水位控制器設計教材

1、電子技術課程設計報告水位控制器的設計姓名: 學號: 專業(yè)年級: 指導教師: 設計時間:第一章設計任務與要求第二章設計方案第三章設計原理與電路第四章電路的組裝與調(diào)試第五章設計總結附錄參考文獻說明：1.各個章節(jié)的名稱可隨設計內(nèi)容適當變化。2. 第三章“設計原理與電路”中應包括選用的芯片引腳圖和功能介紹（真值表等）、分立電路的設計、元件參數(shù)的選取和計算。3. 第四章“電路的組裝與調(diào)試”應包括采用的仿真軟件、分立電路的仿真（仿真圖、 操作的步驟、方法和結果）、總電路的仿真調(diào)試等內(nèi)容。4. 第五章“設計總結”里包括本次設計的經(jīng)驗、不足、感想等內(nèi)容。5. 附錄里包括元件清單、Protel原理圖和PCB圖。

2、6. 報告中附圖的大小要適中，不宜過大或過小；附圖和圖表編號按章排列，比如圖1-1、 圖1-2、表1-1等；每幅圖、表都要有標題。7. 參考文獻格式參照數(shù)電課本后參考文獻格式。8. 正文的字體采用宋體、小四、行距為固定值 20磅，標題加粗；每章不用分頁；報告 不得少于15頁。、任務與要求：該設計針對于一個發(fā)生滲漏的位置，當水位高于設定高水位時將打開抽水機開關排水， 使水位始終控制在設定的高低水位之間。水位傳感器送出的控制信號與原來設定的參考信號 相比較，按比較的結果來決定執(zhí)行機構的動作。實現(xiàn)對水位的實時監(jiān)測和LED數(shù)字顯示。測量水位信號為模擬量。附加一個電源電路?；疽螅?. 畫出水位控制器

3、的結構框圖。2. 畫出系統(tǒng)原理電路圖。3. 進行仿真實驗。4. 按要求完成課程設計報告，交激光打印報告和電子文檔。二、設計方案每部分電力都有其相應的功能：首先由信號產(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后輸出其他電力的控制信號，控制其他電力工作：電機控制電力部分 接受到由信號處理電力輸出的有效控制信號后正常工作驅(qū)動電機轉動抽水，使水位下降，而 水位的變化又直接關系到信號的產(chǎn)生，因此有一個循環(huán)的過程，即使水位保持在一定范圍水位顯示電路接受到有效信號后驅(qū)動顯示器工作使其顯示該時刻的水位；水位超限時報警由“信號產(chǎn)生f信號f處理f 電機控制-電機”這個循環(huán)就能使水塔具有自動控制水位

4、的 能力。三、設計原理本系統(tǒng)由220V電壓經(jīng)變壓器降壓限流，輸出約12V直流電供繼電器（繼電器型號為： 小型大功率繼電器K： JQX-20F-C）和控制電路使用。本控制電路包括由設于水塔中的兩個水位探測裝置，控制單元，及水泵等組成。水位探測裝 置向輸入觸發(fā)信號，控制單元通過驅(qū)動電路控制水泵工作狀態(tài)。該系統(tǒng)采用分立元件電路實現(xiàn)了水塔水位的自動控制，設計出一種低成本、高實用價值的水 塔水位控制器。系統(tǒng)具有水源檢測等功能。采用獨立的電路實現(xiàn)水位檢測處理，自動控制電 機電路。它能自動完成上水、停水的全部工作循環(huán)過程，保證水面高度始終處于較理想的范 圍內(nèi)，它結構簡單，制造成本低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，

5、是適用于各種場合的理想設備。為了精確地實現(xiàn)對水位的控制，必須建立自動控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進、出水的水位可以 自動控制水泵的運行與停止，使水位處于動態(tài)的平衡狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)主要分為水位的模擬檢 測和執(zhí)行兩部分組成。本設計采用金屬探針作為水位檢測傳感器，將水位信息輸出到555定時器與邏輯門電路組合的電路中，通過組合電路判斷出當前水位的情況，由兩個與非門驅(qū)動繼電器，使給、排 水電機工作，達到自動控制水位的效果。水位探針用細金屬制作，垂直安放在盛水容器內(nèi)。 水位探針可以同供水器安裝成一體，從盒體下部伸出，也可單獨安裝，其間用導線與供水器 相連。當探針A、B都為高電位時，信號進入555定時器后，輸出轉化

6、為低電位，通過非門 U1A 轉化為高電位，此時繼電器 K1打開，使給水電機工作。同時信號也經(jīng)過 U2B與A端輸入信號 的非信號進行與，轉化為低電位，繼電器K2仍然關閉，排水電機不工作。實現(xiàn)補水。當探針A B都為低電位時，信號進入555定時器后，輸出轉化為高電位,經(jīng)過U2A非門 轉化為低電位，此時繼電器 K1關閉，給水電機不工作。同時信號也經(jīng)過 U1B與 A端輸入信號 的非信號進行與，轉化為高電位，繼電器K2打開，使排水電機工作。實現(xiàn)放水。由下面的邏輯真值表易知，當探針 A、B其他狀態(tài)電機均不工作ABM1M2111010000001表1邏輯真值表（邏輯真值表中M1代表給水電機，M2代表排水電機）

7、水位控制器主要用于工廠及家庭的自備水泵、水井及貯水池的水位自動控制。實現(xiàn)了智能化控制，免去了人工看管的麻煩。自動化控制對水位的控制精確、及時、節(jié)省人力資源,優(yōu)于人工控制。2.1Ne555555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、控制與檢測。目前生產(chǎn)的定時器有雙極型和 CMOS兩種類型，其型號分別有 NE555（或5G555）和C7555等多種。CMOS定時器具有低功它們的結構及工作原理基本相同。通常，雙極型定時器具有較大的驅(qū)動能力，而耗、輸入阻抗高等優(yōu)點。555定時器工作的電源電

8、壓很寬，并可承受較大的負載電流。雙極型定時器電源電壓范圍為516V ,最大負載電流可達200mA ; CMOS定時器電源電壓范圍為 318V ,最大負載電流在4mA以下。1, Ground2. Trigger3. Output4,C antral Voltage6. ThrrjholdDisthflrgp 氐 Vcc +)的q. 1. D pin T pockago roundTriggrrOutputDif charThrpshtControlVoltagefig. 2. B-pin V p已ckagePin 1 （接地）-地線（或共同接地），通常被連接到電路共同接地。Pin 2 （觸發(fā)點）

9、-這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC。Pin 3 （輸出）-當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少 1.7伏的高電位。 周期的結束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA。Pin 4 （重置）-一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它 通常被接到正電源或忽略不用。Pin 5 （控制）-這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩 的運作方式下，這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。Pin 6 （重置鎖定）-Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)

10、。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。Pin 7 （放電）-這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH對地為高阻抗。Pin 8 （V +）-這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的范圍是 +4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。參數(shù)功能特性：？供應電壓4.5-18V?供應電流3-6 mA?輸出電流225mA（max） ?上升/下降時間100 ns182.2 .傳感器水位傳感器由三根探針組成，其中 C探針為電源地，如果水位低于三根探針，則有內(nèi)部信號輸入R1 10 kT1 !N

11、PN信號輸出QI1C電源將A、B拉至高電位。水位探針 A B C可直接用膠皮鋁線做成，插到水池里， ABC要求靠 得很近但不能直接接觸.A是最高水位探測線，B是最低水位探測線。由于水電阻較大，可采用信號放大設計，如圖示2.3、邏輯門電路邏輯門電路的主要作用是判斷探針傳來的液位信息，分析可知，當A、B都為高電位時應使給水電機工作，A、B都為低電位時應使排水電機工作，其他狀態(tài)均不工作。74LS04是6非門（反相器）他的工作電壓5V，他的內(nèi)部含有 6個coms反相器，74LS04的作用就是 反相把1變成0,平時在使用中請注意不要芯片的管腳順序搞錯了，下面是芯片的管腳圖SN74LS04 Hex Inv

12、erterUcc 6A 6Q 牯 5Q 4A 4Q 岡阿.因.同阿冋口74LS04冋而冋斤J In nnA4LlJ LzJ UJ LJ LD lJ UGO0Q1A IQ 2A 2Q 3A 3Q GHDGUARANTEED OPERATING RANGESPararneterMlmMaxuni-tVCC4.755J5.25VDperWg atom0357Dc*chh上 Cufiw - Hlh-04mAOL30mA74LS08為四組2輸入端與門uSu&jSuJJTEFEJ 口 CUIZfIA IV ?A 2Y 2A 3Y GXD管腳圖如下Function TableY-ABInputsOutput

13、ABYLLLLHLHLLHHHH = HIGH cL =：LOW Leg c Leel真值表如圖示2.4 繼電器繼電器是一種電子控制器件，是具有隔離功能的自動開關元件，可以將電動機的干擾有 效的隔離。它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小 的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉換電 路等作用。本設計繼電器采用固態(tài)繼電器，以降低功耗。固態(tài)繼電器是一種沒有機械，不含 運動零部件的繼電器，但具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小，能以微小的控制信 號直接驅(qū)動大電流負載等優(yōu)點。2.5、電機電機采用24V供電直流電機。負責給水、排水

14、。2.6濾波電容的選擇如果考慮到控制電路部分耗電較小，一般來說只有幾10mA則可采用無電源變壓器穩(wěn)壓電路。它主要是利用電容器的容抗來把220V交流電壓降低到30V左右，然后再進行整流、濾波、 穩(wěn)壓。這種電路對降壓電容的質(zhì)量要求較高，常采用耐壓630V、容量1微法左右的滌綸電容。降壓電容的計算公式為CI=1000I/2:f 220-Vi （單位：微法）（1）式中：I負載電流（單位：mA），f電源頻率（50Hz）Vi 78XX輸入電壓（單位：V）如果令2二f=3M，則（1）式可簡化為CI=IOOOI/ 314*（220-Vi）例如若 I=60mA Vi=30V，則 Cl=1000*60 / 314

15、*（220-30）=1 微法對于這種設計方案，還要考慮電源電壓突然升高或輕載時I降低到10mA左右的情況，這時 vi可能超過三端集成穩(wěn)壓器的最高輸入電壓值，這就會導致78XXS穿損壞。為了避免這種情形發(fā)生，一般還應當在滌綸電容降壓、二極管半波整流、電解電容濾波電路的后面加一級二 極管穩(wěn)壓電路。這樣做還可以防止 Vi波動過大，以確保電源電路的穩(wěn)壓性能。對穩(wěn)壓管的選 擇方法為：1令Vi=Vz，其中Vz是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值；2.夸 Pz Vz*（lmax-lmi n），其中：Pz為穩(wěn)壓管的最大耗散功率（單位w ） . Imax為電源的最大輸出電源（單位A） Imin為電源的最小輸出電流。（單位A）例如若

16、 Vi=30V, lmax=0. 06A，Imin=0 . O1A 貝UVz* （Imax-Imin）= 30*（0. 06-0 . 01）=1.5WPz1. 5W，這時便可選用30V、2W的硅穩(wěn)壓二極管。對電源濾波電容的選擇可用公式C2=5lmax/vi （單位 F） （3）式中Imax 78XX的最大負載電流（A） ，T電源交流電壓的周期（單位s）Vi 78Xx的輸入電壓（單位V）例如 lmax=O. 06A, T=0. 02S, Vi=30V,則C2=5*0. 06*0. 02/30=0. 0002F=2O微法這時便可選用2OO微法/ 50V的電解電容。這個方案的特色是省掉了笨重的電源變

17、壓器，因而水位控制器的體積可做得較小。降壓 滌綸電容工作時基本上是不耗電的，因此不會發(fā)熱，這對于長期、連續(xù)的工作方式是非常有 利的。不過有一點必須注意，由于沒有變壓器隔離，底版可能帶電。為了避免發(fā)生這種情況， 附圖中，接點2在內(nèi)部必須接電路板的公共地線，在外部則要接在單相交流電源的“0”線或排水金屬管道上，也可以直接接地。2.設計框圖圖1二、設計步驟和調(diào)試過程1、（ 1）控制電路:水位控制器原理圖(2)電源電路:電源電路由電源開關、LED旨示燈、電源變壓器、整流橋堆、濾波電容和固定三端集成穩(wěn)壓器組成由于是長期、連續(xù)工作，變壓器的質(zhì)量一定要好，其容量應加大一些。三端集成穩(wěn) 壓器可采用78XX系列

18、，其電壓調(diào)整率較高，當輸入電壓變動 20%寸，輸出電壓保持穩(wěn)定，因此 電源電壓允許波動15%勺指標是完全可以達到的。這是一種常規(guī)的設計方案。D1-D5 1N4004D1-D43W220v1 470jj50V 10Op3、仿真及仿真結果分析（電源電路用Vcc代替）電路仿真圖VCC5VR1 5kD：:1：:VCC5VR2 5k0VCC rA1g:0 OTTDIS - -T3t .*Tfti 則-時 C土伽F 二:74LSWD：VCCA1- VCC -OTTVI3 1IS m -SOT -!- 師T nF11555川RTU加474LSM)：1 I- J IU1AU2A &d174LSWVDDTi2V

19、:VDD：K1LMR1J1A12MOTOR：VDDK2 W013V 8 :74LSQ8D：U1A:74LSQ4D：:.U2A74LM8D：:応.丄.12 :MOTORqEMRI 31A12(kS210LED2VDD VOD：EMR131A12MOTOR：:QEMR131A12S2MOTOR10LEO1LED2%：04、實驗調(diào)試結果當探針A、B都為高電位時，信號進入 555定時器與邏輯門電路組合的電路中，輸出轉 化為高電位，此時繼電器 K1打開，LED2顯示紅燈亮，使給水電機工作。同時信號也經(jīng)過 U2B 與A端輸入信號的非信號進行與，轉化為低電位，繼電器K2仍然關閉，排水電機不工作。實 現(xiàn)補水。

20、當探針A B都為低電位時，信號進入555定時器與邏輯門電路組合的電路中，輸出轉化 為低電位，此時繼電器K1關閉，給水電機不工作。同時信號也經(jīng)過 U2B與A端輸入信號的非 信號進行與,轉化為高電位，繼電器K2打開，LED1顯示綠燈亮，使排水電機工作。實現(xiàn)放水。從而實現(xiàn)對水位的控制。三、結論及心得體會本設計通過電子探頭對液位進行檢測，再由液位檢測專用芯片對檢測到的信號進行處理 ， 當被測液體到達動作點時，芯片輸出高或低電平信號，再配合水位控制器，從而實現(xiàn)對液位 的控制。此設計尚不成熟，采用了比較簡易的設計方法，但基本上滿足要求。由于我的能力所限 這個設計不是很完善，還有許多的地方需要加以改善。在這

21、段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以 鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設 計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理 論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，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。這次數(shù)電課程設計，雖然短暫但是讓我得 到多方面的提高：1、提高了我們的邏輯思維能力，使我們在邏輯電路的分析與設計上有了很 大的進步，進一步增進了對一些常見邏輯器件的了解。另外，我們還更加充分的認識到，數(shù) 字電路這門課程在科學發(fā)展中的至關重要性2,查閱參考書的獨立思考的能力以及培養(yǎng)非常重要，我們在設計電路時，遇到很多不理解的東西，有的我們通過查閱參考書弄明白，有的通過網(wǎng)絡查到，但由于時間和資料有限我們更多的還是獨立思考。3,相互討論共同研究也是很重要的，經(jīng)常出現(xiàn)一