水位控制電路

1、水位控制電路摘要：本任務(wù)的目的是為了讓水塔具有自動(dòng)控制水位的能力。當(dāng)水位超出這個(gè)范圍時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)整水位使其落在規(guī)定的范圍內(nèi)：水位低了就控制水泵工作抽水，使水塔內(nèi)的水位上升，到達(dá)一定高度時(shí)水泵停止抽水，從而達(dá)到不用人工專門去控制即可使水位保持在一定范圍的目的。另外還要使水塔具有顯示水位和超出一定范圍報(bào)警的功能。關(guān)鍵詞：水塔 水位顯示器 自動(dòng)報(bào)警器 1 引言在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，水位控制裝置有著廣泛的應(yīng)用，如水塔、樓房水箱等。水位控制裝置的形式有很多種，浮子開(kāi)關(guān)式、行程開(kāi)關(guān)式、電節(jié)點(diǎn)式、壓力式、電子式、微機(jī)式等。這些裝置或多或少地存在著一些缺點(diǎn)：浮子開(kāi)關(guān)式采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，維護(hù)起來(lái)不方便；微機(jī)式控制

2、裝置，雖然操作方便，但造價(jià)較貴。本文從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種水位自動(dòng)控制裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、工作可靠、性能價(jià)格比優(yōu)良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺點(diǎn)，并提供了自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)保護(hù)功能，在多種場(chǎng)合下均可采用。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路每部分電路都有其相應(yīng)的功能：首先由信號(hào)產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個(gè)電路的輸入信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理部分處理后輸出其他電路的控制信號(hào)，控制其他電路工作：電機(jī)控制電路部分接收到由信號(hào)處理電路輸出的有效控制信號(hào)后正常工作驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，使水位上升，而水位的變化又直接關(guān)系到信號(hào)的產(chǎn)生，因此有一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，即使水位保持在一定范圍內(nèi)；水位顯示電路接收

3、到有效信號(hào)后驅(qū)動(dòng)顯示器工作使其顯示該時(shí)刻的水位；水位超限時(shí)輸出為報(bào)警電路的有效控制信號(hào)使報(bào)警電路工作驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。由“信號(hào)產(chǎn)生 信號(hào)處理 電機(jī)控制 電機(jī) 信號(hào)產(chǎn)生”這個(gè)循環(huán)就能使水塔具有自動(dòng)控制水位的能力。2.2 總體設(shè)計(jì)框圖由任務(wù)分析可知，該設(shè)計(jì)電路主要有三個(gè)功能：水位控制、水位顯示與報(bào)警。而要有這些功能就必須要有使其工作的控制信號(hào)，所以首先就必須要有輸入信號(hào)，因?yàn)槿蝿?wù)要求是自動(dòng)控制所以輸入信號(hào)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(gè)電路設(shè)計(jì)為五個(gè)部分：信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)處理、電機(jī)控制、報(bào)警控制和水位顯示電路，整體電路框架如下圖1所示。 水位顯示電路信號(hào)處理電機(jī)控制電機(jī)顯示器信號(hào)產(chǎn)生

4、報(bào)警控制報(bào)警器 圖1 總體設(shè)計(jì)框圖3 設(shè)計(jì)組成及原理分析3.1 信號(hào)產(chǎn)生部分該部分的目的是產(chǎn)生有效的輸入信號(hào)。主要原理是利用水的弱導(dǎo)電性。水屬于弱導(dǎo)電質(zhì)，即使這樣也可以通過(guò)水來(lái)傳遞微弱的電信號(hào)。鑒于此原理，初步將該部分設(shè)計(jì)成由水面的上升與下降來(lái)控制電信號(hào)的接通與斷開(kāi)：當(dāng)水位上升時(shí)接通電信號(hào)；當(dāng)水位下降時(shí)斷開(kāi)電信號(hào)。按此分析，只要在水塔里放上用來(lái)傳遞電信號(hào)的探頭，則水位上升到探頭位置時(shí)接通電信號(hào)；水位低于探頭位置時(shí)斷開(kāi)電信號(hào)。把電信號(hào)接通時(shí)設(shè)為有效信號(hào)即當(dāng)作輸入信號(hào)，而斷開(kāi)時(shí)設(shè)為無(wú)效信號(hào)，因此可以由電信號(hào)的接通與斷開(kāi)之間的變化產(chǎn)生信號(hào)當(dāng)作控制信號(hào)。在水塔的不同放置幾個(gè)探頭時(shí)就可以根據(jù)水位的高低接

5、通某些探頭和斷開(kāi)某些探頭。因此只要知道每個(gè)探頭的具體位置，再根據(jù)其輸出電信號(hào)的情況就能大致確定水位的位置，將探頭輸出的電信號(hào)當(dāng)作輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后成為電路的控制信號(hào)。設(shè)計(jì)該部分主要在于探頭個(gè)數(shù)的選擇與探頭放置位置的選擇。因?yàn)樘筋^的個(gè)數(shù)直接關(guān)系到水位檢測(cè)的精確度：探頭個(gè)數(shù)越多檢測(cè)點(diǎn)也就越多檢測(cè)水位也就越準(zhǔn)確。但如果探頭太多就會(huì)給其他電路設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩：一個(gè)是信號(hào)處理的輸入端要多，一個(gè)是水位顯示也要相應(yīng)的增加，加大了工作量。根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)一水塔高8米，令該水塔水位到達(dá)7米或低于1米時(shí)報(bào)警，也就是說(shuō)水塔最起碼要有7米深，因此可以將探頭個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為八個(gè)，分別檢測(cè)八個(gè)點(diǎn)的水位，原理圖如下圖2所示。a

6、h為八個(gè)檢測(cè)探頭，其中a探頭到水箱底部的高度為1米，其他探頭依次放置在相差一米的位置上，即只能檢測(cè)到18米的水位。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(hào)com公共電極5v水塔hgfedcba水面檢測(cè)探頭圖2 探頭原理圖的傳遞。當(dāng)水位上升到探頭位置時(shí)，5v電信號(hào)經(jīng)過(guò)介質(zhì)水接通到所在的探頭；而當(dāng)水位下降時(shí)斷開(kāi)。因此只要測(cè)出哪些探頭接通電信號(hào)時(shí)，就大概可以確定水位的高度。比如說(shuō)只有abcd有電信號(hào)輸出，而efgh都沒(méi)信號(hào)（或者說(shuō)輸出低電平）輸出時(shí)，就基本上可以確定水位在探頭d以上e一下，即在45米之間，再將該電信號(hào)輸入到信號(hào)處理

7、部分進(jìn)行處理輸出相應(yīng)的控制信號(hào)即可。3.2 信號(hào)處理部分該部分主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理輸出其他電路的控制信號(hào)。由于水的導(dǎo)電性十分微弱，由公共端通過(guò)探頭的電信號(hào)會(huì)很小，不一定能夠成為滿足電路工作的控制信號(hào)，因此有必要先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理。根據(jù)元器件的功能可知，晶體管具有放大、飽和和截止三種工作狀態(tài)，可選用一種狀態(tài)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。圖3所示即為用三極管對(duì)信號(hào)處理的原理圖。圖3 信號(hào)處理電路由探頭出來(lái)的電信號(hào)輸入到信號(hào)輸入端，由信號(hào)輸出端輸出。當(dāng)有電流從公共電極流入探頭時(shí)，經(jīng)過(guò)電阻r到達(dá)晶體管q的基極，此時(shí)三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電壓都正偏。當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓超過(guò)三極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，由晶體管的工作條件

8、可知此時(shí)其處于飽和的狀態(tài)，即相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)，接通集電極與發(fā)射極，使集電極輸出為低電平。只要設(shè)計(jì)電阻r的阻值合理，就能比較穩(wěn)定地使晶體管工作。晶體管q選用npn型硅管9014，主要參數(shù)如表1所示。表1 晶體管參數(shù)三極管型號(hào)極性導(dǎo)通電壓（v）9014npn150450451000.7r為選用一般的電阻器，為安全起見(jiàn)，假設(shè)從探頭輸出的電流只有0.1ma，則電阻r上的電壓，為了使三極管能夠?qū)?，則0.7v，即r0.7k，可設(shè)r阻值為10k。電容c具有儲(chǔ)電、濾波作用，選用一般電解電容10uf即可。經(jīng)過(guò)三極管處理的信號(hào)還只是一個(gè)低電平的信號(hào)，沒(méi)有控制其他電路工作的能力，還必須經(jīng)過(guò)編碼處理。由以上電路

9、的設(shè)計(jì)與分析，該編碼電路最少應(yīng)有八個(gè)輸入端，作為八個(gè)探頭輸出信號(hào)的輸入端，且有效電平為低電平。因此應(yīng)設(shè)計(jì)成具有優(yōu)先編碼功能的編碼電路。所謂“優(yōu)先”編碼即多個(gè)輸入端同時(shí)滿足編碼條件時(shí)，只對(duì)最高位編碼。根據(jù)要求該電路設(shè)計(jì)成以編碼器為核心的編碼電路，具體設(shè)計(jì)的電路如下圖4所示。 圖3.2圖 圖4 信號(hào)編碼電路ah為信號(hào)輸入端，dcba為信號(hào)輸出端。元器件選擇：編碼器為74147，反相器為7404。芯片介紹：74147為10-4線bcd優(yōu)先編碼器，編碼輸入有效電平為低電平，編碼輸出為bcd反碼，即當(dāng)輸入端有“0”輸入時(shí)，輸出端就輸出與之對(duì)應(yīng)的bcd反碼。如“2”，“4”同時(shí)輸入“0”，則按“4”進(jìn)行編

10、碼，內(nèi)部編碼成bcd碼0100，輸出則為bcd反碼1011。74147的真值表如下表2所示。 表2 74147真值表輸 入輸 出123456789dcba11111111111110111111111110011111111101011111111000111111011011111010011110010111000010111注：1高電平；0低電平；任意態(tài)。由真值表可以知道，當(dāng)在編碼器輸出端接上反相器即可使輸出的bcd碼與其輸入“0”的高位輸入端相對(duì)應(yīng)，即當(dāng)“3”輸入“0”時(shí)輸出bcd碼0011與十進(jìn)制的“3”相對(duì)應(yīng)。3.3 水位顯示電路該部分主要是用七段數(shù)碼顯示器顯示水位。七段數(shù)碼顯示器

11、一般有兩種接法：一種是共陰極接法；一種是共陽(yáng)極接法。無(wú)論哪種接法，其都是由七組發(fā)光二極管構(gòu)成。當(dāng)其為共陰極接法時(shí)則對(duì)高電平有效，即要輸入高電平時(shí)才能使其點(diǎn)亮；當(dāng)其為共陽(yáng)極接法時(shí)對(duì)低電平有效，只有輸入低電平時(shí)才會(huì)顯示，顯示器原理圖如下圖5（a）、（b）、（c）所示。 （a）結(jié)構(gòu)和引腳 （b）共陰極接法 （c）共陽(yáng)極接法 圖5 七段數(shù)碼管顯示器原理圖 由原理圖可知，該顯示器有七個(gè)發(fā)光二極管分別用a、b、c、d、e、f、g，因此只要點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，就能使其顯示特定的數(shù)字。比如說(shuō)對(duì)于共陰極接法的顯示器同時(shí)對(duì)a、b、c輸入高電平時(shí)使a、b、c段二極管點(diǎn)亮而其他的都滅即顯示出數(shù)字“7”。該部分電路直

12、接由顯示譯碼器對(duì)編碼信號(hào)譯碼后驅(qū)動(dòng)顯示器工作，電路圖如下圖6所示。數(shù)碼顯示器dcbaabcdefg譯碼器r7 圖6 水位顯示電路dcba為二進(jìn)制碼信號(hào)輸入端，ag為譯碼后信號(hào)的輸出端。信號(hào)輸出后經(jīng)過(guò)限流電阻直接接到顯示器輸入端，驅(qū)動(dòng)顯示器工作。元器件選擇：經(jīng)過(guò)分析，譯碼器選用bcd7段譯碼顯示器驅(qū)動(dòng)器7448；顯示器為共陰極七段數(shù)碼顯示器；r阻值為220歐姆。7448譯碼器輸出高電平有效，用以驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器，其功能表如下。 表3 7448功能表十進(jìn)制輸入bi/rbo輸出ltrbidcbaabcdefg0hhllllhhhhhhhl1hlllhhlhhllll2hllhlhhhlhhlh3hl

13、lhhhhhhhllh4hlhllhlhhllhh5hlhlhhhlhhlhh6hlhhlhllhhhhh7hlhhhhhhhllll8hhlllhhhhhhhh由功能表可以知道，當(dāng)輸入信號(hào)dcba為二進(jìn)制碼0000，即相當(dāng)于十進(jìn)制的“0”時(shí)，輸出abcdefg為1111110，接到顯示器上的相應(yīng)輸入端即顯示數(shù)字“0”；當(dāng)dcba為0101，即相對(duì)于十進(jìn)制的“5”時(shí)，abcdefg輸出為1011011，接到顯示器時(shí)點(diǎn)亮a、c、d、f、g即顯示出“5”。3.4 電機(jī)控制電路該部分為整個(gè)設(shè)計(jì)電路的重點(diǎn)部分，也是難點(diǎn)部分。主要目的就是要控制電機(jī)的工作。通過(guò)控制電機(jī)的工作來(lái)控制水位，這也就是本實(shí)驗(yàn)的主

14、要設(shè)計(jì)目的。由任務(wù)的設(shè)計(jì)要求：要將水塔的水位控制在26米。即水位低于2米時(shí)使電機(jī)工作，升到6米時(shí)使電機(jī)停止工作。而由信號(hào)產(chǎn)生部分設(shè)計(jì)可知：當(dāng)水位低于2米時(shí)只有探頭a接通電信號(hào)。因此要將該電信號(hào)設(shè)計(jì)為控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制信號(hào)。而該電信號(hào)通過(guò)編碼處理后輸出為四位二進(jìn)制碼0001，所以就是要使輸出信號(hào)為0001時(shí)使電機(jī)工作。而水位上升到6米時(shí)要控制電機(jī)停止工作。因此時(shí)水位在6米時(shí)有六個(gè)探頭接通電信號(hào)，為a、b、c、d、e、f。根據(jù)編碼器的工作原理，只有探頭f的電信號(hào)才為有效信號(hào)，即只對(duì)f的電信號(hào)編碼處理。此時(shí)由f引進(jìn)來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼后成為二進(jìn)制碼0110，因此要將0110設(shè)計(jì)為電機(jī)停止工作的控制信號(hào)，

15、即當(dāng)輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)為0110時(shí)使電機(jī)停止。 根據(jù)分析將該部分電路設(shè)計(jì)成如下圖7所示。圖7 電機(jī)控制電路dcba為信號(hào)輸入端。ic7420為四輸入與非門。手動(dòng)開(kāi)關(guān)為三路選擇開(kāi)關(guān)。由電路圖可知，該電路主要由四個(gè)部分組成：四輸入與非門、繼電器、手動(dòng)開(kāi)關(guān)、電機(jī)。當(dāng)dcba輸入為0001信號(hào)時(shí)經(jīng)反相器后接到四輸入與非門輸入端為1111則輸出為低電平0，接到與門一端使其鎖住；當(dāng)dcba輸入為0110時(shí)經(jīng)反相器接到四輸入與非門輸入端為1111亦輸出低電平0，經(jīng)過(guò)反相器后輸出高電平1接到或門一端。電路工作原理：假設(shè)剛開(kāi)始水塔的水位在2米以下。則先將手動(dòng)開(kāi)關(guān)撥向3使電機(jī)接通ac220v工作抽水，當(dāng)水位上升

16、到2米以上6米以下時(shí)，再將其撥向1，則此時(shí)由繼電器控制電機(jī)。因?yàn)檫@時(shí)經(jīng)過(guò)編碼處理輸出的bcd碼dcba不是為0001或0110，所以四輸入與非門的兩個(gè)輸出端與都輸出為高電平1。由于二輸入與門的另一個(gè)輸入端為低電平，則輸出為低電平；而輸出經(jīng)過(guò)反相器器后亦為低電平。因此三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器沒(méi)有工作，即放開(kāi)鐵片。則此時(shí)電機(jī)仍由繼電器的第二通道接通220v工作。當(dāng)水位繼續(xù)上升到6米時(shí)輸入信號(hào)dcba為0110，此時(shí)輸出低電平0，經(jīng)反相器后為高電平1，通過(guò)邏輯或門接到三極管的基極使三極管導(dǎo)通工作，即接通發(fā)射極與集電極，使繼電器通電工作吸合鐵片。從而斷開(kāi)電機(jī)與220v使電機(jī)停止工作。也就使水位停止在

17、6米處。因此時(shí)繼電器吸合鐵片，使5v的電源由繼電器的第一通道接到與門，與同為高電平則使邏輯與門輸出為高電平，這樣即使水位下降，接到三極管的基極為低電平時(shí)也能使三極管工作在導(dǎo)通狀態(tài)，使繼電器工作吸合鐵片不讓電機(jī)工作。而當(dāng)水位下降到低于2米時(shí)，輸入端dcba變?yōu)?001，輸出低電平0，鎖住與門，即使與門輸出為低電平0，因此時(shí)沒(méi)有電流流到三極管基極而使其處于截止?fàn)顟B(tài)，從而斷開(kāi)繼電器的電源使其放開(kāi)鐵片，這樣又將電機(jī)由繼電器的第二通道接通到電源，轉(zhuǎn)動(dòng)抽水。即能將水位控制在2米以上。該電路所用的元器件已經(jīng)標(biāo)在圖上。四輸入與非門選用7420，反相器為7404，或門為4071，與門為7400，三極管為npn型

18、9013，電阻為2k，繼電器為jzc21f型直流電磁繼電器，并在繼電器兩端的二極管主要是用來(lái)放掉繼電器存儲(chǔ)的電荷，選用4148。部分元器件參數(shù)如下表4、表5所示。 表4 三極管參數(shù)三極管型號(hào)極性導(dǎo)通電壓（v）9013npn150625205000.7 表5 繼電器參數(shù)規(guī)格代號(hào)額定電壓（v）電圈電阻值（歐）吸合電壓（v）釋放電壓（v）接電負(fù)荷0.055703.750.6ac220v1.5a3.5 報(bào)警控制電路根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)要求只要將編碼處理輸出的信號(hào)dcba為0000或0111時(shí)設(shè)為報(bào)警電路的控制信號(hào)即可。由555定時(shí)器和三極管構(gòu)成的報(bào)警電路如圖8所示。其中555構(gòu)成多諧振蕩器，振蕩頻率f=1.4

19、3/(r1+2r2)c,其輸出信號(hào)經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。pr為控制信號(hào)當(dāng)pr為高電平時(shí)多諧振蕩器工作；反之則停止工作。pr信號(hào)是由74ls20產(chǎn)生的。 圖8 水位報(bào)警電路該電路主要由四輸入與非門、反相器、或門、報(bào)警器構(gòu)成。當(dāng)水位低于1米或升到7米時(shí)編碼器編碼輸出的信號(hào)dcba為0000或0111，再經(jīng)過(guò)反相器輸入到四輸入與非門輸入端后輸出為低電平再經(jīng)過(guò)反相器后變?yōu)楦唠娖?。該高電平通過(guò)或門后再經(jīng)過(guò)限流電阻驅(qū)動(dòng)報(bào)警器工作。因此可以通過(guò)報(bào)警器來(lái)判斷整個(gè)控制電路的工作是否正常。四輸入與非門選用7420，反相器為7404，或門為4071，報(bào)警器用適應(yīng)晶體振蕩器來(lái)代替。 3.6 元器件及其參數(shù)表6 元器件及其參數(shù)c1c8電解電容10ufq1q8、q9三極管9014、9013r1