水位报警系统设计

毕业论文

论文题目：水位报警系统设计

系部：电子信息工程系

专业名称：电子信息工程技术

班级： 09431 学号： 17 姓名：

指导教师：

完成时间： 2010 年 4 月 25 日

水位报警系统设计

太阳能热水器水位报警系统设计

摘要：在当今的企业中，太阳能热水器的水位报警器给企业带来了极大的经济效益。因为全面的自动化的确给广大用户带来了极大的方便。当前能源紧缺，用电紧张，太阳能是绿色能源，得到广大用户的喜爱。使用时存在的问题：不可缺水，空晒的情况下上水会爆炸；上水时间较长，溢水管的回水造成水资源浪费等等。所以这里设计了一个双水位报警器，该水位报警器是由2个工作点稳定的直流放大器、1个蜂鸣器及2个小功率继电器组成。当水位低于或高于报警的水位时，蜂鸣器就开始工作，进行报警。这样不仅节省了时间，也可以节约水资源。

关键词：电子式双水位报警器；工作原理；参数选定

Solar water heaters the water level alarm system design

Abstract：In today's business, the solar energy water heater to the level alarm caused great economic benefits. Because the comprehensive automation certainly give users brought great convenience. Currently, the electricity energy shortage, solar energy is green tension, the broad masses of users. When using existing problems: water is under the condition of the sun, water will explode, Water for a long time, the water resources waste water causes, etc. So here is a double level alarm design, this level alarm is robustly stable by 2 dc amplifier, 1 buzzers and two small power relays. When the water below or above the water level, and start working, the buzzer. This not only saves time, also can save water.

Key words：Double water_level alarm ； working principle;parameter selection

目录

摘要 (2)

前言 (4)

1、太阳能热水器的组成及其作用 (5)

1.1太阳能热水器的组成 (5)

1.2系统组成部分的作用 (5)

2、太阳能热水器报警系统的工作原理 (6)

2.1太阳能热水器报警系统的电路图及原理 (7)

2.2电路关键元器件的原理与选用 (8)

3、工作系统的故障分析 (9)

3.1故障分类 (9)

3.2常见故障的原因分析及解决方案 (10)

4、结论 (10)

5、参考文献 (11)

6、致谢词 (12)

前言

20世纪80年代以前，在生活用品应用自动控制的最先进装置就是继电器，它对当时生活质量的提高及节能确实发挥了很大的作用；传感技术还很少应用到生活中。但当人们跨入20世纪80年代以后，生活用品及卫生节能环保用品随着科技的发展，开始由单一化转变为多样多品种高智能化，在这种转变过程中，机电控制系统的许多固有弊端如体积大、质量重反映慢、不方便等越发显得突出，成为了转变的一大障碍。80年代后期，市场所需的“柔性”智能、生活用品品质提高、节能环保，呼唤智能自动控制系统的诞生。随着科技进步模拟电子技术、单片机技术、PLC技术、传感器技术日益成熟，这些技术逐渐投入到生活、卫生、环保、科技等领域当中，生活卫生、环抱用品自动控制技术逐步提高。但这些应用与小生活用品在控制精度、准确度、使用技术、智能方面尤其是价格方面受限。随着人们对智能化，方便、简捷、精确度、轻便、美观、性价比等要求的提高，新型的感应装置与电子技术随之出现。

这次设计因为设计者水平有限，设计时间比较短等原因，使本次设计的太阳能热水器的水位报警器有一些缺陷，请给出宝贵意见和建议，以后会继续研究改进。

1、太阳能热水器的组成及作用

1.1太阳能热水器的组成

太阳能热水器一般由集热器、保温水箱、连接管道。

1.2系统组成部分的作用

（1）集热器：系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼。

(2)保温水箱：和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。采用同乐搪瓷内胆承压保温水箱，保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿命可长达20年以上。

（3）连接管道：将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温处理。管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。

2、太阳能热水器报警系统的工作原理

2.1太阳能热水器报警系统的电路图及原理

图表1

水位报警器的组成见图表1。其主要组成器件为工作点稳定的直流放大器、蜂鸣器、小功率继电器及晶体发光二极管。2个放大器中的晶体管的基极b、集电极c间各连件一个由相互绝缘的双金属片组成的探头s1和s2，s1和s2分别固联于水箱的顶部及底部。接于晶体管BG1上的继电器J1之触点为常开触点。接于晶体管BG2上的继电器J2之触点为常闭触点。

蜂鸣器F1的一端接在电源，另一端与继电器J1之触点相接，同时和发光二极管VD1并联；同一原理下，蜂鸣器F2的一端接在电源，另一端与继电器J2之触点相接，同时和发光晶体二极管VD2并联。

报警器工作过程：当水箱水位处于水箱注满水的位置a-a处时，由于水的导电作用，使探头s1导通，晶体管BG1有基极偏压产生，从而产生基流Ib1,经BG1放大后形成集电极Ic=β1Ib,为BG1管的电流放大系数，此电流流经继电器J1使其常开触头闭合，电源E电流流经该常开触头、蜂鸣器F1，蜂鸣器F1工作，同时发光晶体二极管VD1又电流经过，显示灯闪烁，此时电路进行声光报警，告示水箱水已充满。当水位处于a-a位置以下而高于水箱水已放尽的b-b 位置时，触头S1不导通，晶体管BG1失去偏压而不工作，继电器J1无电流流过，其常开触头断开，无电流经过蜂鸣器F1和发光二极管VD1。与此同时，由于触头S2处于液体内而导通，晶体管BG2有偏压存在而导通，产生集电极电流Ic2,流经继电器J2使其常闭触头断开，亦无电流流经蜂鸣器F2和发光二极管VD2，故蜂鸣器F2不工作，发光二极管VD2不闪烁。当水位低于b-b位置时，晶体管BG1仍处于截止状态，而晶体管BG2由于触头S2不导通，无偏压存在，亦不工作，继电器J2断电，其常闭触头闭合，电源Ec电流流经该触头、蜂鸣器F2，蜂鸣器F2工作，同时有电流流经发光警惕二极管VD2，电路开始进行与前一次报警不同的声光报警，告示水箱已放尽。

综上所述，当水箱水注满使水位处于a-a位置以下时，蜂鸣器工作和发光二极管工作；当水箱水放尽使水位处于b-b位置以下时，蜂鸣器和发光二极管亦工作，否则，蜂鸣器不工作，实现了水位不同的声光报警。

2.2电路关键元器件的原理与选用

（一）电源及执行元件的选定

放大器电源选为6伏，相应的选用6伏或小于6伏的电子蜂鸣器，5伏继电器。已选用的继电器动作电流为32毫安，内阻为76欧姆。

（二）LED发光二极管

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空

穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

（三）三极管

晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，

从三个区引出相应的电极，分别为基极B发射极E和集电极C

发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。

由于2个放大器工作状况完全相同，故电路元件参数也就完全相同。以下仅对晶体管BG1构成的放大器（图2）的元件参数进行计算选定。

初选晶体管BG1型号为3AXA1B，其相关参数为：集电极允许电流Icm=125mA,集电极最大允许耗散功率Pcm=125Mw,电流放大系数β=50。根据电路结构，综合考虑继电器的动作电流值、电路功耗及电源电压下降会引起集电极电流Ic降低等因素，取晶体管BG1集电极设计电流Ic=34ma.

（四）电子蜂鸣器的选定

蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。（在设计中用的是电磁式蜂鸣器）

电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接同电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

电磁式蜂鸣器驱动原理

蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，是电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需

要一定的电流才能驱动它，单片机10引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电瓶基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器。

蜂鸣器的正极接到VCC（+5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基极B经过限流电阻R1后有单片机的P3.7引脚控制，当P3.7输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，可以通过程序控制P3.7脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。

程序中改变单片机P3.7引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同的音色、音调的声音。改变P3.7输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小。

（五）继电器的介绍

继电器是根据某中输入信号的变化，接通或断开控制电路，实现自动控制和保护电力装置的自动电器。（本设计中用的是电磁式继电器）。

电磁式继电器的结构和工作原理

电磁式继电器一般由：铁芯、线圈、触电潢片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动铁芯的动触点与静触点（常开触点J1）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使原来的静触点（常开触点J2）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触电，以这样区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触电”；处于接通状态的静触点，称为“常闭触电”。

在这里本文选用两种不同频率的继电器。

3、工作系统的故障分析

3.1故障分类

此报警器使用易出故障有以下几点：

1、电子线路故障

2、声光报警故障

由于报警器使用频繁的缘故，且此报警电路没有经过大量的技术论证与反复的实用实践，所以报警器易出现以上几种常见故障。

3.2常见故障的原因分析及解决方案

（一）电子线路故障

电子线路是本课题电路最易于出故障的地方。主观上由于我们的焊接经验不足造成了许多的问题，比如管脚焊接不严密、电路连线不紧密造成的导电不良等问题，客观上由于电子元件的质量问题造成的电路功能不能完全实现的故

障

解决方法是用相关仪器仪表检测电子元件的参数，看是否达到正常的标准值，对于不能继续使用的相关原件要及时更换以免影响电路的正常工作。还要用万用表检测电子线路的焊接处及各个相关回路的导通情况，如果检测到焊接有问题的地方，应及时的作出修改。

（二）声光报警故障

稳压电路输出电压不稳定和电子元件的质量与老化问题是声光报警故障的主要原因。检测元件的标准参数并及时更换故障元件与检测稳压电路输出电压是避免声光报警故障的主要方法。

电路满足了基本设想的功能，当水位报警器接通电源时，主电路有相应的电源指示灯点亮，指示电源正常。当太阳能热水器水箱缺水，电路能发出声光报警，告知人们应向水箱中送水，当水箱中的水上升到需要的高度时，电路发出声光报警，应停止向水箱中送水。

太阳能热水器的水位报警器是非常有发展前途的，随着人们生活水平的不断提高，相信太阳能热水器的水位报警器一定会向着更加完美的智能化迈进。

5、参考文献：

[1] 付植桐，《电子技术》，高等教育出版社，2004年

[2] 汪明添，《家用电器原理与维修》，北京航空航天大学出版社，1998年

[3] 苏海宾，《电力电子技术》，高等教育出版社，2004年

[4] 张福学，《传感器应用及其电路精选》电子工业出版社，1993年

[5] 马镜澄，《低压电器》，北京兵器工业出版社，1993年

总结：本次毕业设计进一步巩固了三年来学习的理论知识，还要做到理论与实践相结合。如机型和元器件的选择，要以性价比高为原则，以组成最小最优化的系统，这些都是在设计中应该考虑的。学到了许多课本上学不到的知识软件，通过这次设计使动手能力和理论知识有了很大的提高，为我走出校园，踏入社会做了很好的铺垫。在此也要感谢我的指导老师。

致谢词

这次论文能够顺利完成,我得非常谢谢我的指导老师以及帮助过我的同学和默默支持我的父母,在这里我要深深的表示我的谢意!

感谢我的导师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪,严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，吴老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持,在此谨向吴老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 在这里请接受我诚挚的谢意!

在此，我还要感谢在一起愉快的度过三年生活的大学同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。