检测（1）先选量程：R100或R1K档位。 （2）测量PNP型半导体三极管的发射极和集电极的正向电阻值。红表笔接基极，黑表笔接发射极，所测得阻值为发射极正向电阻值，若将黑表笔接集电极(红表笔不动)，所测得阻值便是集电极的正向电阻值，正向电阻值愈小愈好。（3）测量PNP型半导体三极管的发射极和集电极的反向电

22、阻值。将黑表笔接基极，红表笔分别接发射极与集电极，所测得阻值分别为发射极和集电极的反向电阻，反向电阻愈小愈好。（4）测量NPN型半导体三极管的发射极和集电极的正向电阻值的方法和测量PNP型半导体三极管的方法相反。6.2 硬件的制作1、首先检测元件是否良好，把每一个元件按照图纸的情况焊上万用板上。工具的选择如下：（1）电烙铁的选择：电烙铁的功率应由焊接点的大小决定，焊点的面积大，焊点的散热速度也快，所以选用的电烙铁功率也应该大些。一般电烙铁的功率有20W 、25W、 30W 、35W、 50W 等等。选用30W左右的功率比较合适。（2）焊锡和助焊剂、焊锡：焊接电子元件，一般采用有松香芯的焊锡丝。

23、这种焊锡丝，熔点较低，而且内含松香助焊剂，使用极为方便。（3）助焊剂：常用的助焊剂是松香或松香水（将松香溶于酒精中）。使用助焊剂，可以帮助清除金属表面的氧化物，利于焊接，又可保护烙铁头。焊接较大元件或导线时，也可采用焊锡膏。但它有一定腐蚀性，焊接后应及时清除残留物。（4）辅助工具：为了方便焊接操作常采用尖嘴钳、偏口钳、镊子和小刀等做为辅助工具。应学会正确使用这些工具。（4）焊接方法：电烙铁经过长时间使用后，烙铁头部会生成一层氧化物，这时它就不容易吃锡，这时可以用锉刀锉掉氧化层，将烙铁通电后等烙铁头部微热时插入松香，涂上焊锡即可继续使用，新买来的电烙铁也必须先上锡，然后才能使用。电烙铁是最常用的

24、焊接工具。我们使用20W内热式电烙铁。（5）注意事项：电烙铁使用中，不能用力敲击。要防止跌落。烙铁头上焊锡过多时，可用布擦掉。不可乱甩，以防烫伤他人。2、焊接过程中，烙铁不能到处乱放。不焊时，应放在烙铁架上。注意电源线不可搭在烙铁头上，以防烫坏绝缘层而发生事故。  使用结束后，应及时切断电源，拔下电源插头。冷却后，再将电烙铁收回工具箱。 元件必须清洁和镀锡，电子元件在保存中，由于空气氧化的作用，元件引脚上附有一层氧化膜，同时还有其它污垢，焊接前可用小刀刮掉氧化膜，并且立即涂上一层焊锡（俗称搪锡），然后再进行焊接。经过上述处理后元件容易焊牢，不容易出现虚焊现象。 焊接的温度和焊接的时间

25、。6.3 硬件的调试调试前，先将焊好的电路板对照仿真电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时，只用将万用表两表笔接触电路板相应处即可。7. 总结1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。这个方案总共使用了电阻若干，滑动变阻器一个，导线若干，NPN、PNP三极管各两个，10V和12V的稳压管各一个，红黄绿LED灯各一个，9V到15V可调电源一个。2、在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去

26、很多。3、在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。4、在制作pcb时，发现细心耐心，恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是

27、很需要的，否则只是一纸空话。5、在画好原理图后的做pcb版时，由于项目组成员对单面板的不熟悉，导致布线后元件出现在另一边，增加了布线难度，也产生很多不曾注意的问题，今后要牢记这个教训，使以后布线更加顺利。6、经过个一星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少

28、有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这几天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋；正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们