太阳能热水器水位温度显示电路的设计与制作(2)

图2-1 电源稳压滤波电路

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图2-2 开关电源电路

2.1.2 电源电路的分析

由图2-1可以看出，电源通过一个DC头接入板子，经过一段简单的滤波和稳压进入开关电源部分。在滤波电路里的拨动开关S3为整个电路的总开关。

开关电源电路部分由Q1、Q3、Q5、S2(按钮开关)、D3（电源指示灯）及相关的外围元件组成。在未按动S2时，电路里的三个三级管Q1、Q3、Q5均处于截止状态，无电源输出，电源指示灯D3（红色）不会点亮。此时4.5V电压经过电阻R2和R5向电容C2充电。当第一次按下S2瞬间，电容C2快速放电，三级管Q1、Q3导通，4.5V电源经三级管Q1集电极输出，红色的电源指示灯亮起，同时Q5由于Q1和Q3的导通也进入导通状态。再次按下S2时，三级管Q1、Q3截止，电源关断电源指示灯熄灭，三级管Q5也截止，开关电源电路部分停止工作。 2.2 温度显示电路的设计与分析 2.2.1 温度显示电路模块核心芯片介绍

LM3914是10位发光二极管驱动器，它可以把输入模拟量转换为数字量输出驱动10位发光二极管来进行点显示或柱显示。内部原理图如图2-3所示。

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图2-3 温度显示电路

LM3914各引脚主要功能如下：

引脚 主要功能 引脚 主要功能 1 接发光管负极 10 接发光管负极 2 地 11 接发光管负极 3 正电源 12 接发光管负极 4 发光管最低亮度设定 13 接发光管负极 5 信号输入 14 接发光管负极 6 发光管最高亮度设定 15 接发光管负极

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7 基准电压输出 16 接发光管负极 8 基准电压设定 17 接发光管负极 9 模式设定 18 接发光管负极

LM3914参考电压源输出约5V，即在7脚和8脚之间维持一个5V的基准电压Vref，该基准可以直接给内部分压器使用，这样当Vin（5脚）输入一个0～5V电压时，通过比较器即可点亮0～10个发光二极管。LM3914的9脚为显示模式转换端，将该脚接地或悬空时，显示模式为点状 (LED单级发光)；将该脚接正电源端 (Vcc)时，显示模式为线状 (逐级发光)。

2.2.2 温度显示电路模块设计

温度显示电路模块主要由温度传感器（负温度系数热敏电阻）、U1(LM3914)、Q2、Q4及发光二极管（绿色）等元器件组成。整个功能的实现都是靠LM3914控制的。电路原理图如图2-4所示。

图2-4 温度显示电路

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2.2.3 温度显示电路模块分析

温度显示电路工作时，接插件J1连接的负温度系数热敏电阻因温度变化而产生变换的电压，该模拟信号从LM3914的5脚 (输入端)输入，经输入缓冲器放大后，送至10级电压比较器的反相输出端，与各电压比较器正相输大端的分压器上基准电压进行比较。每级分压器上的基准电压为0.125V，逐级比较电平分别为0.125V、0.25V、0.375V、0.5V 1.25V。当输入模拟信号电压低于0.125V时，10级比较器均输出高电平；当输入信号电压高于0.125V时，电压比较器1输出低电平 (1脚)；当输入信号电压高于0.25V时，电压比较器2输出低电平 (18脚) 当输入信号电压高于1.25V时，电压比较器10输出低电平 (10脚)。现将这10个输出端接上发光二极管，即可线性地显示出输入模拟信号的大小。在本设计中将LM3914的9脚接正电源端，故点亮的LED为柱状的。根据负温度系数热敏电阻的工作特性及电路原理最终可以看到的现象是随着温度的升高，点亮的LED数目增多。

在该电路中有一个温度显示延时开关S1，按下按钮开关S1的瞬间，三极管Q2导通，由于Q2的导通使三极管Q4也导通，Q4导通后U1（LM3914）的3脚有电源，LM3914开始工作。S2断开后Vcc向电容C1充电，Q2和Q4维持导通状态，随着电容C1的电压的上升，三极管Q2基极的电压将小于0.7V，无法维持Q2导通。Q2截止后Q4也会由导通变截止，此时LM3914的3脚无电压输入，芯片停止工作。 2.3 水位显示及超水位报警电路设计与分析

2.3.1 水位显示及超水位报警电路模块核心芯片介绍

CC4069 是由六个 COS/MOS反相器电路组成，此器件主要用作通用反相器，即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。芯片内部主要结构见图2-5所示。

图2-5 4069内部主要结构

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CD4069为CMOS数字集成电路，是一种高输入阻抗器件，容易受外界干扰造成逻辑混乱或出现感应静电而击穿场效应管的栅极。虽然器件内部输入端设置了保护电路，但它们吸收瞬变能量有限，过大的瞬变信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用。CMOS集成电路输出0电位在0.4V以下。输出1电位在2.4V以上。在5V电源电压下，要求输入0电位不要超过1.5V，输入1电位不要低于3.5V。使用CD4069的任意两个非门外加两个电阻一个电容可构成一个典型的多谐振荡器电路，该多谐振荡电路周期可调:T=2.2RC。

2.3.2 水位显示及超水位报警电路模块设计

水位显示及超水位报警电路主要由U2(4069六反相器)、Q6、发光二极管（红色）、蜂鸣器及其他元器件组成。水位由发光二极管模拟显示，U2E、U2F、R23、R24、C8组成多谐振荡器，为蜂鸣器提供矩形波。

水位显示及超水位报警电路原理图如图2-6所示。

图2-6 水位显示及超水位报警电路

电路图中的J2为一个接插件，接入的信号为水位的位置，水位示意图如图2-7所示。

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J2

图2-7 水位示意图

2.3.3 水位显示及超水位报警电路模块分析

整个水位显示及超水位报警电路工作原理为，当水箱水位低于A点时，水位指示灯全灭，显示当前水箱无水，应给予水箱加水；当水箱水位到达为A位置时六反相器4069的1脚为低电平0，则2脚经过非门电路的作用得到一个高电平，指示灯LED16点亮，显示当前水位为1挡；当水箱水位达到B位置时，六反相器4069的1脚和3脚都得到一个低电平，则2脚和4脚输出高电平，指示灯LED16和LED15点亮。由此可以知道，水位的显示也是柱状点亮的，能很形象的显示水位的高低。当水位到达D点位置时，水位指示灯全亮，同时，蜂鸣器发出滴滴的报警声。提示用户水箱已满，可以停止加水。

用U2E、U2F、R23、R24、C8组成多谐振荡器电路原理为：当反相器U2F输出正跳时，电容C8立即使U2E输入为“1”，输出为“0”。电阻R24为C8对反相器输出提供放电通路。当C8放电到U2E的转折电压时（为1/2电源电压），U2E输出为“1”，U2F输出变为“0”。电阻R24连接在U2E的输出端对C8反方向充电。当C8被充电到U2E的转折电压时，U2E输出为“0”，U2F输出为“1”，于是形成周期性多谐振荡器。其振荡周期T=2.2*R24*C8=0.726 S。电阻R23是反相器输入端保护电阻，接入与否并不影响振荡频率。

3 总电路设计与分析 3.1 总电路的设计

总电路的设计是在电源电路、温度显示电路、水位显示及超水位报警电路的基础上整合出来的，电路图如下图3-1。

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图3-1 总电路图

3.2 总电路的分析

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