液位控制器的電路模擬設計

1、課程設計名稱： 電子技術課程設計題 目：液位控制器的電路模擬設計 學 期：2011-2012學年第2學期專 業(yè)： 自動化 班 級： 姓 名： 學 號： 遼寧工程技術大學課 程 設 計 成 績 評 定 表評定標準評定指標標準評定合格不合格單元電路及整體設計方案合理性正確性創(chuàng)新性仿真或實踐是否進行仿真或實踐技術指標或性能符合設計要求有完成結果設計報告格式正確內容充實語言流暢標準說明：以上三大項指標中，每大項中有兩小 項或三小項合格，視為總成績合格?？偝煽內掌谀?月 日課 程 設 計 任 務 書一、設計題目液位控制器的電路模擬設計二、設計任務1.檢測顯示液位功能。2.控制通道輸出為雙向晶閘管或繼電器

2、，一組轉換觸點為市電（220V 10A）3.實現與給定液位比較控制功能。三、設計計劃電子技術課程設計共1周。第1天：選題，查資料；第2天：方案分析比較，確定設計方案；第34天：電路原理設計與電路仿真；第5天：編寫整理設計說明書。四、設計要求1. 畫出整體電路圖。2. 對所設計的電路全部或部分進行仿真，使之達到設計任務要求。3. 寫出設計說明書。指導教師： 時 間：2011年6月24目錄1. 方案論證1.1 設計方案1.2系統(tǒng)組成框圖2. 原理及技術指標3. 單元電路設計及參數計算3.1電源電路3.2 水位檢測和水位控制電路3.2.1水位檢測電路3.2.2 水位控制電路3.3液位顯示電路3.3.

3、1液位顯示部分結構流程圖3.3.2液面顯示原理3.4 電機開關控制電路3.5 電機狀態(tài)顯示電路3. 6報警電路4. 仿真5. 液面控制器總原理圖6.設計小結7. 參考文獻摘要本液位控制器模擬電路系統(tǒng)具有水位手動控制、電機運轉指示、超警戒報警等功能，由七部分組成，即液位檢測電路、液位顯示電路、液位控制電路、電機開關控制電路、電機狀態(tài)顯示電路、報警電路和電源電路。它采用了二極管、三極管、穩(wěn)壓管、繼電器、三端穩(wěn)壓電路等多種電子元件來實現以下為各部分電路及元件原理。其中，液位檢測電路是通過壓電式單向測力傳感器實現將水位變化產生的壓力變化轉換成電流信號，便于后期的處理。水位控制電路是利用電壓比較器的原理

4、實現水位的確定，同時利用遲滯比較器的遲滯性來避免水位壓力變化產生的跳閘現象和因水波波動而產生的不穩(wěn)定信號，同時將比較結果輸給下一級。電機開關控制電路是將上一級的結果反映到繼電器上，同時利用繼電器的特性決定電機是否工作。本系統(tǒng)實現了對水位得監(jiān)測以及報警，采用傳感器和單片機對液位進行監(jiān)測、顯示，精度和靈敏度都比較高，同時也給予了聲音報警。電機狀態(tài)顯示電路是通過發(fā)光二極管的亮滅顯示出電路的工作狀態(tài)，加水還是在放水。報警電路是利用電壓比較器的原理實現水位超過警戒值就報警的功能。電源電路采用電網供電，通過變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將電網中的220V交流電轉換成直流12V、5V電壓。穩(wěn)壓電路

5、由三端穩(wěn)壓器實現，用它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路非常簡單，且安全可靠。直流電源電路對水位檢測電路、水位控制電路、電機開關控制電路、電機狀態(tài)顯示電路、報警電路和電源電路供電，交流電源只對電機供電。隨著科技的發(fā)展人們對水位控制的需求越來越多，它不僅要具有自動控制水位的功能，而且要能手動調整水位，給人們的生產生活帶來了極大的方便。此方案電路圖構成簡單易懂，元器件的價格便宜，性能較穩(wěn)定，操作簡單，具有經濟前景。1. 方案論證1.1設計方案該電路由電源電路、液位檢測電路、液位顯示電路、液位控制電路、電機開關控制電路、報警電路和顯示電路七部分組成。采用了二極管、三極管、穩(wěn)壓管、繼電器、電壓比較

6、器等多種電子元件來實現。該方案電源電路采用電網供電，通過變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將電網中的220V交流電轉換成直流12V、5V電壓。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓器實現，用它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路非常簡單，且安全可靠。液位檢測和液位控制電路主要由壓阻式壓差傳感器和遲滯比較器組成。壓阻式壓差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確定液位，還可以防止跳閘現象和液體波動引起的不穩(wěn)定的出現。采用單片機和數碼管實現液位顯示，精度高，易于驅動，能直觀的顯示出液位高度與警戒液位的差距，便于對水位高度的控制，降低危險率。報警電路由集成比較器和蜂鳴器等組成，靈敏度高，操

7、作簡單，不僅可以實現自動報警，還可以手動調節(jié)報警液位。電機開關電路和顯示電路主要由電流放大電路和繼電器組成。繼電器可以提供電機所需要的交流電，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)光二極管構成顯示電路更容易觀察。1.2 系統(tǒng)組成框圖圖1-1如圖1-1為液位控制器的系統(tǒng)組成框圖。各部分電路的組成及其用途如下：液位檢測電路：利用水壓傳感器的特性監(jiān)測水壓的變化，同時將水壓信號轉化為電信號。液位控制電路：利用比較器原理實現水位的控制，同時利用遲滯比較器的遲滯性來避免跳閘現象和因水波波動引起的不穩(wěn)定現象。液位顯示電路：采用單片機與數碼管構成液位顯示電路，能時時對液位進行監(jiān)測，精

8、度較高，可控性強。電機開關控制電路：完成控制電路和電機抽放水的轉換。顯示電路：利用發(fā)光二極管將電機狀態(tài)顯示出來。報警電路：利用電壓比較器實現 超警戒水位就報警的功能。電源電路：為上述所有電路提供直流電源。交流電源僅為電機提供電源。2原理及技術指標采用傳感器對液位進行監(jiān)測，并根據水位的變化將其信號傳遞給遲滯比較器，經過遲滯比較器的運算、比較、放大，來控制電機是否工作，哪個工作，是放水還是抽水。并通過發(fā)光二極管來顯示電機的工作狀態(tài)，易于判斷和檢修。遲滯比較器的運用避免了由于水波的波動而造成的電機的反復的放水與抽水，實現了水位的自動控制。另外，利用遲滯比較器的運算、比較、放大來實現水位超過警戒水位就

9、報警的功能，易于安全生產生活。遲滯比較器的運用還避免了水波的波動而造成的反復報警，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，系統(tǒng)還具有時時顯示液位的功能，采用單片機、A/D轉換器與數碼管等組成電路，靈敏度高，可控性強。3.單元電路設計及參數計算3.1 電源電路圖3-1電源電路由兩部分組成：交流電源和直流電源。交流電源可以直接用220V的普通電源。如圖3-1為直流電源電路可以直接從電網供電，通過變壓器電路，整流電路，濾波電路，和穩(wěn)壓電路直接將電網中的220V交流電轉換成+12V、+5V的直流電壓。其各部分功能如下：1） 變壓器采用常規(guī)的鐵心變壓器，將高壓轉變?yōu)榈蛪?。變壓器是電子電路，用來升壓降壓的電力變壓器，?/p>

10、壓器的原理是電磁感應技術,變壓器有兩個分別獨立的共用一個鐵芯的線圈。分別叫做變壓器的次級線圈和初級線圈。電流的方向和大小隨時間變化的,變壓器初級通上交流電時,變壓器的鐵芯中產生了交變的磁場（其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈），在次級就感應出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級線圈的匝數比等于電壓比。變壓器只能改變交流電壓,不能改變直流電壓,因為直流電流是不會變化的,電流通過變壓器不會產生交變的磁場，所以次級線圈只能在直接接通的一瞬間產生一個瞬間電流和電壓。變壓器的主要參數：電壓比 n=U1/U2=N1/N2效 率 =P2/P1*100%額定功率 P 2) 整流電路采用二極管橋式電

11、路，任務是將交流電換成直流電，這主要靠二極管的單向導電作用，T為電源變壓器，作用是將交流電網電壓變成整流電路要求的電壓價。其優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓底。橋式整流電路由四個二極管組成，如圖3-2所示。圖3-2工作原理： U2正半周時: D1、D3導通， D2、D4截止 U2負半周時：D2、D4 導通， D1 、D3截止主要參數：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：25V1000V2） 濾波電路由C2，C3，C4，C5構成，用于濾去整流輸出電壓中的紋波，

12、本電路采用電容輸入式，電容具有平波作用。使紋波較小，適用于負載電壓較高，負載變動不大的電路。 4）穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路，有輸入，輸出和接地端，內部由啟動電路，基準電壓電路，取樣比較放大電路，調整電路和保護電路組成。電路中接入電容用來實現頻率補償防止穩(wěn)壓器自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，另一方面以減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸出電源引入的低干擾。該三端穩(wěn)壓器內部設有電流過流過熱和調整管安全區(qū)保護電路，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。3.2 水位檢測和水位控制電路3.2.1 水位檢測電路水位檢測電路如圖3-3所示，主要有電阻，壓力傳感器，放大器組成。

13、壓力傳感器是一種將壓力變?yōu)榇娮璧膶Ｓ闷骷?，本電路用的是壓阻式壓差傳感器。固定位置或高度的壓力在傳感器感應膜片上形成相應的水壓差，由壓力傳感器的感應膜片感生出相應電壓，經傳感器內部V/A的變送器，壓力傳感器同時測出水位并自動補償，輸出不受水溫、大氣壓強等因素影響的4-20mA的水位模擬信號，由雙芯屏蔽電纜連接到水位儀輸入端，經A/D轉換，再經去偽，除波等處理得出所測的水位。再進行顯示、儲存、傳輸等。本電路采用的電阻型液壓傳感器型號為PT500-501，即傳感器的阻抗隨液壓的增加而增加?？勺冸娮鑂23的作用是通過調節(jié)可變電阻的阻值，就可以調節(jié)其輸出電壓Us的值，也就可以調節(jié)液位控制范圍。 圖3-

14、31) 相關參數計算：由于PT500-501壓力傳感器輸出不受水溫、大氣壓強等因素影響的4-20mA的水位模擬信號，則 （1）同時 (2)由公式（1）和（2）計算得即： 則滯回比較器可以獲得2v12v的輸入電壓，對于電路較合適。2) PT500-501型傳感器介紹PT500-501系列壓力傳感器采用高精度、高穩(wěn)定性電阻應變計做為變送器的感壓芯片，選進的貼片工藝，配套帶有零點、滿量程補償，溫度補償的高精度和高穩(wěn)定性放大集成電路，將被測量介質的壓力轉換成420mA、05VDC等標準電信號，其最高壓力可達到150MPa。3.2.2 液位控制電路 1）液位控制電路的組成如圖3-4所示，水位控制電路由兩

15、部分組成：第一部分是由電阻R2、R3、R4和穩(wěn)壓管D1組成參考電壓的產生電路：第二部分是由遲滯比較器U1、U2構成的液位測量電路。圖3-4參考電源產生電路的功能是產生一個穩(wěn)定的電壓，作為比較的標準。由于參考電源產生電路的輸出端接入了比較器的輸入端，為了防止出現輸出電流導致參考電源不穩(wěn)定的情況，電路采用電阻和穩(wěn)壓管結合的方式構成。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為+6V，而輸出UREF=+6V。此電路有兩個功能：一、確定實際液位和被控液位的大小關系；二、防止出現跳閘現象。UREF同時分別輸入兩個運放的反相輸入端UN和同相輸入端UP，而Us則同時分別輸入到這兩個運算放大器的同相輸入端UP和反相輸入端UN。這樣

16、當Us< UREF時 ，U2輸出低電平，U1輸出都為高電平；當Us> UREF時，U1輸出為低電平，而U2輸出為高電平；由于Us，UREF分別代表實際液位和被控制液位，這樣實際液位和被控液位的關系就確定了。2) 遲滯比較器遲滯比較器代替單限比較器，防止跳閘和水波波動引起的輸入不穩(wěn)定問題。遲滯比較器U1的特性表達式為： （1） （2）由式（1）和（2）可求得遲滯比較器U1的VT+ -VT-之差（5.5V6.6V）具有1.1V的回差范圍。同理，可得比較器U2的也具有1.1V的回差范圍。所以，兩個比較器均可以實現避免跳閘和水波波動引起的輸入不穩(wěn)定問題。3) 穩(wěn)壓器二極管穩(wěn)壓器二極管也叫齊

17、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，當反向電壓之值達到穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓時，其正常雪崩擊穿，若在此情況下，一定范圍內改變電源電壓的波動或改變負載電流的大小，齊納電流IZ和動態(tài)電阻隨之而改變，然而，齊納電壓UZ卻穩(wěn)定不變。穩(wěn)壓二極管串聯一個電阻來提供一個穩(wěn)定的參考電壓UREF，其中穩(wěn)壓二極管選用1N4735，其穩(wěn)定電壓為6.2V，限流電阻R3選用1K。穩(wěn)壓二極管1N4735的重要參數：最大工作電流IZM穩(wěn)定電壓UZ動態(tài)電阻RZ5）實現手動調節(jié)給定標準液面值 手動調節(jié)R7和R12的大小就可以改變輸入比較器的電壓值，從而改變比較器輸出高低電平的上下限，即可以實現手動調節(jié)給定標

18、準液面值。同時，在VCC(+12V)、D1和R3構成的參考電壓的產生電路中，也可以通過手動調節(jié)J1、J2和J3選擇不同的檔位來改變基準電壓的值以來實現手動調節(jié)給定標準液面值。3.3 液位顯示電路3.3.1 液位顯示部分結構流程圖如圖3-5所示，為液位顯示部分的流程圖：圖3-53.3.2 液面顯示原理當水箱液位發(fā)生變化時，PT500-501型電阻型液壓傳感器（前面已介紹）即把變化量轉化成電壓信號；該信號經過運算放大電路放大后變成幅度為05 V標準信號，送入A/D轉換器，A/D轉換器把模擬信號變成數字信號量，由單片機進行實時數據采集，并進行處理，根據設定要求控制輸出，同時數碼管顯示液位高度。如圖3

19、-6所示，是A/D轉換部分原理圖：圖3-61）A/D轉換電路及控制輸出    A/D轉換電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數字量。該控制器采用CMOS工藝制造的8位A/D轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制A/D轉換程序。由于Multisim1軟件中沒有ADC0809型號的轉換器，所以圖中用通用型A/D代替。2) 單片機單片機采用40腳雙列直插式8051系列單片機，P1.0P1.7在引腳的18號端子，P2.0P2.7 在引腳的2128號端子，P3.0P3.7 在引腳的1017號端子。各P

20、口介紹如下：P0口有三個功能：a、外部擴展存儲器時，當做數據總線b、外部擴展存儲器時，當作地址總線 c、不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻，作為輸入或輸出時應在外部接上拉電阻。P1口只做I/O口使用：其內部有上拉電阻。 P2口有兩個功能a、擴展外部存儲器時，當作地址總線使用 b、做一般I/O口使用，其內部有上拉電阻； P3口有兩個功能除了作為I/O使用外（其內部有上拉電阻），還有一些特殊功能，由特殊寄存器來設置。 3) 數碼管顯示如圖3-7、3-8所示，數碼管顯示有兩種方案：在圖3-7中，數碼管動態(tài)顯示范圍從099(單位可自定)，選擇的數碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl882

21、0。在這里使用到了74ALS373，它是一個8位的D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中經常使用，可以作地址數據總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅動器件，由于單獨使用HEF4511BD七段譯碼驅動顯示器來完成數碼管的驅動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。由于采用5V供電，所以HEF4511BD七段譯碼器需要加300的限流電阻，防止數碼管因電流過大而燒壞。圖3-7如圖3-8是另外一種數碼管顯示方案，其原理與上述相似，但此處采用DCD_HEX LED共陰數碼管，DCD_HEX LED數碼管是一種帶有譯碼器的數碼管，即是譯碼器和數碼管的結合體，它的使用可以簡化電路，使操作更加簡單，常在電路

22、仿真中用到此種數碼管。圖3-83.4 電機開關控制電路如圖3-9所示，電機開關控制電路由三極管和繼電器電路組成，比較器的輸出直接接放大器的輸入，由于運算放大器的輸出電壓一般無法驅動繼電器工作，所以運算放大器的輸出電壓需經過放大后才能接繼電器。而由三極管構成的電壓放大電路是一種比較簡單的放大電路，可以通過它來放大運算放大器的輸出電壓。其中R16和R17是限流電阻，防止輸入電流過大燒壞三極管。三極管接為共射電路，當接入為高時，三極管導通；當輸入為低時，三極管截止，無電流通過。繼電器連接三極管的集電極，當有電流驅動時開關吸合，對應的電機開始工作；當無電流驅動時開關斷開，對應的電機不工作。繼電器兩端并

23、聯的二極管起保護作用。即：當U2輸出為低電平時，對應三極管截止，抽水電機不工作；當U2輸出為高電平時，對應三極管導通，抽水電機工作，抽水開始；當U1輸出為低電平時，對應三極管截止，加水電機不工作；當U1輸出為高電平時，對應三極管導通，加水電機工作，加水開始。這樣就可以利用反饋，實現液面控制在給定值。 圖3-93.5 電機狀態(tài)顯示電路 如圖3-10所示，顯示電路主要由發(fā)光二極管構成，通過發(fā)光二級管的亮滅來表示電機是否通電。 圖3-10 當繼電器閉合時，電機開始工作同時發(fā)光二級管導通發(fā)光發(fā)亮；當繼電器斷 開時，電機停止工作，同時發(fā)光二級管截止處于滅的狀態(tài)。由于通過繼電器的驅動電流很大，所以用限流電

24、阻與發(fā)光二極管串聯起保護作用。3.6報警電路 如圖3-11所示，報警電路由集成比較器LM393N和二極管D5以及蜂鳴器構成的工作電路。正常工作狀態(tài)下，若傳感器的輸出電壓Us<UN，比較器U3輸出低電平，則說明液箱液位沒有超出警戒值，即三極管截止，蜂鳴器不報警。若傳感器的輸出電壓Us >UN，比較器U3輸出高電平，則說明液箱液位已經超出了警戒值，即三極管導通，蜂鳴器報警。 圖3-11相關參數計算：查閱相關的資料得知，蜂鳴器的驅動電流為Ir為25mA左右，當三極管處在飽和導通狀態(tài)時，集電極和發(fā)射極可以看作是短接狀態(tài)，則：由于三極管集電極電流為幾毫安到幾十毫安，所以R24取1k即可。4.

25、 仿真如圖4-1和4-2所示，可以用電容的充放電模擬液面控制器的動態(tài)過程。假設給定液位用電容電壓8V代替。圖4-1：用電容的充電過程模擬電機的加水過程。圖4-2：用電容的放電過程模擬電機的抽水過程。 圖4-1圖4-25. 液面控制器總原理圖如圖5-1、5-2、5-3是液面控制部分原理圖：圖5-1方案一 圖5-2方案二 圖5-36.設計小結經過一個多星期的課程設計我終于完成了本次的課程設計。雖然是第一次進行這樣的課程設計，剛開始時有點無從下手，但是我努力尋找資料，根據具體的設計要求，在老師的幫忙之下，最終完成了此次的課程設計。雖然還有一些地方存在缺陷，但是我收獲很多。這次課程設計對以后的類似的課程設計以及畢業(yè)論文都有很大得幫助，相當于提前訓練我們。圖書館的書很