液面警報器畢業(yè)論文.doc

緒論隨著科技的發(fā)展，人們的生產、生活狀態(tài)不斷的得到改善，對于自動反饋報警和控制的需求也越來越高，本次論文所研究的液面報警器可以預防在日常生活中的關于液體的部分安全隱患，例如一些儀器或機械的運轉過程中需要液相制冷或者對液體的循環(huán)系統(tǒng)有要求，利用液面報警監(jiān)控可以對其運轉狀態(tài)有及時的把握。報警器可以利用多種形式實現，其中較為常見的方式可以通過液面對閉合電路的影響來實現。555集成定時器是一種模擬和數字電路相混合的集成電路只要在外部配上適當阻容元件，就可以方便的構成脈沖產生和整形電路，在工業(yè)控制、定時、仿聲、電子樂器及防盜報警等方面應用很廣，555定時器不僅提供了2/3VCC、置位電平為1/3Vcc,且可通過R的非端直接從外部進行置零的基本RS觸發(fā)器，而且還給出了一個狀態(tài)受該觸發(fā)器輸出端（Q的非）控制的晶體管開關，因此使用起來極為靈活。555定時器的電源電壓范圍比較大，雙極型電路Vcc=4.516V輸出高電平不低于電源電壓的90%，帶拉電流和灌電流負載的能力可達200毫安；555集成電路還可以組成多種波形發(fā)生器、多諧振蕩器、定時延時電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、報警電路、檢測電路、頻率變換電路等， 555時基電路由分壓器、比較器、R-S觸發(fā)器、輸出級和放電開關等組成的。電路中的比較器的主要功能是對輸入電壓和分壓器形成的基準電壓進行比較，把比較的結果用高電平1或低電平 0兩種狀態(tài)在其輸出端表現出來。555時基集成電路的應用電路，包括在燈光控制電路中的應用、報警器中的應用、電源控制電路中的應用、農業(yè)控制電路中的應用、家用控制電路中的應用、工礦控制電路中的應用、機動車控制電路中的應用、娛樂與保健控制電路中的應用等。多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，當電路連接好之后，只要接通電源，在其輸出端就可以輸出矩形脈沖，且矩形脈沖中除基波外還含有豐富的高次諧波。555電路構成的多諧振蕩器在電路穩(wěn)定工作之后，電容充電和放電的過度過程總是周而復始。在本次液面報警器設計中，液面報警器主要運用的是以555集成電路為基礎的多諧振蕩器，它的結構簡單，使用靈活，在生活之中能有廣泛的應用。希望本次的有關液面報警器的設計能得到社會及同行的認可，使報警器的結構得到更精致的改善，來為社會更好的服務。第1章 液面報警器的設計要求11液面報警器的設計的技術指標水位自動控制在一定的范圍之內（如26米），當水位低至2米時，電路會產生中斷，音響停止發(fā)出聲音；當水位在2米與6米之間，電路會導通，連接的電阻值較大，在電路中會產生較小的電流，音響會發(fā)出低沉的聲音；當水位達到6米之上，電路同樣會導通，連接的電阻值相比前者較小，在電路中會產生較大的電流，音響會發(fā)出較響的聲音。12液面報警器的方案框圖及分析水位測量是來測量水位的高低情況從而影響電路中電阻電流的大小。整流電路是利用單相橋式整流電路對電路中的電流進行整流。555電路在本次設計中是一端固定，另一端輸入信號，是一種檢測比較器。直流電源電路水位測量555電路報警信號輸出圖1-1 液面報警器的方框圖13 液面報警器的電路圖及工作原理1.3.1液面報警器的工作原理：在本次設計中，液面報警器是用來進行水位報警，運用范圍是需要進行有三個水位的報警系統(tǒng)，其中電阻的阻值的范圍是幾百奧姆，利用的是液體的導電性和三五電路的基本功能共同實現電路的報警功能，每當達到一定的水位都會連接電路，通過電壓的分壓作用和比較電阻所分的電壓的大小，實現電路是否導通，由于所連接的電路中的電阻的阻值不同，從而影響電路中電流的大小，使音響發(fā)出低沉與響亮的不同聲音。1.3.2液面報警器的簡易電路圖：在設計方案中，所運用的器件有半導體二極管、電容、555集成定時器和直流電源等，具體的設計方案見第四章，以下是簡易電路圖，電容電阻器件省略。555電路揚聲器低水位555電路揚聲器高水位整流電路變壓器電網電壓圖1-2液面報警器的簡易電路圖第2章 器件的特性21 半導體二極管的特性半導體二極管是在PN結的外面裝上管殼，再引出兩個電極就可以。半導體二極管有正向特性和反向特性。半導體二極管的正向特性是當正向電壓比較小時，正向電流幾乎為零；只有當正向電壓超過一定值時，正向電流才開始快速增長。正向特性上的這一數值通常稱為死區(qū)電壓。半導體二級管死區(qū)電壓的大小與二極管的材料以及溫度等因素有關。一般，硅二極管的死區(qū)電壓為0.5V左右，鍺二極管的為0.5V左右。在此次課程設計中，利用四個二極管的正向特性組成單相橋式整流電路。22 電容的特性電容組件的定義如下：一個二端組件，如果在任一時刻t，它的電荷q（t）同它的端電壓u(t)之間的關系可以用u-q平面上的一條曲線來確定，則此二端組件稱為電容組件。如果u-q平面上的特性曲線（稱庫伏特性曲線）是一條通過原點的直線，且不隨時間而變，則此電容組件稱為線性時不變電容組件即：q(t)=Cu(t)，C為正值常數，稱為電容。電容C在某一時刻t的儲能只與時刻t的電壓有關，即W(t)=1/2Cuu(t)，電容儲能與該時刻電壓的平方成正比，為非負值，說明電容是一種儲能組件，電容的儲能是電容電壓具有記憶性質的本質。在本次課程設計中，利用的是電容組件的儲能特性。23 直流電源的組成電子設備中所用的直流電源通常是由電網提供的交流電經過整流、濾波和穩(wěn)壓以后得到的。對于直流電源的主要要求，除了能夠輸出不同電路所需要的電壓和電流以外，還應做到，直流輸出電壓平滑，脈動成分?。惠敵龅碾妷悍捣€(wěn)定即當電網電壓或負載電流波動時能保持基本穩(wěn)定；交流電變換成直流電時的轉換效率高等。根據上述要求，直流電源一般是包括四個組成部分，即電源變壓器、整流電路、濾波器和穩(wěn)定電路。濾波器變壓器整流電路穩(wěn)壓電路負載電網電壓圖2-1 直流電源的組成24直流電源的各個組成作用1、電源變壓器 電網提供的交流電一般為220V（或380V），而各種電子設備所需要直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網電壓先經過電源變壓器，然后將變換以后的二次電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓幅值。2、整流電路 整流電路的作用是利用具有單向導電性能的整流組件，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓。但是，這種單向脈動電壓往往包含著很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差的很遠。3、濾波器 濾波器主要由電容、電感等儲能組件組成。它的作用是盡可能地將脈動電壓的脈動成分濾掉，是輸出電壓稱為比較平滑的直流電壓。4、穩(wěn)定電壓 穩(wěn)定電壓的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。241變壓器的簡介理想變壓器是一種耦合組件，它是從實際變壓器中抽象出來的理想化模型，主要方便分析變壓器電路。理想變壓器只有一個參數稱為變比，記為n。理想變壓器如圖22（a）所示：在圖所示的電路的同名端和電壓、電流的參考方向下，理想變壓器定義為：u1=nu2 ，i1=(-1/n)i2理想變壓器可看成時耦合電感的極限情況，也就是變壓器要同時滿足如下三個理想化條件：（1）變壓器本身無損耗。這意味著繞制線圈的金屬導線無電阻，或者說，繞制線圈的金屬導線的電導率為無窮大，其鐵芯的磁導率為無窮大 （2）耦合系數k=1即全耦合。（3）L1、L2和M均為無窮大，但保持n不變，n為匝數比。242理想變壓器的性質理想變壓器的電壓關系：當u1、u2參考方向的“+”極性端設在同名端時（圖示2-4-3（a）原理圖中的變壓器），u1/u2=N1/N2=n其中N1與 N2分別是粗線線圈和次級線圈的匝數；n為匝數比或變比。當u1、u2的參考方向為異名端時則u1與u2的比為u1：u2=-N1：N2=-n。理想變壓器的電流關系：當初、次級電流分別從同名端流入或流出時，i1：i2=-N2：N1。如果i1與i2之比等于N2與N1之比。理想變壓器的功率關系；不論理想變壓器的同名端如何，它吸收的瞬時功率恒等于零。它是一個既不消耗也不儲能的無記憶的多端組件。243單相橋式整流電路的作用及原理 整流電路是電力電子電路中出現最早一種，可從各角度對整流電路進行分類，主要分類方法有：按組成器件可分為不可控、半可控、全控三種。按電路結構可分為橋式電路和零式電路；按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，在第五章中講的是按變壓器二次側電流的方法分類的單向整流電路。 整流電路的作用是利用具有單向導電性能的整流組件，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓。但是，這種單向脈動電壓往往包含著很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差得很遠。 單相橋式整流電路是電路中采用了四個二極管，接成電橋的形式，實現的是在正負各半個周期內電流的流向方向是一致的，具體如圖2-4-3（a）所示。在u2的正半周，二極管VD1、VD2導電，VD3、VD4截止，流經二極管的VD1、VD2的電流流經電阻R，在負載上得到的輸出電壓的極性為上正下負。在u2的負半周，二極管VD3、VD4導通，VD1、VD2截止，流經二極管VD3、VD4的電流流經電阻R時產生的電壓極性也是上正下負，因此在負載上得到單方向的脈動電壓。橋式整流電路的波形圖見圖2-2(b)所示。單相橋式整流電路的原理圖如下：VD1VD4VD2VD3+-iouo+_-+u1Ru2 圖2-2（a） 原理圖 單相橋式整流電路的波形圖： u2io 圖2-2（b）波形圖244單相整流電路的主要參數 整流電路的參數主要有以下幾項：整流電路的輸出直流電壓即輸出電壓的平均值Uo（AV）,整流電路輸出電壓的脈動系數S，整流二極管正向平均電流ID(AV)，以及整流二極管承受最大反向峰值電壓URM.其中前兩項描述整流電路的輸出直流電壓的技術性能，后兩項則是選擇整流二極管的主要依據。 單相橋式整流電路的各項參數為： 1、輸出直流電壓UO（AV） 整流電路的輸出直流電壓是輸出電壓瞬時值在一個周期內的平均值。公式：UO（AV）=0.9U2 2、脈動系數S 整流電路輸出電壓的脈動系數S定義為輸出電壓基波的最大值與其平均值之比。S=0.67 3、二極管正向平均電流ID(AV)每個整流二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半。公式：ID (AV)=1/2IO(AV) 4、二極管最大反向峰值電壓URM 每個整流二極管最大反向峰值電壓URM是指整流管不導電時，在它兩端出項的最大反向電壓。 整流二極管的承受的最大反向電壓就是變壓器二次電壓的最大值即URM=u2第3章 555集成電路及應用31 555集成定時器的簡介 555集成定時器由基本RS觸發(fā)器、比較強、分壓器、晶體開關和輸出緩沖器五部分組成。555集成定時器是一種模擬和數字電路相混合的集成電路。它結構簡單，使用靈活，用途十分廣泛，可以組成多種波形發(fā)生器、多諧振蕩器、定時延時電路、雙穩(wěn)觸發(fā)電路、報警電路、檢測電路、頻率變換電路等。在工業(yè)控制定時、仿生、電子樂器及防盜報警等方面廣泛應用。32 555集成定時器的電路組成及基本功能_ 555集成定時器的電路組成：（1） 基本RS觸發(fā)器由兩個與非門組成，R是專門設置的可從外部進行置0的復位端，當R的非等于0時，使Q=0（2） 比較器C1、C2是兩個電壓比較器。比較器有兩個輸入端，在下列圖中這兩個輸入端分別是標有正號和負號的兩端，當正號的一端電壓大于負號的一端電壓時輸出高電平，否則輸出低電平。（3） 分壓器 在下列圖中，有三個電阻，電阻值均為5千奧姆，串聯起來起分壓作用。（4） 晶體管開關和輸出緩沖器 晶體管TD構成開關，其狀態(tài)受Q的非影響。 輸出緩沖器就是接在輸出端反相器G3，其作用是提高定時器的帶負載能力和隔離負載對定時器的影響。555集成定時器的電路組成圖具體如下： uoCOTR的非電源+VccTHuD R的非與非門與非門非門TDQ的非QC1C2G3+-+-圖3-1 555集成定時器電路組成555集成定時器的基本功能：U(TH)U(TR的非)R的非uoTD的狀態(tài)0U(OL)導通2VCC/3VCC/31U(OL)導通VCC/31不變不變2VCC /32 Vcc /3、U(TR的非) Vcc /3時，C1輸出低電平、C2輸出高電平，Q=1、Q=0，uo= U(OL)、TD飽和導通。 _R=1、U(TH) Vcc/3時，C1、C2輸出均為高電平，基本RS觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此uO、TD也保持原來狀態(tài)不變。 _R=1、U(TH) 2 Vcc /3、U(TR的非) R1、R2C地，時間常數=（R1+R2）*C。(2)自動翻轉I：當電容C充電，uc 上升到2Vcc /3時，比較器C1輸出跳變?yōu)?，基本RS觸發(fā)器立即翻轉到0狀態(tài)，Q=0、uo= U(OL),TD飽和導通。(3)暫穩(wěn)態(tài)II（Q=0、uo=U（OL）, TD飽和導通）,在這種狀態(tài)下，同樣有一個電容放電、uc緩慢下降的漸變過程在進行著，放電回路是CR2TD地，時間常數= R2*C（忽略TD飽和導通電阻）。(4)自動翻轉II:當電容C放電、uc下降到Vcc /3時，比較器C2輸出跳變?yōu)?，基本觸發(fā)器立即翻轉到暫穩(wěn)態(tài)I接通電源后，電路就在兩個暫穩(wěn)定狀態(tài)之間來回翻轉-振蕩，電容不斷的進行充放電過程。在本次報警器的設計中如圖4-1所示，液面的低水位的振蕩頻率為f=ln2(R1+R2)*C1，高水位的振蕩頻率為f=ln2(R3+R4)*C5。第4章 高低位報警器的電路功能及分析41高低水位報警器的電路圖（1）高低水位報警器的電路圖為： R2（19 87 4 6 328 7 43 6 210R1C1C2C3C4R4R3 C511揚聲器揚聲器 圖4-1 高低水位報警器電路圖VD1u1VD3VD2VD4io +-u242電路功能的分析：在上述電路圖中9為低水位，11為高水位。其中，電阻為10100 K，電容為0.01uf,R1=10 K,R2=500K，,R3=10 K,R4=100 K。高低位報警器的等效電路圖如圖4-2（a）、(b)所示: 圖4-2（a）低水位報警器的等效電路圖9R1 87 4 6 32揚聲器C1C2C410R3 87 46 32R4揚聲器1110圖4-2（b）高水位報警器的等效電路圖在上述電路圖中，電源部分是運用的電網電源，通過變壓器的作用，將較高的電網電壓變成較低的符合于電路中的電壓，并通過單相橋式整流電路變成單相脈動電壓，較好的適應于高低水位的報警電路中。在圖4-1高低位報警器的電路圖中，左半圖為低水位報警器，右半圖為高水位報警器。圖4-2（a）低水位報警器的等效電路圖中，當水位的高度達不到如圖所示9的位置時，電路斷開，則由電容C4進行電路的供電；圖4-2（b）高水位報警器的等效電路圖中，當水位達到如圖所示的11的位置時電路導通，則報警。以低水位報警器為例，在圖4-2（a）中R1和R2具有分壓作用，當R1兩端的電壓2/3u2同時當R2兩端的電壓1/3u2時（具體分析見32 555集成時器的電路組成及基本功能），三五電路中的4的引腳輸出的是低電位，3的引腳輸出的是高電位，此時C3導通相當于一根導線連接著音響，C4相當于電源對低電位報警器進行供電，因此音響會發(fā)出聲音；在圖4-2（b）中高水位報警器中，與低水位報警器中所運用的原理是相同的，與揚聲器相連的電容變?yōu)橐桓鶎Ь€連接著揚聲器，電網電源為高水位報警器進行供電，但是由于在低水位報警器中的電路的總電阻值大于在高水位報警器電路中的電阻值，使低水位報警器中的電路電流較小，使電路發(fā)出較低沉的聲音，在高水位報警器中所發(fā)出的聲音是響亮的。第五章 電路的焊接及設計總結51焊接電路常見的問題 1、在焊接焊盤時，焊烙鐵離焊盤太近或是停留在焊盤上的時間過長造成電路板上的銅融化，使電路出現短路的現象；2、在焊接焊盤時，焊點過大占用了其它焊盤的位置或是焊點的虛焊造成電路斷路的現象；3、在焊接電路板時，錫中含有雜質造成電路的斷路等問題；4、在焊接電路板時，放在焊盤中的元器件的引腳傾斜常常會造成二次焊接，會對電路板造成損壞。 5、在焊接電路板時，容易出現漏焊 和元器件焊反、焊錯元器件等問題52焊接電路的注意事項1、焊接電路時要先看電路板圖，以避免焊反及焊錯元器件；2、焊接電路時應注意將對應的元器件安裝到焊盤中再進行焊接；3、在焊接電路的過程中，要按照焊接元器件的順序進行焊接而不能盲目的焊接；4、在焊接電路的過程中，將焊烙鐵及時的放回焊烙鐵的架子上而不能隨手亂放；5、在焊接電路的過程中，不要將帶有錫的焊烙鐵隨手搖晃，以避免將錫濺到身上；6、在焊接電路的過程中，要將較小的元器件妥善保管以免丟失；7、焊接電路板結束時，將桌面保持整潔等；53畢業(yè)設計總結 在時間的不斷累積中，在老師的認真指導之下，我已順利完成了此次液面報警器的畢業(yè)設計。 在此次液面報警的畢業(yè)設計中，它主要包含三大部分：低位報警器、高位報警器以及電網電壓。低位報警器是利用電容的放電過程進行對電路的供電，而高位報警器則是利用電容的充電過程，此時電容就類似一根導線，電流直接通過。電源部分是利用電網電壓進行對整個電路的供電，它是將電網電壓進行變壓濾波器及整流所得到的，但在整個電路中起著主要作用的是555集成電路。 在本次的液面報警器的設計中，電路圖的設計思路、電路圖的元器件的連接、電路符號的正規(guī)標識都存在很多問題，通過老師的不斷的講解與引領，電路的概念在我的思想中開始浮現，通過不斷的翻閱書籍和網上的查找資料，電路的知識已開始慢慢占據我的腦海，而我以開始慢慢去消化設計電路的所運用的知識，通過老師的不斷的檢查，我將自己所消化的有關液面報警器所運用的知識開始靈活運用，雖說我能夠運用有關液面報警器的課本知識和通過網絡所查找的有關資料，但是仍留有許多問題，這些問題不僅包含電路的設計，同樣包含許多論文的格式等細節(jié)問題例如標題的字體和大小，符號的下標，電路圖的規(guī)范度和清晰度。以及論文的不可缺少的各個部分等。在電路的焊接過程中，電路的焊接也存在很多的漏洞，對焊接的不了解不熟悉等造成焊接的斷路和短路等各種問題。 通過本次液面報警器的電路設計，我對論文有了大致的了解，明白了論文的結構，了解了論文的概念，最主要的是對自己所學過的知識有了更深刻的理解，從理論到實際的過程，由實驗到做出實際成果的過程，讓我有所感悟，明白知識是靈活的，看到了555電路的另一面， 555電路的電路圖是有一定的結構，存在一定的原理，但是它所帶來的卻是廣泛的應