自动水满报警器设计论文

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。

该报警器电路原理如图所示。图中D1~D4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，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。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]。

该报警器所用元件无特殊要求。D1~D4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。

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。具体操作流程如图致  谢

（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。

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：

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]。

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、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，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

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）。

1、现象一：报警声不停止。

故障原因：R4=430Ω，取值过大，导致时间常数τ=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180Ω。

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

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。

本文的研究工作是在我的指导老师邓老师的精心和悉心关怀下完成的,在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着邓老师辛勤的汗水和心血.导师的严谨治学态度,渊博的知识,无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的指导老师身上，我不仅学到了扎实，宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的指导老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。

在多年的学习生活中，还得到了许多领导和老师的热情关心和帮助。

在日常学习和生活中，我的同学们也给予了我很大帮助。

在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！