调试自动水位检测报警系统

项目一　自动水位检测报警系统的组装与调试

秦浩同学家里有个蓄水池，以便起到沉淀净化水的作用以及临时停水时可以应急，但家人用完水后常常忘记往里蓄水。能否设计一个当水完了自动提醒主人蓄水的装置呢？通过本项目的学习，我们就能帮秦浩同学解决这个问题，设计一个自动水位检测报警系统。

【知识目标】

　●能说出晶体三极管的开关特性。

　●能说出NPN型三极管开关电路的功能特点。

　●能说出PNP型三极管开关电路的功能特点。

【技能目标】

　●能识读晶体三极管开关电路原理图。

　●能按自动水位检测系统电路原理图完成电路的组装与调试。

任务一　组装自动水位检测报警系统

任务描述

水情、水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供良好的基础资料。工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控，为及时发现事故苗头，防患于未然，经济实用、可靠的自动水位检测报警系统将会发挥巨大的作用。下面我们来完成秦浩同学家的自动水位检测报警系统的组装。

任务分析

自动水位检测报警系统主要采用三极管开关电路和蜂鸣器报警电路等典型功能电路来实现。它利用水是导体的性质，当有水的时候，连通三极管开关电路，切断蜂鸣器报警电路，从而不报警；当没有水的时候，三极管开关电路断开，蜂鸣器报警电路连通，从而使蜂鸣器报警，提醒主人加水。完成本任务，学生需要认知三极管开关电路结构、继电器、蜂鸣器等元件。为了更好地组织教学，建议采用小组协作、理实一体组织教学。

任务实施

活动一　认识自动水位检测报警系统的电路组成和功能

一、电路框图

自动水位检测报警系统的电路框图如图1-1所示。

图1-1

二、电路原理图

自动水位检测报警系统的电路原理图如图1-2所示。

当水位线到达金属块A时，PNP三极管基极输入为低电平，三极管饱和导通，继电器工作，动触点动作，与常开触点连接，蜂鸣器无电流通路，不工作；当水位低于水位线（金属块A的高度）时，三极管截止，继电器不工作，动触点与常闭触点连接，蜂鸣器连通电源，工作实现报警，提示加水。

图1-2

活动二　元件识别与检测

一、元件清单

元件清单见表1-1。

表1-1　元件清单表

二、元件检测

在安装前应对元件的好坏用万用表进行检查，防止已损坏的元件被安装。

（1）三极管检测

对三极管的3个电极进行编号，任意2个编号的电极与指针式万用表的红、黑表笔均有两种连接顺序（即两次测量），总共进行6次测量。6次测量中若只有两次测量指针发生偏转（电阻读数为几千欧～几十千欧），则该管完好，否则该三极管是坏的。

（2）电阻器检测

根据电阻器标称阻值，用万用表电阻挡进行测试，判断其电阻器性能的好坏。

（3）扬声器检测

用万用表检测，选择R×1Ω挡，任一表笔接一端，另一表笔点触另一端，正常时会发出清脆响量的“哒”声。如果不响，则是线圈断了；如果响声小而尖，则是有擦圈问题，不能用。

（4）继电器检测

用万用表的电阻挡，测量继电器线圈阻值一般为25Ω～2kΩ，常闭触点与动点电阻阻值应为0Ω；而常开触点与动点的阻值为无穷大。

活动三　根据原理图，组装电路

电路原理图如图1-2所示。

一、组装步骤

①根据电路原理图正确选用元器件；

②对各种元器件进行正确整形；

③安装元件，要求三极管极性正确、继电器引脚安装正确；

④焊接三极管、电阻、继电器、外部引线。

二、装配工艺

在安装元件时，应注意如下几点:

①检查元件引脚，若有氧化膜，应除去氧化膜，并进行镀锡处理。

②安装时，应先安装小元件（如电阻），然后安装中型元件，最后安装大型元件，这样便于安装操作。另外，应先装耐高温元件，再装耐低温元件。

③在进行焊接操作时要注意安全、焊接时间、送锡方法、烙铁头处理，以及用松香的方法，防止虚焊的措施等。

任务二　调试自动水位检测报警系统

任务描述

自动水位检测报警系统组装完成后能否在水情、水位测量中发挥作用，关键在于该系统能否正常工作。接下来对该系统进行检测与调试，使电路能够完成水位的检测及报警，达到预期的效果。

任务分析

在完成本任务前需认知三极管开关电路的工作原理、继电器的工作原理。在电路检测与调试时，主要检测、调试三极管开关电路、继电器的工作状态。

任务实施

活动一　通电前的检查

电路安装完毕后，应先对照电路图按顺序检查一遍:

①检查每个元件的规格型号、数值、安装位置管脚接线是否正确，着重检查三极管的极性、继电器的引脚极性。

②检查每个焊点是否有漏焊、假焊和搭锡现象，线头和焊锡等杂物是否残留在印制电路板上。

③清理好测试场地和台面，以便做进一步调试。

④用万用表测试输入端、输出端有无短路。

活动二　检测与调试

通电检测时，不要急于测试，先用眼看、鼻闻，观察有无异常现象。如果出现元器件冒烟、有焦味等异常现象，要及时中断通电，排除故障后再进行通电检测。

一、原理图

整机测试电路原理图如图1-2所示。

①接通电源，使得水杯里的水位低于铁块A的高度，观察蜂鸣器是否发声。如不发声，则检测蜂鸣器是否损坏，电源是否连通。

②往水杯里面加水，使得水淹没铁块A，此时蜂鸣器应该由发声变为不发声。如果继续发声，则应该检测三极管开关电路及继电器是否正常工作。

二、主要电路和元件调试

（1）三极管开关电路调试（图1-3）

当铁块A悬空时，三极管开关电路截止；当铁块A低电平时，三极管饱和导通。

图1-3

（2）继电器工作状态调试（图1-4）

①铁块A悬空，三极管开关电路断开，继电器不工作，用万用表测量继电器的动触点和常闭触点为导通，电阻近似为零。

②铁块A接低电平，三极管开关电路闭合，集电极工作，动触点与常开触点连通，用万用表测量电阻近似为零。

图1-4

知识链接

知识点一　三极管开关电路

PNP型三极管开关电路如图1-5所示。

图1-5

NPN型三极管开关电路如图1-6所示。

图1-6

开关电路中的三极管只工作于饱和导通和截止两种状态。饱和导通相当于开关的闭合状态，截止相当于开关的断开状态。

知识点二　NPN型三极管开关状态设计原理

NPN型硅三极管的发射结正向偏压值约为0.6V，因此欲使三极管截止，Vi必须低于0.6V，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了保证三极管处于截止状态，往往使Vi值低于0.3V。当然，输入电压越接近零伏特便越能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与发射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使Vi达到够高的电位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作。三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压VCC。均跨在负载电阻上，如此则VCE便接近于0V，而使三极管的集电极和发射极几乎短路。在理想状况下，根据欧姆定律，三极管呈饱和时其集电极电流应该为:

因此，基极电流最少应为:

上两式表示了IC和IB之间的基本关系，式中的β值代表三极管的直流电流增益。欲使开关闭合，则其Vi值必须够高，以送出超过或等于式（1-2）所要求的最低基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极形成的串联电路，故Vi可由下式来求解:

一旦基极电压超过或等于式（1-3）所求得的数值，三极管便导通，使全部的供应电压均跨在负载电阻上而完成开关的闭合动作。

知识点三　认识继电器的工作原理

图1-7

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端（使能端）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作用下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样就达到了在电路中的导通、切断的目的，如图1-7所示。使能端该加多少的电压，就是我们通常说的继电器是多少伏的。例如12VDC继电器指的就是继电器使能端加12V直流电，继电器动作。

知识点四　识别继电器的引脚

表1-2

图1-8

强化训练

一、认一认

识读图1-8中继电器的引脚。

二、做一做

（1）要想三极管饱和导通，则发射结和集电结均应处于正向偏置，即:

NPN型三极管3个电极的电压关系为Ub________Ue，Ub________Uc；

PNP型三极管3个电极的电压关系为Ue________Ub，Uc________Ub。

（2）三极管处于饱和状态时，集电极与发射极之间的电压趋近于________。

（3）用万用表检测5V继电器的公共端与长闭端，公共端与常开端之间电阻，并填入表1-3。

表1-3

图1-9

三、练一练

根据三极管开关电路工作原理，在图1-9中加上适当的电源电压，保证三极管开关电路处于关闭状态，并写出电源电压大小设计原理过程。

学习评价表