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：

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

水温、水位检测系统示意图

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

图1 阻值—温度曲线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

图2 水温检测实验原理图 图3 电阻与输出电压关系曲线-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.200100200300阻值输出电压/V Y

电压与温度模拟曲线

20

40

60

80

100

120

-1-0.8-0.6-0.4

-0.20电压/V 温度z

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。

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

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