大型水塔水位保持電路的設(shè)計(jì)

1、大型水塔水位保持電路的設(shè)計(jì)“大型水塔水位保持電路”設(shè)計(jì)結(jié)合了包括電力電子技術(shù)知識(shí)在內(nèi)的多學(xué)科多領(lǐng)域的 知識(shí)，具有接線簡單、運(yùn)行靈活的特點(diǎn)。從方案的選取到元件的選擇做到了最大程度的保 證電路系統(tǒng)的可靠性和精確性。整個(gè)電路設(shè)計(jì)共分為5個(gè)部分，分別為水位監(jiān)測電路、水位范圍測量電路、水泵開關(guān)電路、顯示電路和電源電路。各部分電路相互配合、穩(wěn)定運(yùn)行，能夠保證水塔的水位穩(wěn)定在期望的水位范圍之內(nèi)，整體設(shè)計(jì)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。-10 -1 .方案的選取該方案電源電路采用電網(wǎng)供電，通過變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將 電網(wǎng)中的220v交流電轉(zhuǎn)換成12v的直流電。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)，用它來組成穩(wěn) 壓

2、電源只需很少的外圍元件，電路非常簡單，且安全可靠。水位測量和水位監(jiān)測電路主要 由電阻型水壓傳感器和遲滯比較器組成。電阻型水壓傳感器是最典型也是最簡單的一種壓 力傳感器。遲滯比較器不僅可以測量水位的范圍，還可以防止跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。水泵開關(guān) 電路和顯示電路主要由電流放大電路和繼電器組成。繼電器可以提供水泵所需要的交流 電，而電流放大電路是由三極管組成，是一種比較典型的和簡單的電路。用發(fā)光二極管構(gòu) 成顯示電路更容易觀察。綜上所述，此方案電路圖構(gòu)成簡單易懂，元器件的價(jià)格便宜，性能較穩(wěn)定，操作簡單, 具有經(jīng)濟(jì)前景。2 .簡易水位控制電路的基本組成及原理2.1 系統(tǒng)的組成框圖簡易水塔水位控制電路的總體框圖

3、如圖 2-1所示。它是由水位監(jiān)測電路、水位范圍測 量電路、水泵開關(guān)電路、顯示電路和電源電路5部分組成。圖2-1簡易水塔水位控制電路的總體框圖水位監(jiān)測電路的功能是利用水壓傳感器的特性監(jiān)測水壓的變化，同時(shí)將水壓信號(hào)轉(zhuǎn)化 為電信號(hào)。水位范圍測量電路的功能是利用比較器的原理實(shí)現(xiàn)水位范圍的確定，同時(shí)利用 遲滯比較器的遲滯特性避免跳閘現(xiàn)象。水泵開關(guān)電路的功能是完成控制水泵電路。顯示電 路的功能是利用發(fā)光二極管將水泵通電與否顯示出來。電源電路的功能是為上述電路提供 直流電源。2.2 各單元電路的工作原理該電路能夠檢測出水塔的水位，并且能夠在不同的水位下通過兩個(gè)水泵控制。當(dāng)s<s1時(shí)，兩個(gè)水泵都放水，s

4、1<s<s2時(shí)，只有一個(gè)水泵工作，s>s2時(shí)，兩個(gè)水泵都關(guān)閉。并且 通過調(diào)節(jié)可變電阻r1、r2可以改變水位s1、s2的范圍，該電路還能通過發(fā)光二極管顯示 水泵放水的各種狀態(tài)。電源電路電源電路的原理圖如圖2-2所示。電路直接從電網(wǎng)供電，通過變壓器、整流電路、濾 波電路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的220v交流電轉(zhuǎn)換成+12v的直流電壓。電路中變壓器采用常 規(guī)的鐵心變壓器，電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓220v變?yōu)楹线m的交流電壓12v。整流電路采用二極管橋式整流電路，整流電路將交流電壓12v變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓12v。c1、c2、c3和c4完成濾波功能，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實(shí)現(xiàn)。穩(wěn)壓電路

5、清除電網(wǎng)波動(dòng)d7及負(fù)載變化的影響，保持輸出電壓12v的穩(wěn)定。圖2-2電源電路水位監(jiān)測和水位范圍測量電路如圖2-3是水位監(jiān)測和水位范圍測量電路圖圖2-3水位監(jiān)測和水位范圍測量電路水位監(jiān)測電路由可變電阻 r1、r2和兩個(gè)電阻型水壓傳感器構(gòu)成。電阻型水壓傳感器 是最簡單也最典型的一種水壓傳感器，它的工作原理是通過阻抗的變化來表示水壓的變 化，即傳感器的阻抗隨水壓的增加而增加。同時(shí)將水壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)vs,即vs代表了實(shí)際水位so本電路采用的電阻型水壓傳感器型號(hào)為 pt500-501的水壓傳感器?？勺冸?阻r1和r2的作用是通過調(diào)節(jié)可變電阻的阻值，就可以調(diào)節(jié)vs1和vs2的范圍，也就可以調(diào)節(jié)水位控制

6、范圍。水位范圍測量電路由兩部分構(gòu)成：第一部分是由電阻r13和穩(wěn)壓管d1構(gòu)成的參考電壓產(chǎn)生電路；第二部分是由遲滯比較器構(gòu)成的水位范圍測量電路。參考電壓產(chǎn)生電路的功 能是產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓，由于參考電壓產(chǎn)生電路輸出端連接比較器的輸入，為了防止出 現(xiàn)輸出電流導(dǎo)致參考電壓不穩(wěn)定的情況，電路采用電阻和穩(wěn)壓管相結(jié)合的方式構(gòu)成。其中 穩(wěn)壓管d1的穩(wěn)定電壓均為+6v,輸出vref=+6v。水位范圍測量電路的功能有兩個(gè)：第一是確定實(shí)際水位和水位控制范圍的大小關(guān)系； 第二是防止跳閘現(xiàn)象的產(chǎn)生。首先，vref連接到兩個(gè)運(yùn)算放大器的同相輸入端，而 vs1和vs2則同時(shí)分別輸入到 這兩個(gè)運(yùn)算放大器的反相輸入端。這樣，當(dāng)

7、vs1<vref時(shí)，v1輸出是高電平；當(dāng)vs1>vref 時(shí)，v1輸出為低電平；當(dāng) vs2<vref時(shí)，v2輸出為高電平；當(dāng) vs2>vref時(shí)，v2輸出 為低電平。由于vs1、vs2、vref分別代表s1、s2和s,實(shí)際水位和水位控制范圍的大 小關(guān)系就確定了。其次，本電路通過遲滯比較器代替單門限比較器來實(shí)現(xiàn)跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。遲滯比較器 a1的特性表達(dá)式為v1t+ = vp1=r7* vref/ (r3+r7) +r3*v1 (r3+r7)=(5+2) v=7v(1)v1t- = vp1=r7* vref/ (r3+r7) +0=5v(2)由式(1)和式(2)可得到回差范

8、圍 vt = v1t+ - v1t- =7v-5v=2v ,即v1從高電 平轉(zhuǎn)換為低電平和從低電平轉(zhuǎn)換為高電平的分界點(diǎn)電壓值有了 2v的差別，從而就可以防 止跳閘現(xiàn)象的出像。同理，遲滯比較器 a2的特性表達(dá)式為v2t+ = vp2=r8* vref/ (r5+r8) +r5*v2 (r5+r8)=(5+2) v=7v(3)v2t- = vp2=r8* vref2/ (r5+r8) +0=5v(4)由式(3)和(4)可求得遲滯比較器 a2的v2t+ -v2t-之差(7v5v)同樣具有2v 的回差范圍，由此可以防止跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。水泵開關(guān)及顯示電路水泵開關(guān)及顯示電路如圖2-4所示圖2-4水泵開關(guān)和

9、顯示電路水泵開關(guān)電路時(shí)由三極管電路和繼電器電路構(gòu)成的。電路的輸入即為圖 2-3電路中的 輸出，即當(dāng) vs1< vref且vs2< vref時(shí)，v1和v2輸出都為高電平；當(dāng) vs1<vref而 vs2>vref時(shí)，v1輸出為高電平，而v2輸出為低電平；當(dāng)vs1> vref且vs2> vref時(shí), v1和v2輸出都為低電平。由于水泵中通過的都是大電流，產(chǎn)生大功率，而直流電源無法提供大電流和大功率， 因此水泵需要交流供電，這樣一來，電路中的開關(guān)必須采用繼電器電路。而一般運(yùn)算放大 器的輸出電流無法驅(qū)動(dòng)繼電器，因此需要加入電流放大電路。由三極管電路構(gòu)成的電流放 大電路

10、是一種比較典型的和簡單的電路。其中r9和r10為限流電阻，防止輸入電流過大燒毀三極管。三極管接為共集電極電路，當(dāng)輸入電壓為高電平時(shí)，三機(jī)管導(dǎo)通飽和，可以 將輸入電流放大b倍；當(dāng)輸入電壓為低電平時(shí)，三極管截止，無電流通過。繼電器連接三 極管的發(fā)射極，當(dāng)有電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，開關(guān)吸合，對(duì)應(yīng)的水泵通電；當(dāng)無電流啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)斷 開，對(duì)應(yīng)的水泵不通電，同時(shí)在繼電器兩端并聯(lián)入二極管進(jìn)行保護(hù)。顯示電路由發(fā)光二極管構(gòu)成。通過發(fā)光二極管亮滅來表示水泵是否通電，同時(shí)由于繼 電器的驅(qū)動(dòng)電流過大，需要加入限流電阻。3.主要元器件的工作原理及參數(shù)3.1 變壓器變壓器是電子電路，用來升壓降壓的電力變壓器，變壓器的原理是電磁感應(yīng)技

11、術(shù)，變壓器有兩個(gè)分別獨(dú)立的共用一個(gè)鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級(jí)線圈和初級(jí)線圈，其 中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。電流的方向和大小隨時(shí)間變化的，變壓器初級(jí)通上交流電時(shí)，變壓器的鐵芯中產(chǎn)生了 交變的磁場，在次級(jí)就感應(yīng)出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級(jí)線圈的匝數(shù)比等于電 壓比。變壓器只能改變交流電壓，不能改變直流電壓，因?yàn)橹绷麟娏魇遣粫?huì)變化的，電流通 過變壓器不會(huì)產(chǎn)生交變的磁場，所以次級(jí)線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個(gè)瞬間電流 和電壓。變壓器的主要參數(shù)：電壓比 n=u1/u2=n1/n2效率4=p2/p1*100%額定功率p3.2 橋式整流電路橋式整流電路由四個(gè)二極管組成，

12、如圖3-1所示圖3-1橋式整流電路圖工作原理：u2正半周時(shí)：d1、d3導(dǎo)通，d2、d4截止u2負(fù)半周時(shí)：d2、d4導(dǎo)通，d1、d3截止主要參數(shù)：輸出電壓平均值：ul=0.9u2輸出電流平均值：il= ul/rl =0.9u2/ rl流過二極管的平均電流：id=il/2二極管承受的最大反向電壓：25v - 1000v3.3 三端穩(wěn)壓器該穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)有電流過流、過熱和調(diào)整管安全區(qū)保護(hù)電路，以防止過載而損壞，用 它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路簡單，且安全可靠。3.4 繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱 輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)

13、際上是用較小的電流去控制較大電流的一 種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一 定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作 用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。 當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使 動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、 切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí) 處于斷開狀態(tài)的靜觸

14、點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”3.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管原理：發(fā)光二極管是由m-iv族化合物，如gaas（神化錢）、gap（磷化錢）、 gaasp （磷神化錢）等半導(dǎo)體制成的，其核心是 pn結(jié)。因此它具有一般p-n結(jié)的i-n特 性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。止匕外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正 向電壓下，電子由n區(qū)注入p區(qū)，空穴由p區(qū)注入n區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子 （少 子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，假設(shè)發(fā)光是在p區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這 種發(fā)光復(fù)合外，還有些

15、電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而 后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù) 合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近 pn結(jié)面數(shù)pm以內(nèi)產(chǎn)生。發(fā)光二極管的主要參數(shù)：反向飽和電流is額定整流電壓if最大反向工作電壓urm3.6 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓器二極管也叫齊納二極管，穩(wěn)壓原理：給穩(wěn)壓二極管施加反向電壓并使其值增大， 當(dāng)反向電壓之值達(dá)到穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓時(shí)，其正常雪崩擊穿，若在此情況下，一定范 圍內(nèi)改變電源電壓的波動(dòng)或改變負(fù)載電流的大小，齊納電流iz和動(dòng)態(tài)電阻隨之而改變，然而，齊納電壓uz卻穩(wěn)定不

16、變。穩(wěn)壓二極管串聯(lián)一個(gè)電阻來提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓vref,其中穩(wěn)壓二極管選用1n4735,其穩(wěn)定電壓為6.2v,限流電阻r13選用1k。穩(wěn)壓二極管 1n4735的重要參數(shù)：最大工作電流izm穩(wěn)定電壓uz動(dòng)態(tài)電阻rz3.7 集成運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，它的種類很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，如下圖3-2表示集成運(yùn)放的內(nèi)部電路組成的原理框圖。圖3-2集成運(yùn)放的內(nèi)部電路組成的原理框圖如圖3-3是集成運(yùn)放的輸入級(jí)一般是由 bit、jfet或mosfet組成的差分式放大電 路，利用它的對(duì)稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其他

17、方面的性能。它的兩個(gè)輸入 端構(gòu)成整個(gè)電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級(jí)的主要作用是提高電壓增益，它 可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成。輸出級(jí)一股由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器所組成，以降 低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為個(gè)級(jí)提供合適的工作電流。其代表符號(hào)和輸 入輸出傳卒&特性如3-4圖所示。vivt-v t+圖3-3圖3-4大型水塔水位保持電路的設(shè)計(jì)- ii -4.總電路圖大型水塔水位保持電路的設(shè)計(jì)“大型水塔水位保持電路”是電力電子技術(shù)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，該電路中包括了水位監(jiān)測電路、水位范圍測量電路、水泵開關(guān)電路、顯示電路和電源電路。系統(tǒng)由電網(wǎng)220v交流電供電，經(jīng)電源電路的變壓、整

18、流、穩(wěn)壓后變成 +12v的直流電壓為各部分供電。水位 監(jiān)測電路應(yīng)用了傳感器原理實(shí)現(xiàn)水位信號(hào)和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化，使用時(shí)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)水 位范圍。水位測量電路利用集成運(yùn)放的比較器原理通過比較實(shí)際水位電信號(hào)與規(guī)定的水位 范圍電信號(hào)決定水泵的操作。若實(shí)際水位高于水位范圍最大值，則令兩水泵關(guān)閉；若實(shí)際 水位處于水位范圍之間，則令其中的一個(gè)水泵開通，另一個(gè)水泵關(guān)閉；若實(shí)際水位低于水 位范圍的最小值，則令兩水泵均開通放水。這樣一來可以保證實(shí)際水位穩(wěn)定時(shí)始終保持在 規(guī)定的水位范圍之間。-15 -設(shè)計(jì)體會(huì)匆匆的幾天時(shí)間就這樣過去了，留給我的是一段充實(shí)而愉快的記憶。這次的課程設(shè)計(jì) 要求自擬題目并查閱資料完成設(shè)計(jì)，這對(duì)于我來說是一個(gè)很大的考驗(yàn)。一直以來我都是在 分析課本的基礎(chǔ)知識(shí)，并能夠處理一些原理上的問題，但要是拿到實(shí)踐中來真的不知道可 以應(yīng)用在哪里又該怎么用?？梢哉f是課設(shè)讓我真正的學(xué)習(xí)到了些什么吧，不再是紙上談兵 而是真正的去設(shè)計(jì)、去實(shí)踐，在考驗(yàn)的同時(shí)令我提高了應(yīng)用能力。通過查閱有關(guān)資料我發(fā) 現(xiàn)電力電子電路廣泛的應(yīng)用于控制領(lǐng)域和直流領(lǐng)域中。于是我將自動(dòng)控制原