模拟电子技术课程设计——水温水位自动报警器

《模拟电子技术基础》课程设计报告

班级：电气082

姓名：（签字）学号：0804030216

日期：2010-7-3至2010-7-4

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 2.1 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：

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

水温、水位检测系统示意图

图1 阻值—温度曲线

化，对阻值的影响较小，导致输出地电压信号变化很小，设备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。

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U

o 1的

关系：U o 1=V

1(R R R 323+-R

R R 414+)，实验中测到R 4与U o 1

的关系曲线，如图3所示。假设模拟电阻与温度的关系如图4所示，则图2 水温检测实验原理图

电压与温度的关系如图5所示。

U o 1送入仪表放大器，经过放大，得到输出电压

U o 2，U o 2=-R R 711

⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛+R R 5621U o 1 在R 4增大的过程中，当U o 2＜-1.5V 时，即水温未达到沸点，U o 3输出高电位，此时Q1三极管导通，红灯亮。当R 4继续增大，

使U o 2=-1.5V 时，即水温达到沸点，U o 3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 Ω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300Ω的电阻，并设置放大倍数等于-3倍；在水温升高的过程R 4增大，设置当R 4增大到

333.3Ω时，即U o 1=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U U N P ==U o 2=-3U o 1=-1.5V ，所以设置VDD=-1.5V 。当U o 3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R 13的值；当U o 3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R 14和R

15的值。

图5 电压与温度模拟曲线

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：

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

图6 水位检测实验原理

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

3.1 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300Ω固定电阻，将

12V的电压，导致其插入实验箱后使用。刚开始连接仪表放大器的时候忘记给+

-

输出怎么测都是零。后来发现问题，接上电压，测得输出电压U o2≈-3U o1，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U o2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U o3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