水位自動控制電路綜述

1、* 大學信息學院數(shù)字電路 課程設計報告題 目： 水位自動控制電路 專業(yè)、班級：電子信息科學與技術 學生姓名：學 號：指導教師：指導教師評語:成績：教師簽名:任務書目錄目錄1 設計目的42 設計目的要求 43 設計方案選取與論證 44 仿真過程及結(jié)果51 設計思路62 現(xiàn)有設計方案63 總體設計框圖 75 結(jié)論故障分析及解決 16 參考文獻 15附錄 16三 內(nèi)容1. 設計目的通過這次設計熟練對電子設計的動手技能， ，提高電子設計的能力， 同時也培養(yǎng)學生收集、整理、分析和刷選利用資料及各類信息的能力，也 使得學生通過這次的設計對所學的數(shù)電和模電知識及各種電路、電路元件 的功能更好的理解和運用。2

2、. 設計任務要求功能： 1、當水位低于最低點時，電路能自動加水。2 、當高于最高點時，電路能自動停水。3 、該電路的直流電源自行設計。 （可采用 W78系列） 要求： 1、選擇適當?shù)脑骷?，設計該電路。以實現(xiàn)上述功能。2 、 利用 Proteus 繪制其電路原理圖并進行仿真。3. 設計方案選取與論證3.1 設計方案的選?。?）繼電器式自動上水控制裝置繼電器式水位控制裝置工作原理是通過接入 220V繼電器控制電路的 3 個探測電極來檢測水位高低，使繼電器閉合或開啟，控制水泵電動機的開 停，達到控制水位的目的，控制電路較簡單，但要注意以下幾點 :1）在維修水塔中的水位探測電極時，須斷開主回路和控制

3、回路電源開 來使 N線帶電，造成維修人員的觸電危險。2）在水塔的低水位探測電極 C的引線端，必須進行 N 線的重復接地。 接地電阻要求小于 4，使 C 點水位探測電極保持良好的零電位，以利于繼 電器的可靠吸合，使自控電路運行穩(wěn)定。3）在水泵向水塔供水時，由于水流的沖擊，使水塔內(nèi)的水位波動起伏， 容易導致繼電器吸合、斷開的頻繁跳動，影響自控電路的正常穩(wěn)定運行。 為了解決這個問題，我們可以在水塔中放置一木排浮漂，使水塔的水位上 升平衡穩(wěn)定。（2）晶體管式自動上水控制裝置晶體管式水位控制裝置工作原理是水位高低控制串接探測電極的2 支晶體三極管的導通、關斷，從而控制繼電器回路，達到自動（可手動 ）啟停

4、水泵電動機的目的，以控制水位。設計與使用中應注意以下問題 :1）自制電子式自控裝置所選用的電子電器元件必須是正規(guī)產(chǎn)品，并應 對元器件的主要技術參數(shù)逐項檢測。對裝配好的整機要進行電老化及熱老 化的試驗，并在電氣試驗室作額定工作狀態(tài)的頻繁動作 100 次以上的傳動 試驗，以及絕緣耐壓試驗等。2）由于三極管輸出信號較小，需通過中間繼電器來控制主回路接觸器， 以延長器件壽命，增加可靠性。3）水位探測電極， 至少要用 6mm2 的銅芯塑料線，如用 30mm 3mm或 40mm 4mm 銅排則更好。其端部要用電烙鐵加熱搪錫，以防止探測 電極氧化銹蝕，降低電極的導電性能。4）定期對整個控制電路檢修維護和探測

5、電極的清掃除垢。3.2 論證綜合考慮元件購買、成本高低、簡便性和數(shù)字電路向?qū)τ谀M電路易 操作等因素，本設計采用了方案二。4. 仿真過程及仿真結(jié)果總體設計框圖由任務分析可知該設計電路有兩個功能：水位控制、水位顯示。而要 有這些功能就必須要有使其工作的控制信號，所以首先即必須要有輸入信 號，因為任務要求是自動控制，所以輸入信號也必須由電路自己產(chǎn)生而不 能人為加入，因此可以將整個電路設計為以下部分：信號產(chǎn)生、信號處理、 電路控制和水位顯示電路。整體電路框架如下圖 1 所示。1、設計思路每部分電路都有其相應功能：首先有信號產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個電路的輸 入信號，該信號經(jīng)過信號處理部分處理之后，輸出其他電路

6、的控制信號，控制其他電路工作，電機控制電路部分接收到有信號處理電路輸出的有效控制信號后正常工作驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動抽水，使水位上升，而水位的變化有直 接關系到信號的產(chǎn)生，因此有個循環(huán)的過程，即使水位保持在一定范圍內(nèi)： 水位顯示電路接收到有效信號后驅(qū)動顯示器工作，使其顯示該時刻的水位； 水位超限時輸出為報警電路的有效控制信號使報警電路工作，驅(qū)動報警器 報警。由“信號產(chǎn)生信號處理電機控制電機信號產(chǎn)生”這個循環(huán) 就能使水塔具有自動控制水位的能力。2、現(xiàn)有設計方案555 定時器組成的水位自動控制器3、總體設計框圖3.1 、 信號產(chǎn)生部分該電路的目的是產(chǎn)生有效的輸入信號，主要原理是利用水的弱導電 性。水屬于弱導

7、電質(zhì)、即使這樣也可以通過水來傳遞微弱的電信號，鑒于 此原理，初步將該電路設計成由水面上升與下降來控制電信號的接通與斷 開；當水位上升時接通電信號；當水位下降時斷開電信號。按此分析，只 要在水塔里放上用來傳遞電信號的探頭，則水位上升到探頭位置時接通電 信號；水位低于探頭位置時斷開電信號。把電信號接通時設為有效信號即 當做輸入信號，而斷開時設為無效信號，因此可以由電信號的接通與斷開 之間的變化產(chǎn)生信號當做控制信號。在水塔的不同位置放置幾個探頭時就 可以根據(jù)水位的高低接通某些探頭和斷開某些探頭。因此只要知道每個探 頭具體位置，再根據(jù)其輸出電信號的情況就能大致確定水位的位置，將探 頭輸出的電信號當做輸

8、入信號經(jīng)過處理后成為電路的控制信號。根據(jù)設計的要求，設水塔分水滿、不足、兩者之間三部分，因此可用 探頭個數(shù)設計為三個點的水位，原理圖如下：a-c 為三個檢測探頭，其中 a 探頭表示水箱底部水不足的臨界點， b 表示在水滿和水不足之間， c 探頭表示水滿的觸點。 COM 為公共電極，接 +5V ，為了提高精確度，將公共電極盡可能的靠近探頭，即使電極與探頭 的距離盡量小，有利于電信號的傳遞。a-c 為三個檢測探頭，其中 a 探頭表示水箱底部水不足的臨界點， b 表示在水滿和水不足之間， c 探頭表示水滿的觸點。 COM 為公共電極，接 +5V ，為了提高精確度，將公共電極盡可能的靠近探頭，即使電極

9、與探頭 的距離盡量小，有利于電信號的傳遞。圖 2 探頭原理圖3.2 、 信號處理部分該部分主要是對輸入信號進行處理輸出其他電路的控制信號，由于水 的導電性十分微弱，由公共端通過探頭的電信號會很小，不一定能夠成為 滿足電路工作的控制信號，因此可以接一個反相器對輸入信號進行處理。圖 3 所示即為用反相器對信號處理的原理圖3.3 、水位顯示部分由以上電路的設計，可選用 74LS147 的優(yōu)先編碼器，所謂“優(yōu)先” 編碼即多個輸入端同時滿足編碼條件時，只對最高位編碼。先用優(yōu)先編碼 器把所輸入信號進行編碼，編碼后由于輸出低電平信號有效所以用反相器 進行校正，校正后驅(qū)動顯示器進行工作。用開關的通斷來分別表示

10、水滿、不足、中等這幾個信號，水滿時顯示 器可顯示 3，水不足時顯示 1 。根據(jù)要求該電路設計以編碼器為核心的編碼電路，具有設計的電路如 下圖 4 所示：圖4 信號編碼電路a、b、c為信號輸入端， D、C、B、A 為編碼器信號輸出端。元件選 擇：編碼器 74LS147 ，反相器 7407 ，顯示器。3.4 、控制電路 該部分為整個設計電路的重點部分，也是難點部分。主要目的就是要 控制電機的工作，通過控制電機的工作來控制水位，這也就是本實驗的主 要設計目的?，F(xiàn)用燈泡的亮滅代替電機的運轉(zhuǎn)。由于任務要求：當水位低時要自動 進水，滿時要及時斷電停水。也就是說只有 A 開關閉合時電機運轉(zhuǎn)，現(xiàn)在 用燈泡來表

11、示即為燈滅 ;當3 個開關都閉合是即顯示 3 燈亮。該部分電路設計如下圖：由于當 DCBA 為 0011 是燈亮， DCBA 為 0001 是燈滅，故上圖開關 A 閉合表示 B=1 ， A 打開表示 B=0.其原理為： A1 和 A2 是兩個 555 時基集成電路，其中， A1 及 R1、 R2 、C2 組成自激多諧振蕩器， A1 的 3 腳每 50s 輸出一個寬度僅為 0.1s 的低電平脈沖。 A2 與 R4 、C3 組成延遲約為 70s 的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。當水池中水位最低時即顯示器顯示 1 時，上面開關斷開，此時 A2 的 2 腳為低電平， 3 腳為高電平，燈不亮。當水位上升最高點時，開關閉

12、合，A2 的 2 腳仍為高電平， A2 的 3 腳變?yōu)榈碗娖?，燈亮?yōu)先編碼器的輸出信號與燈的狀態(tài)之間的關系：DCBA燈0001滅0010保持0011亮其總電路圖為：3.5 、 元器件的選用及其參數(shù)1）在這里選擇的 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是由555 定時器的基礎上發(fā)展而來的。先對 555 定時器做個簡單的介紹。如圖 圖。3 所示是它的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖3表是 555 定時器的功能表，充分說明了它的特性。如表（ 2）表（ 2）555 功能表555 定時器是一種應用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、 方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。 因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控

13、制與檢測。在這里用到的 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其工作特性是沒有觸發(fā)信號時，電路 只有一種穩(wěn)定狀態(tài)一直保持低電平不變，有觸發(fā)信號時，先會進入暫穩(wěn)態(tài) 再回到穩(wěn)定狀態(tài)。 555 時基電路 (IC) 接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形式，繼電器接在 IC 輸出端 3腳與地之間， 2腳為觸發(fā)信號輸入端。平時 3腳輸出信號 V=0， 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為穩(wěn)態(tài)。當有一負觸發(fā)脈沖 Vi 作用于 2 腳時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)， 3 腳輸出信號 Vo=VCC。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器驅(qū)動電路的特點是每 觸發(fā)一次 555 時基電路便驅(qū)動負載工作一個固定的時間，該工作時間等于 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬丁 (T=1.1RC) 。在這里主要發(fā)揮了它的

14、三大特點 : 其一，觸發(fā)電流僅為 0.5 A，特別適用于電極式水位觸發(fā)導通電流越小越好 的關鍵技術特性；其二，輸出負載電流大，最大可達 200mA，可直接驅(qū)動繼 電器；其三，可利用單穩(wěn)態(tài)電路的延時特性避免由于水流沖擊導致水塔內(nèi) 水面波動起伏而影響輸出繼電器頻繁跳動的不良現(xiàn)象，以使自控電路工作 更加穩(wěn)定可靠。如圖 4 所示為 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路圖。2) 其他元器件及其參數(shù)表 6 元器件及其參數(shù)Q1-Q8 、 Q9三極管 9013 9014R1-R8 、R9、R10-R16電阻 10k 2k 220 歐姆IC1編碼器 74147IC2反相器 7404IC3 、IC4四輸入與非門 7420IC5譯

15、碼器 7448IC6二輸入或門 4071IC7二輸入與門 7400C1-C8電解電容 10uf報警器NE555 時基定時器顯示器顯示器5. 結(jié)論故障分析及解決 通過這次課程設計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在設 計過程中，經(jīng)常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以 行得通，但實際接上電路，總是實現(xiàn)不了，因此耗費在這上面的時間用去 很多。我在做課程設計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知 識太多，平時課間的學習并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且 考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設計過程中，我們了解了很多元件的功能， 并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。平時

16、看課本時，有時問題老 是弄不懂，做完課程設計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多 東西。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理 的唯一標準。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理 論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論 中得出結(jié)論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立 思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第 一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自 己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多專業(yè)知識問題， 最后在老師的辛勤指導下，終于按時完成。同時，在老師的身上我們學也 到很多實用的知識，在次我們表示感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W 和各位指導老師再次表示忠心的感謝！此次課程設計，學到了很多課內(nèi)學 不到的東西，比如獨立思考解