模拟电子技术课程设计水温水位自动报警器

模拟电子技术课程设计水温水位自动报警器

文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）

《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

水温、水位检测系统示意图

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

图1 阻值—温度曲线线，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

3

23

+-

R

R R

4

1

4

+)，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，得到输出电压U o 2，U o 2=-

R

R 7

11⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛+R R 5621U o 1

在R 4增大的过程中，当U o 2＜时，即水温未达到

图2 水温检测实验原理

图3 电阻与输出电压关系曲线

-1

-0.8-0.6-0.4

-0.200

100

200

300

阻值

输出电压/V

Y

电压与温度模拟曲线

20406080100

120-1

-0.8

-0.6-0.4-0.2

电压/V

温度

z

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=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Ω时，即U o 1=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=，所以设置VDD=。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

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=，VDD=5V。根据二极管的发光要求以及不

断地调适确定VCC= 。