1、 目 录 摘 要 . I Abstract . 1 引言 . 1 2 电路原理图 . 1 3 工作原理 . 1 4 元件参数选择 . 2 5 PCB 设计流程 . 2 6 PCB 板的 3D 显示 . 4 7 安装与调试 . 4 7.1 理论分析 . 4 7.2 实际调试过程 . 6 8 结论 . 6 参考文献 . 6 致 谢 . 9 - I - 自动水满报警器 摘 要 自动水满报警器是当今运用十分广泛的报警器产品，在消防部门，公司安全和人们的日常生活都发挥着重要的作用。该电路设计方法颇多， 但其功能都是唯一的，实现水满后自动报警，而工作原理，分析方法， 电路调试等都根据具体电路而定，所以对电
2、路工作原理分析和电 路安装与调试处理技术犹为重要。本文从自动水满报警功能出发设计 了一个功能较为完善的电路，并对电路工作原理 和 元件参数选择处理进行了系统的分析，根据工作原理和调试的结果， 从 所存在的一些问题着手解决 ， 改变电路结构和元件参数，进而 更准确地制作 完成 电路 功能 。 关键词： 报警器 ； 工作原理 ； PCB 制作流程 ； 安装与调试 2002 级电子信息科学与技术专业 毕业论文 (设计 ) 英文摘要 - - Abstract Nowadays, automatic water annunciator is used extensively.It plays very
3、important role in fire engine department, company security, and our daily life. There are many ways to design its electric circuit, but it has only one function that it alerts when water is full. Work principle, analysis, depend on the concrete electric circuit, such as adjustment of electric circui
4、t, which is very important to analyze the electric circuit work principle, install, adjust and processing electric circuit. We have designed a more perfect electric circuits based on function of automatic water annunciator and analyze systemically the work principle of electric circuit and selection
5、 of component parameter. According to work principle and results of adjustment, there are still some problems. We have solved the problems, and changed the component parameter,and made its electric cirtuit accurately. Keywords： Annunciator ; Work principle ; PCB produce flow ; Installment and adjust
6、ment 2002 级电子信息科学与技术专业毕业论文（设计） 共 9 页 第 1 页 1 引言 现在生活好了，很多家庭都用上了太阳能热水器，其应用太阳能，清洁无污染，实用价廉，深受喜欢。但市场上出售的大多太阳能热水器水满报警装置太简陋，只设了一条回水管，水从回水管流出来很容易被忽视，易造成水的浪费，而现在却出现了水满报警装置采用了水满自动报警。这种“水满信号”容易被发现，如文中图 1 报警电路所示，它代替回水管的使用，当太阳能水满时，报警器发出柔和的报警音以提醒水满，关闭阀门后，报警音自动停止。它克服了传统回水管易老化，易断，易堵，易冻，费水和水满无声容易遗忘而漫水 的缺点等等。因效果好能发声
7、报警并且在市场上价格也较低，所以自动水满报警器广泛应用于太阳能热水器、水箱及储水池等。 结合以上所述，太阳能热水器以节能、无污染等优点，逐渐为企事业单位和家庭广泛使用，但热水器水箱水位在使用时不易观测，有时突然出现中途断水情况，会给使用者带来诸多不便。为此我设计了太阳能热水器水位自动水满报警器，它能在水箱里储水不多，或加入冷水过多时，自动发出约 30 秒钟的音乐报警，同时配以下灯光指示。 2 电路原理图 图 1 自动水满报警电路原理图 3 工作原理 该报警器电路 原理如图所示。图中 D1D4 为全波整流器，为电路提供 12V 直流工作电压， LED1为电源指示灯， R8、 BG6 和 C4 为
8、音乐块 IC（ BXW9300）提供 3.6V 的工作电压。 IC 的 1 端接正电源，4 端接地， 2 端接触发输入端， 3 端为音乐信号输出端。 BG4 和 BG5 将输出信号进行功率放大，以推动扬声器发出报警声。 水位信号由电极 1、 2、 3 测得，电极 3 为公共信号电极。正常情况下，水位低于电极 1 高于电极 2（末端）， BG1 基极相当于悬空， BG1 截止，高水位指示灯 LED2 不发光。电极 2、 3 都浸在水中，马培 ：自动水满报警器 共 9 页 第 2 页 相当于接有一电阻（约 10k）。 BG3 的 ed 结、 R7 和电极 2、 3 构成偏置电路，使 BG3 饱和导
9、通。这时ec 间电压约 0.3V， 使 D6 和 BG2 的 eb 结上电压箝位于 0.3V， BG2 因得不到足够的偏压而截止， BG2基极电压为零，低水位指示灯 LED3 不发光，整个报警系统处于待命状态。 热水器使用时，水箱内的水位将逐渐下，当水位低于电极 2 时，电极 2、 3 断开， BG3 因其偏置电路不通而截止。 BG2 因其 eb 结和 R6 构成偏置电路而导通。由 C3 和 R4 构成的微分电路在 BG2 基极电位突变的同时在 C2、 C3 结点处得到一正向脉冲，该脉冲输入到音乐块 IC 的 2 端，触发 IC 工作，IC 内存乐曲放完一次（约 30 秒钟）后，因 IC 2
10、端无触发脉冲而自行停止报警。 同理，当水箱中加冷水超过电极 1 时， BG1 导通， BG1 集电极由零电位升到高电位，高水位指示灯 LED2 发光。同时 C2 和 R4 构成的微分电路使 C2、 C3 结点得到一正向脉冲，该脉冲触发 IC 工作，报警器发出报警信号，音乐块内存乐曲放完一次后报警自动结束 3。 4 元件参数选择 该报警器所用元件无特殊要求。 D1D4 选用反向耐压较高的 1N4007。电阻 R9 选用 1/2W 碳腊电阻外，其余均用 1/8W 碳腊电阻。 BG6 为 3.6V 稳压管。扬声器 用 8/1W 的。音乐块可根据自己爱好选定。电极 3 应低于电极 1 和 2，电极间应
11、互相绝缘，电极其 1 和 2 的位置决定高、低水位报警范围，可根据实际情况调整确定。以下为 Protel 99 SE 软件对电路元件做的一个清单。 图 2 网络报表 5 PCB 设计流程 PCB（印制线路板）设 计与电路原理图稍有不同，印制线路板属于比较实体化的东西，而电路原理图属于比较抽象化的东西。在设计电路原理图时，比较着重于电路的电气性质。而在设计印制线路板时，比较着重于电路的实际尺寸与空间配置。具体操作流程如图 2002 级电子信息科学与技术专业毕业论文（设计） 共 9 页 第 3 页 图 3 PCB 设计流程图 （ 1） PCB 图纸基本设置。进入 PCB 设计的第一步是，根据所设计
12、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
13、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
14、对所完成的 PCB 设计进行设元件布局 更新 PCB 板 设计原理图 定义元件封装 设计完成 文件打印输出 生成报表文件 自动布线 /手动布 线 布线规则设置 PCB 图纸基本设置 生成并加载网表文件 马培 ：自动水满报警器 共 9 页 第 4 页 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。 （ 7）设计文件输出。包括设计中的详细材料如报 表文件、光绘（ Gerber）文件等的输出 8 。 通过以上的步骤，我们可以设计出上述水满报警电路原理图的 PCB 电路板为如图 3 所示： 图 4 自动水满报警电路 PCB 板 6 PCB 板
15、的 3D 显示 Protel 99 SE 增加了 3D 显示。使用该功能可以显示清晰的 PCB 板的三维立体效果，不用附加高度信息，元件、丝网、铜箔均可以被隐藏。并且用户可以随意旋转、缩放、改变背景颜色等。图 5即为 PCB 板的三维效果图 4。 7 安装与调试 7.1 理论分析 当 PCB 板在电脑上用 Protel 做好之后，将其用激光打印机打印在热转印纸上，并把它转印于敷铜板上，然后再将印好电路图形的敷铜板投入于用水稀释的三氯化铁药水中进行腐蚀，将其不需要的部分去除。这样实际的电路板就做好了；接下来的工作就是对电路板钻孔和元件的焊接安装。安装过程中应先安电阻和电容等小元件，然后再焊接二极
16、管和三极管，其次就是体积较大的器件，最后焊接集成电路。并注意有些元件应防止静电对它的损害，所以在焊接时应将电烙铁接地；对于那些对静电特别灵敏的元件我们应把温度适宜电烙铁的电源断开之后再 进行焊接。元件安装完成后进入调试阶段，接上变压器输出的 9V 交流电源（测电极暂且不放入水中），经二极管 D1-D4 整流之后，测得整流之后的电压为 10.8V 的直流电，同时 LED1 发亮，这表明整流滤波工作正常。测得 BG1、2002 级电子信息科学与技术专业毕业论文（设计） 共 9 页 第 5 页 BG2 的集电极电压均为 0V ， LED2、 LED3 均不发光；再测得 BG6 的负极电压为 3.6V
17、，说明电路工 图 5 自动水满报警电路印制电路板 图 6 自动水满报警电路三维效果显示 马培 ：自动水满报警器 共 9 页 第 6 页 作正常。 当把电极按要求放入水中相应的位 置后，我们再来观测电路工作的情况。当水位低于电极 1 时高于电极 2 末端时， BG1 的基极相当于被悬空， LED1（高水位指示）也就不会发亮；电极 2、 3 极都浸于水中，相当于接有一电阻（约 10k）。 BG3 的 ed 结、 R7 和电极 2、 3 构成偏置电路，使 BG3 饱和导通，低水位指示灯 LED3 也不发光，整个报警系统处于待命状态。当水位低于电极 2 末端时，电极 2、 3 被断开，与此同时扬声器响
18、起音乐，即音乐芯片 IC 被触发， IC 内存的乐曲放完一次（约 30秒钟）后就停止了音乐响声。这是正是由于 IC 的 2 端无触发脉冲而自行停止报警。当水位超过电 极1 时，高水位指示灯 LED2 发光。同时报警器发出报警信号，音乐芯片内存乐曲放完一次后报警自动结束。 值得注意的一点：在调试时电路也很有可能不能正常工作，表现为水位的高低对电路没有任何反应。这主要是由于水的阻值太大，不能让电路中的三极管导通。解决的办法是将电路中的电阻 R2和 R7 的阻值减小就行了。但前提是必须确定电路电极在没有放入水中时电路工作正常（即电路中的各点电位正常）。 7.2 实际调试过程 1、现象一：报警声不停止
19、。 故障原因： R4=430，取值过大，导致时间常数 =RC 也过大。这对 C 充放电的时间就 长。所以就一直报警。 措施：将 R4 的取值改为 180。 2、现象二：稳压管 BG6 不能正常工作。 故障原因：限流电阻 R8=10k 过大， BG6 驱动电流小，电压低。 措施：因为音乐集成 IC 即作为负载电阻这是无法确定的，其属于动态（包括热态和冷态）元件。所以对于 R8 的取值要逐渐降低，直到 BG6 达到稳压作用，且稳定的是电压是4V。 3、现象三： BG5 发烫。 故障原因： BG5 采用 9013 系列，功率过小。 措施：采用 3DD 系列，大功率三极管，才不会出现发烫的现象 8 结
20、论 自动水满报警器的设计制作中，对元件参数的选择 必须详细地从各个方面（模拟电子技术中可以清楚）进行理论上的分析。保证其参数的准确性，电路的可操作性。电路经过理论分析，即可制作印制电路板。在电路板上进行调试工作也是一关键步骤。通过调试，可能出现一些理论上无法判断的故障，采用假设故障法，逐渐找出故障原因。确保电路的准确度。在寻找故障时也要对存在的故障进行分析。从本文中对自动水满报警电路的一系列过程中，我们可以看出：在电路的实现上可能性要高，首先，要分析出各元件的参数；其次，采用 PCB 印制电路板，焊接元件。最后，调试电路，逐级找出故障，并进行分析故障原因。 参考文献 1方大千 方亚敏 .家庭电
21、子小制作 M.北京 :新时代出版社 ,2004.7,P188_189 2钱好竹 张学尤 焦克延 .实用自控报警电子装置制作 365 例 M.人民邮电出版社 ,1985,P282 3曹小锋 .简单实用的水箱水位控制器 J.电子制作 ,1996 年第 3 期 :P87 2002 级电子信息科学与技术专业毕业论文（设计） 共 9 页 第 7 页 4清源计算机工作室 .Protel 99 SE 原理图与 PCB 及仿真 M.北京：机械工业出版社 ,2004.1 5徐晓冰 江 萍 .电工与电子技术实验 M.北京 : 机械工业出版社 ,2003.10,P130_150 6罗会昌 武 天 .电工电子技术实验
22、与课程设计 M.合肥 :中国科学技术大学出版社 ,1996 7孙梅生 李美莺 徐振英 .电子技术基础课程设计 M.北京 :向等教育出版社 ,1989 8张海兵 李 敏 .Protel 电路设计实例与分析 M.北京： 人民邮电出版社 ,2005.10 9童诗白 华成英 .模拟电子技术基础（第三版） M. 北京 :高等教育出版社 ,2001 10叶挺秀 张伯尧 .电工电子学 M. 北京 :高等教育出版社， 1999,9 11杨绪东 刘一名 李 伟 杨兴瑶 .家用电器与工业 控制实用电路精选 M.北京 :化学工业出版社 ,2003.4 12汤元信 亓学广 刘元法 .电子工艺及电子工程设计 M.北京 :北京航空航天大学出版社 ,1999.7 13钟名湖 .电子产品结构工艺 M. 北京 :高等教育出版社 ,2002.7 14 Allan H.Robbins Wilhelm C.Miller,Circuit Analysis:Theory and Practice(Second Edition),2003 15Leonard S . Bobrow,Elementary Linear Circuit Analysis (Second Edition), BEIJING:Publishing House of Electronics Industry,2002.9
