模拟电子技术课程设计——水温水位自动报警器

1、模拟电子课程设计题目名称： 姓 名： 学 号： 班 级： 信息与电子工程学院1 设计任务：水温及水位自动监测报警器1.1 监视容器中水的加热过程：设计一个模拟电路，要求模拟实现容器中水的加热过程，当容器中水温未达到沸点时，监视器报警灯红灯亮，提示水没烧开；当容器中水温达到沸点时，监视器报警灯绿灯亮，提示水已烧开。1.2 监视容器中水位的升高过程： 设计一个模拟电路，要求模拟实现容器中水位的升高过程，当容器中的水位低于下限水位时，监视器报警灯单红灯亮；当容器中的水位到达下限及下限以上，并且在上限以下时，监视器报警灯不亮；当容器中的水位到达上限及上限以上时，监视器报警灯双红灯亮。2 设计思路与说明

2、2.1 模拟水温检测系统2.1.1 水温监测实验原理及器材选用依据：图1 阻值温度曲线热敏电阻是一种新型半导体感温元件，而正温度系数热敏电阻具有正的电阻温度特性，当温度升高时，电阻值升高；当温度降低时，电阻值减小，其阻值温度特性曲线如图1所示。热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大，在实际使用中要进行线性化处理，但比较复杂，一般只使用线性度较好的一段，在试验中可用滑动变阻器模拟热敏电阻工作的过程。实验中需要将变化的温度信号模拟成变化的电阻，为提高灵敏度，采用桥式电路，将变化的电阻信号转化成变化的电压信号输出。因为温度的很小的变化，对阻值的影响较小，导致输出地电压信号变化很小，设备

3、很难对微小的信号做出灵敏的反应，因此需要将小信号放大后进行处理，在这里，我采用了精密的仪表放大器来处理变化的电压信号。当温度升高，达到沸点时，相应的热敏电阻升高到了一定的阻值，最终引起仪表放大器输出电压的变化，此时我需要选择出这个沸点电压，因此我选用了一个单限比较器，当放大器输出的电压值达到沸点时的电压时，电压比较器发生跳变引起输出点电位变化。通过该点电位的变化来接通报警器，所以采用三极管和发光二极管来模拟实现报警器报警过程。实验原理如图2所示。图2 水温检测实验原理图 2.1.2 电路功能：滑动变阻器由零开始变化，模拟水温升高的过程，电阻阻值与电桥输出电压的关系：=(-)，实验中测到与的关系

4、曲线，如图3所示。假设模拟电阻与温度的关系如图4所示，则电压与温度的关系如图5所示。图5 电压与温度模拟曲线送入仪表放大器，经过放大，得到输出电压，=- 在增大的过程中，当-1.5V时，即水温未达到沸点，输出高电位，此时Q1三极管导通，红灯亮。当继续增大，使=-1.5V时，即水温达到沸点，发生跳变，输出低电位，此时Q2三极管导通，绿灯亮。2.1.3 电路参数确定输入到仪表放大器的信号为小信号，因此，选择输入到仪表放大器的信号差值为1V左右，要求电桥中电流不能过大，因此选用1K的电阻和滑动变阻器作为电桥电阻；仪表放大器中的电阻需要选择小电阻，所以选择300的电阻，并设置放大倍数等于-3倍；在水温

5、升高的过程增大，设置当增大到333.3时，即=0.5V时，模拟水温达到沸点，此时让电压比较器的输出电压发生跳变，即=-3=-1.5V，所以设置VDD=-1.5V。当输出高电位时，保证三极管Q1导通以及二极管LED2发光，因此选用NPN管，经过调适和计算确定VCC和的值；当输出低电位时，保证三极管Q2导通以及二极管LED1发光，因此选用PNP管，经过调适和计算确定VDD和和的值。2.2 模拟水位检测系统2.2.1 水位监测实验原理即器材选用依据：图6 水位检测实验原理 用开关的闭合模拟水位升高过程中各部分电路的导通关系。当水位在下限以下和上限以上，需要亮起红灯来报警，而当水位合适时，则不用亮灯报

6、警，根据这个关系，选择窗口比较器实现此过程。当水位在下限以下时，电路出于不导通状态，即S2断开与 U1、U2的连接，此时使二极管LED2亮，实现报警；当水位为正常水位，S2与U2接通，此时两个二极管都不发光；当水位达到上限水位时S2与U1接通，此时两个二极管都发出红光报警。实验原理图如图6所示2.2.2 电路功能： U1的反相端与U2的同相端接同一高电位，U2的反相端与U1的同相端接同一低电位，设置一个开关S2使其接地。当水位不够下限水位时，开关S2断开，U1反相端电位高于同向端电位，输出为负，相反，U2同向端电位高于反相端电位，输出为正，此时二极管LED2导通报警发光，而LED1因三极管未导

7、通而截止不发光；当水位上升到下限或下限以上上限以下时，S2与U2接通，U2同向端电位为零，小于反相端电位，输出为负，三极管Q2不导通，LED2截止，因而不发光，LED1仍然处于截止状态，不发光；当水位继续上升达到上限水位时，S2与U1接通，U1反相端电位为零，小于同向端电位，输出为正，三极管Q1导通，LED1发光报警，而Q2也处于导通状态，LED2也发光报警。2.2.3 参数确定依据VDD高于VSS，VSS高于地电位，因此根据这个关系确定参数使VSS略高于地电位，所以选择VSS=0.5V，VDD=5V。根据二极管的发光要求以及不断地调适确定VCC=5.37V 。 3电路调试基本过程及调试结果3

8、.1 实验设备：模拟实验电路箱，万用表。3.2 实验地点及条件：在模拟电路实验室，室温20°C 左右，保证实验仪器工作的良好状态，减小误差。 3.3 实验时间：2010-7-3至2010-7-4两天。3.4 实验中的主要问题及自我评价 在水温检测实验中，电路的平衡调节调了很长时间都不平衡，输出电压很不稳定，后来尝试不用电桥，只用一个电阻和滑动变阻器分压来实现，可是发现这样实现误差较大，所以又换回电桥分压。当电桥基本平衡后，连接仪表放大器是相当麻烦的，实验箱上的线很乱，就很容易接错，却又不容易发觉。好多用到的电阻实验箱上没有，也凑不出来，就得找现成的300固定电阻，将其插入实验箱后使用

9、。刚开始连接仪表放大器的时候忘记给12V的电压，导致输出怎么测都是零。后来发现问题，接上电压，测得输出电压-3，终于到此为止的这部分电路成功了。接上了电压比较器之后，开始根据自己的预想的跳变点设置VDD电压值，可是在预设点没有发生跳变，然后就反复的测量的变化范围，重新设定跳变点，后来设置-1.5V为阈值电压，测得有了跳变，这已经成功了70了。当接上三极管和发光二极管时，灯没有像预期的那样亮起来，于是我就根据电路原理，反复调节二极管两端电压以及VCC和VDD的值，经过很多次的调适，反复的修改参数，灯终于亮了。 在水位监测实验中，电路简单，很快就连接完毕。第一次实现的是在下限水位以下不亮灯，正常水

10、位时亮绿灯，高于上限水位时亮红灯。虽然顺利地实现了这个过程，但是与实验要求不符，老师要求按实验要求来做。当我重新接好电路，发现我的二极管的灯不亮，测量它两端的电压大于它的导通电压，于是我反复调电源电压，测量二极管两端的电压，它始终不亮。最后我实在想不明白为什么，便向老师求助，老师让我测了各点的连接情况，看是否导通，换一个三极管等等，可是这些方法我都试过，都不能解决问题。后来老师说可能实验箱上的三极管有问题，就去找了个三极管换上了，这次真的是找到了问题的所在，接上新的三极管，电路通了，我终于成功地完成了实验。 在课设的前一天晚上，我生成了初步的电路原理图，并初步定好了参数，准备的还算充分。可是，

11、毕竟理论与实际是有差距的，实际的实验仪器有误差，有些参数跟预想的很不符合，所以在实验的过程中，我不断地思考，不断地调适，实在想不明白的地方才请教老师和同学。这次课设，我整整做了两天，实验中遇到了很多的疑惑和不解，但是通过请教老师同学加上自己的思考，我攻破了一个又一个难题。终于独立地按照要求在规定的时间内完成了任务。4主要工作体会 首先，通过此次课设，我们将所学的东西第一次运用到了解决实际问题上，对于这一点我感到特别的骄傲。在以往的学习中，都是学习的一些理论上的知识，而真正怎样运用到实践中并没有认真想过。课本上的知识毕竟是死的，而实践过程中往往会发生很多状况，该如何发现问题，解决问题，是需要我们

12、来认真思考的。这种能力也是我们亟待培养的。我觉得这次的课设，就是一次小小的锻炼，在实验过程中找到问题，分析问题，并找出方法来解决它，这个过程就是理论与实际的结合过程，既锻炼了我们的动手能力，又巩固了我们的理论知识，两全其美。因为在此之前我对仪表放大器并不是很了解，可是，当我实验中需要用到仪表放大器时，我必须翻书找资料，查找仪表放大器的工作原理，使用条件等。而在实验的过程中，进一步理解了仪表放大器的作用和使用方法。还有，在学习三极管的放大原理时，对各极电位变化的相互影响很模糊，没有理出头绪，而在实验中，我反复的调节各点电位，测量电压，分析电位变化之间的关系，调节电路，因此弥补了我知识上的空缺。

13、其次，在实验过程中，我遇到了很多意想不到的麻烦，我不能选择逃避，只能是硬着头皮来解决。因为老师很忙，大家又都在忙着弄自己的电路，很少能抽出时间帮你解决问题，所以大部分时间我必须独立思考，独立解决问题。当同学们纷纷完成实验，看着他们满足的笑脸，听着他么欢呼的声音，我不能急躁，我必须顶住压力，认真完成我的实验，因为我还没有成功，我的任务还没有完成。两天的课设让我废寝忘食，早晨去了，中午都不知道吃饭，不知不觉就到了下午，完全忘记了时间，忘记了饥饿。到了第二天的下午，大部分人都完成了实验，而那时我的实验电路恰好出现了严重的问题，我无数次地调适都无济于事，眼看就要到了傍晚，我告诉自己，不能放弃，一定要坚持完成课设任务，而