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水满报警器课程设计论文
目录
摘要
1、引言2
2、电路原理图2
2.1工作原理3
2.2CD4011其他典型应用3
2.3课设参数计算4
2.4分析起振原理5
2.5分析VD1作用5
3、PROTEL制作PCB板6
3.1PCB制作流程图6
3.2PCB制作中的过程7
4、课程设计数据分析8
4.1设计中原件参数选择8
4.2理论数据计算9
5、课设用到主要元器件介绍9
6、课程设计中遇到问题和解决方法12
7、个人心得13
8、参考文献14
1、引言
生活中，有许多时候，我们需要人工的去控制水位，或者没有发现水位超出最大值的情况，对于水位的具体数值没有一个标准。
为了实现精确的控制水位，必须用测控电路去实现水位的自动报警和控制，本文所用的水满报警电路就是一个实用的例子。
2、电路原理图
课程设计仿真图
图2.1水满报警电路仿真图
课程设计电路图
图2.2水满报警电路原理图
设计内容：
（1）电路工作原理分析；
S1是电源开关，当S1按下时接通电源，电路正常工作；S1弹起时断开电源。
电路图中4个与非门使用CD4011内部集成的与非门实现；
其中水箱中的A、B两根检测电极，作为水位控制的传感器。
当水未满（或未达到预定水位时），A、B间为断开状态，阻值很大，所以与非门1的输入端为高电平，输出端为低电平，三极管VTl截止，则继电器J1线圈无电流通过，J1不工作。
同时，由于与非门3的上输入端和与非门1的输出端相连，也为低电平，故由与非门3、4组成的音频振荡器停振而无信号输出，压电陶瓷片HTD不发出报警声响。
另外，与非门2输出为高电平，发光二极管LED也不发光。
当水箱水位达到预定水位（如水位达到B电极位置时），A、B间因为水的连接而近似短路状态，所以与非门1的输入端为低电平，输出端为高电平，VT1导通，继电器J1线圈中有电流通过，继电器吸合；同时与非门3的上输入端和与非门1的输出端相连，也为高电平，故由与非门3、4组成的音频振荡器起振，压电陶瓷片发出报警声响。
另外，与非门2输出低电平，发光二极管LED发光。
（2）详细分析CD4011的多种具体应用典型电路；
对于CD4011，有很多种典型电路的应用.以下有一种实用煤气漏气报警电路.
图2.3CD4011应用电路
其工作原理是实用煤气泄漏报警器电路如图所示。
2输入4与非门集成电路芯片CD4011中的两个与非门3、4组成音频振荡器。
QM-10N为气敏传感器，它可以对煤气、液化石油气及瓦斯等进行检测。
QM-10N的1、2端为热丝端，加有5V的交流电压。
当无有害气体泄漏时，A、B两电极间呈高阻值，与非门l输出为高电平，则与非门2输出为低电平。
该低电平加到与非门3的一个输入端，从而使由与非门3、4组成的音频振荡器停振，无信号输出，压电陶瓷片HTD无报警响声发出。
当有害气体泄漏时，气体进入气敏传感器，使气敏传感器A、B两电极问的阻值下降，则B端的电位升高，从而触发与非门翻转，与非门l输出低电平，与非门2输出高电平。
音频振荡器起振，振荡信号经三极管VTl放大后，通过耦合变压器T2加到压电陶瓷片HTD上，驱动压电陶瓷片HTD发出报警声。
实际中CD4011还有很多典型的应用到实际的电路,本次我们课程设计所采用就是CD4011这种集中了4个与非门的芯片。
（3）计算流过R4、R2、R1电阻的电流；
①、R1因为在导通后分别于6V电源的正极，以及和地相连，所以R1两端的电压为6V。
在没有接通（即水位没有达到警报水位的时候）R1上没有电压。
R1=6V/220K=27.3uA；
②、当接通（即水位没有达到警报水位的时候）1A输出状态翻转,由低电平变成高电平。
再通过2A与非门,电压再次翻转为低电平（即0V）,而发光二极管的压降为0.7V,所以电阻R2上留过的电压为（6-0.7）V。
R2=（6V-0.7V）/1K=5.3mA；
③、当接通（即水位没有达到警报水位的时候）,通过与非门后,高电平为5V,三极管的导通压降为0.7V，R4=（5V-0.7V）/10K=0.43mA
（4）分析起振原理；
计算与非门3、与非门4、R3、C1构成的振荡器信号频率，并分析起振原理；
根据公式f=（1-1.5）/RC，结合本次设计,R=100K,C=2000pF。
所以有转折频率f=（5.0-7.5）KHz
（5）分析VD1的作用；
VD1为二极稳压管，稳压在0.7V，这是为了在水位上升，电路连通后，继电器线圈通电，VD起到保护继电器线圈的作用，防止启动电压过高烧毁继电器线圈，如果继电器短路或者断开，则线圈无法工作。
扩展方案：
因以上电路压电陶瓷片发出声音过小，所以我们另做一个电路。
电路图如下：
图2.4四级水位指示电路
原理：
这个水位指示器电路共四级水位指示（LED指示）， 水满时会发出音频报警，很实用。
工作原理:
该电路由一片四双向模拟开关集成电路CD4066为核心构成。
每个电路内部有四个独立的能控制数字或模拟信号传送的开关。
当水箱无水时，由于180K电阻的作用，使四个开关的控制端为低电平，开关断开，LED不发光。
随着水位的增加,由于水的导电特性，使得IC的13脚为高电平，S1接通，LED1点亮。
当水位逐渐增加时，LED依次发光指示水位。
水满时，LED4发光，显示水满。
同时T1导通，B发出报警声，提示水已满。
不需要报警声时，断开开关K即可。
电路参数如图所示，该电路可以显示四个水位，分别是1/4,1/2，3/4，和水满。
而且蜂鸣器发出声音较大。
3、PROTEL制作PCB板
3.1．在Altiumdesigner上首先完成电路原件的选择，然后按照电路图布线。
然后生成pcb图，然后采用自动布线功能。
以下为我们总结的Altiumdesigner制作pcb的流程图：
图3.1Altiumdesigner制作PCB的流程
图3.2水满报警电路Altiumdesigner原理图
（1）PCB图纸基本设置。
进入PCB设计的第一步是，根据所设计的项目确定将要设计的PCB板的尺寸、形状、安装方式及PCB板的工作层数量。
这一步需要综全考虑到各方面因素，以达到系统最佳工作性能为目的。
（2）加载网络列表信息。
通过加载在电路原理图中生成的网络列表文件，将电路理图中的信息传输到PCB设计中，如果加载有错误发生，需要修改电路原理图中的元件符号与元件封装间的对应关系，直到成功导入为止。
（3）PCB元件布局。
所有的元件PCB封装被正确导入到PCB文件后，接下来需要做的工作是对所有的元件PCB封装按照一定的规则和要求进行布局，布局有自动布局和手动布局两种方式，如果元件PCB封装符号较多，一般先选自动布局，然后进行手工调整布局；反之，最好使用手动布局。
（4）布线规则设置。
根据系统的要求进行布线前的布线规则约束设定，使自动布线器能够按照预定的布线规则要求进行自动相结合方式。
以及为手工布线过程中的在线规则检查提供依据，以实时提示走线方式的正确性。
（5）布线。
布线分为手动布线和自动布线，一般如果PCB板不是很大，最好使用纯手式布线或者利用手式布线和自动布线相结合方式。
布线的时候为了方便布线和设计使用，可根据需要再次调整元件PCB封装符号的布局和元件PCB封装类型，利用Protel的同步器设计工具可以很好地配合这样的修改工作。
（6）设计规则检查。
布线完成后，和电路原理图设计一样，需要对所完成的PCB设计进行设计规则检查，以确定设计能完全符合布线布局要求。
正确无误后，就可对所设计的PCB板添加标注和注释等信息。
图3.3水满报警电路的PCB元件布线图
4、课程设计数据分析
4.1．元器件的选择:
表1元件清单表
名称
规格
数量
电阻R1
220K
1个
电阻R2
1K
1个
电阻R3
100K
1个
电阻R4
10K
1个
电容C1
2000pf
1个
电容C2
100uf
1个
A,B电极
铜导线
若干
芯片
CD4011（带底座）
1片
LED发光二极管
红色
1盏
压电陶瓷片
1片
电源
电池盒（6V）
1个
继电器J1
额定电压为5V
1个
三极管VT1
NPN型
1个
直流6V电源
PCB板
1块
开关2个
扩展方案元器件：
4.2.1理论数据计算
流过R1.R2.R4的电流
R1=6V/220K=27.3uA
R2=（6V-0.7V）/1K=5.3mA
R4=（5V-0.7V）/10K=0.43mA
经过与非门低电平为0V,高电平为5V。
4.2.2．实际数据测量
R1=6V/220K=28.0uA
R2=（6V-0.7V）/1K=5.01mA
R4=（5V-0.7V）/5K=0.86mA
经过与非门低电平为0V,高电平为5V。
5、课设用到主要元器件介绍
CD4011（四与非门）：
图5.1CD4011内部结构图
其中14脚,7脚为电源的连接。
123,456,111213,8910分别组成4个不同的与非门。
图5.2CD4011管脚图
下面为CD4011的真值表
逻辑表达式：
Y=A.B
真值表如下
A=Y.B
表1-1与非门真值表
X
Y
Q
动作
0
0
？
禁止
0
1
1
设定
1
0
0
重置
1
1
不变
无
（1）当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用，如真值表第一列。
（2）当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为“1”，使得NAND-B的两个输入均为“1”，因此NAND-B的输出为“0”，如真值表第二列。
（3）当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为“1”，使得NAND-1的两个输入均为“1”，因此NAND-A的输出为“0”，如真值表第三列。
（4）当X=1、Y=1时，因为一个“1”不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。
CD4066
是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。
引出端排列与CC4016一致，但具有比较低的导通阻抗。
另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。
CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p和n器件在控制信号作用下同时开关。
这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。
与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。
但若应用于采保电路，仍推荐CD4016。
当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如=﹢5V，=﹣5V（均对地0V而言），则输入电压对称于0V的正、负信号电压（﹢5V～﹣5V）均能传输。
这时要求控制信号C=“1”为+5V，C=“0”为-5V，否则只能传输正极性的信号电压。
元件电路管脚图如下：
图5.3CD4066管脚图
压电陶瓷片介绍:
图5.4压电陶瓷片
当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。
利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。
相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。
基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。
压电陶瓷片由于结构简单造价低廉，被广泛的应用于电子电器方面如：
玩具，发音电子表，电子仪器，电子钟表，定时器等方面。
超声波电机就是利用相关的性质制成的。
继电器:
电磁继电器的工作原理和特性
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
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，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）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，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
6、课程设计中遇到问题和解决方法
1，事先没了解开关原理，导致一开始一直以为电路出问题。
花了很长时间，自后用万用表逐个检查原件，最后发现开关接错了。
2，二极管接反，导致三极管直接与电源相连，电压过大。
导致三极管发热烧坏。
之后通过检查发现。
3，电路完全接好后，LED灯亮了，压电陶瓷片不响。
花了一个下午，上网查阅资料，组员之间相互讨论，并与其他小组交流。
最后发现，原来电容过大。
换过一个参数小的电容后（原来用2200nf，后用2000pf），陶瓷片可以发出声音了。
但是声音有点小。
4，由于声音过小，我们另外做了一个四级水位指示电路，电路图和原理请看扩展方案。
5，我们使用的是altiumdesigner来制作原理图和pcb布线，由于原理图库内缺少CD4011的原理图，我们自己需要另外自己制作CD4011的原理图，由于太久没有使用这个软件，很多相关功能都已经生疏忘却了，为此我们查找了大量相关文件，还有组内外的讨论合作，最后终于把原理图文件的制作方法重新熟悉了。
7、个人心得
本次课程设计，我们的题目是水满报警电路。
经过讨论分析我们初步确定了设计方案，并且分配了不同组员主要负责的工作。
在整个课程设计中，我主要负责原理图的设计和pcb布线设计，后来由于原设计方案作品发声存在一些问题，我们又做了另外一个方案的作品。
由于没有学过使用protel制作原理图，所以在本设计中我选择了另外一款软件altiumdesigner来制作我们的原理图和pcb图。
由于很久没有使用altiumdesigner，很多相关方面的使用知识都生疏了，在设计的开始前我又重新把使用altiumdesigner的参考资料看了一遍。
后面的设计就顺利了很多，由于原理图库和封装文件库中都没有cd4011芯片的资料，所以这两个器件文件都是另外制作的，为了制作cd4011芯片的原理图库和封装文件，需要了解CD4011的引脚图，电气特性等参数，制作这两个器件图也是整个原理图设计和pcb布线中最难的部分，也是耗费了最多时间的部分。
在这整个过程中，我们组员查阅了大量资料也请教了很多能力比较强的同学，最后终于出了一个比较完整的作品。
在整个设计中，我们遇到了很多不同的问题，虽然大家有不同的分工，但是很多问题在大家的共同努力下都迎刃而解。
通过原理图的设计与pcb布线，我掌握了很多平时所遗漏忘却的知识，进一步熟悉了altiumdesigner的使用方法，还了解到了cd4011的一些应用。
在这个过程中，我感悟最大的就是有什么不懂的要勇于请教别人，同时自己要认真思考，这样我们才能学到更多的东西，毕竟集思广益，一个人的能力是有限的。
另外也懂的了，课堂上的知识倘若一段时间不去复习很快就会生疏，而实践会让我们的知识掌握得更好。
最后很感谢同学们在设计过程中给予的帮助。
8、参考文献
[1]张国雄等编《测控电路》，机械工业出版社，2001.8.
[2]赵负图主编《现代传感器集成电路》，人民邮电出版社，2000.1.
[3]刘征宇主编《线性放大器应用手册》，福建科学技术出版社，2005.1.
[4]蔡锦福等编《运算放大器原理与应用》，科学出版社，2005.7.
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