陜西科技大學(xué)數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)任艷濤(上交)

1、 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 學(xué)生課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：水塔自動(dòng)供水裝置數(shù)字控制電路設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 職教機(jī)電101 姓 名： 任艷濤 學(xué) 號(hào)： 20100312101 學(xué) 期： 2011年第二學(xué)期 陜 西 科 技 大 學(xué) 數(shù)字電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)生： 任艷濤 題目： 水塔自動(dòng)供水裝置數(shù)字控制電路設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)從 2012 年 6 月 25 日起到 2012 年 6 月29日1、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：l 電路具有自動(dòng)給水功能：當(dāng)水塔水位低于低水位時(shí)，發(fā)出給水塔加水控制信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)水泵抽水。l 電路具有自動(dòng)停止給水控

2、制功能，即直至水塔水位至高水位時(shí)，停止給水塔加水控制信號(hào)，自動(dòng)關(guān)閉水泵。 l 具有指示燈led1、led2指示當(dāng)前水塔水位數(shù)字控制電路運(yùn)行狀態(tài)。 2、對(duì)課程設(shè)計(jì)成果的要求包括圖表、實(shí)物等硬件要求： 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，需包含以下內(nèi)容： 1) 設(shè)計(jì)題目；設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作原理詳細(xì)說明; 心得體會(huì)；參考文獻(xiàn)等。 2) 進(jìn)行詳細(xì)的方案選擇、電路原理。 3) 繪制相應(yīng)原理示意圖及完整電路原理設(shè)計(jì)圖。 4) 列出元件清單。 3、課程設(shè)計(jì)工作進(jìn)度計(jì)劃：時(shí)間設(shè)計(jì)任務(wù)及要求6月13日需求分析、方案選擇與確定6月14日電路詳細(xì)設(shè)計(jì)6月15日電路詳細(xì)設(shè)計(jì)，元件參數(shù)確定6月16日撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告6月17日總結(jié)及成績(jī)?cè)u(píng)定

3、指導(dǎo)教師： 日期： 教研室主任： 日期： 陜西科技大學(xué) 課程設(shè)計(jì)成績(jī)考核表課程設(shè)計(jì)名稱：水塔自動(dòng)供水裝置數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化班級(jí)：機(jī)電101 學(xué)號(hào)： 20010312101 姓名 任艷濤 下表由指導(dǎo)教師按實(shí)際情況進(jìn)行填寫：考核內(nèi)容所占比例得分設(shè)計(jì)方案15說明書15圖紙、程序、計(jì)算、作品等的完成質(zhì)量30創(chuàng)新與發(fā)揮情況10答辯（口試）情況20出勤率10指導(dǎo)教師評(píng)語總評(píng)成績(jī)?cè)u(píng)定等級(jí)成績(jī)與等級(jí)對(duì)應(yīng)表優(yōu)90100良8089中等7079及格6069不及格59分以下指導(dǎo)教師簽字： 教研室主任簽字： 200 年 月 日 目錄一設(shè)計(jì)目的- 6 -二課程設(shè)計(jì)題目描述和要求- 6 -三課程設(shè)

4、計(jì)報(bào)告內(nèi)容- 6 -四結(jié)論- 15 -五結(jié)束語- 15 -六參 考 文 獻(xiàn)- 16 -引言日常生活和工業(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、鍋爐等。水位控制裝置的形式有很多種，浮子開關(guān)式，電節(jié)點(diǎn)式，壓力式，電子式，微機(jī)式等。這些裝置或多或少的存在著一些缺點(diǎn)：浮子開關(guān)式采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，維護(hù)起來不方便；微機(jī)式控制裝置，雖然操作方便，但造價(jià)較貴本位從實(shí)用型和經(jīng)濟(jì)型出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種水位控制裝置，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)。簡(jiǎn)單易行，有很多場(chǎng)合下均可采用。一 設(shè)計(jì)目的 通過這次設(shè)計(jì)熟練對(duì)電子設(shè)計(jì)的動(dòng)手技能，提高電子設(shè)計(jì)的能力，

5、同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)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(xué)生通過這次的設(shè)計(jì)對(duì)所學(xué)的數(shù)電和模電知識(shí)及各種電路、電路元件的功能更好的理解和運(yùn)用。二、課程設(shè)計(jì)題目描述和要求 1電路具有自動(dòng)給水功能：當(dāng)水塔水位低于低水位時(shí)，發(fā)出給水塔加水控制信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)水泵抽水。2電路具有自動(dòng)停止給水控制功能，即直至水塔水位至高水位時(shí)，停止給水塔加水控制信號(hào)，自動(dòng)關(guān)閉水泵。 3具有指示燈led1、led2指示當(dāng)前水塔水位數(shù)字控制電路運(yùn)行狀態(tài)。 三、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容 1、設(shè)計(jì)思路每部分電路都有其相應(yīng)功能：首先有信號(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)過信號(hào)處理部分處理之后，輸出其他電路的控制信號(hào)，控制

6、其他電路工作，電機(jī)控制電路部分接收到有信號(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，而水位的變化有直接關(guān)系到信號(hào)的產(chǎn)生，因此有個(gè)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(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.現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的分析 （1）繼電器式自動(dòng)上水控制裝置 繼電器式自動(dòng)上水控制裝置工作原理是通過接入220v繼電器控制電路的3個(gè)探測(cè)電極來檢測(cè)水位高低，使繼電器閉合或開啟，控制水泵電動(dòng)機(jī)的開停

7、，達(dá)到控制水位的目的，控制電路較簡(jiǎn)單，但要注意以下幾點(diǎn):1)在維修水塔中的水位探測(cè)電極時(shí)，須斷開主回路和控制回路電源開關(guān)，以防止n線回路由于零電位漂移而帶電，或從控制回路線圈回路串過來使n線帶電，造成維修人員的觸電危險(xiǎn)。2)在水塔的低水位探測(cè)電極c的引線端，必須進(jìn)行n線的重復(fù)接地。接地電阻要求小于4，使c點(diǎn)水位探測(cè)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(yùn)行穩(wěn)定。3)在水泵向水塔供水時(shí)，由于水流的沖擊，使水塔內(nèi)的水位波動(dòng)起伏，容易導(dǎo)致繼電器吸合、斷開的頻繁跳動(dòng)，影響自控電路的正常穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這個(gè)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

8、自動(dòng)上水控制裝置晶體管式自動(dòng)上水控制裝置工作原理是水位高低控制串接探測(cè)電極的2支晶體三極管的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而控制繼電器回路，達(dá)到自動(dòng)(可手動(dòng))啟停水泵電動(dòng)機(jī)的目的，以控制水位。設(shè)計(jì)與使用中應(yīng)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(yīng)對(duì)元器件的主要技術(shù)參數(shù)逐項(xiàng)檢測(cè)。對(duì)裝配好的整機(jī)要進(jìn)行電老化及熱老化的試驗(yàn)，并在電氣試驗(yàn)室作額定工作狀態(tài)的頻繁動(dòng)作100次以上的傳動(dòng)試驗(yàn)，以及絕緣耐壓試驗(yàn)等。2)由于三極管輸出信號(hào)較小，需通過中間繼電器來控制主回路接觸器，以延長(zhǎng)器件壽命，增加可靠性。3)水位探測(cè)電極，至少要用6mm2的銅芯塑料線，如用30mm3mm或40mm4mm銅排

9、則更好。其端部要用電烙鐵加熱搪錫，以防止探測(cè)電極氧化銹蝕，降低電極的導(dǎo)電性能。4)定期對(duì)整個(gè)控制電路檢修維護(hù)和探測(cè)電極的清掃除垢。5）選用方案555定時(shí)器組成的水位自動(dòng)控制器3、總體設(shè)計(jì)框圖 有任務(wù)分析可知該設(shè)計(jì)電路有三個(gè)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(hào)，所以首先即必須要有輸入信號(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)為以下部分：信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)處理、電機(jī)控制和水位顯示電路。整體電路框架如下圖1所示。顯示器水位顯示信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)處理電機(jī)電機(jī)控制 圖1總體設(shè)計(jì)框圖4、各部分電路設(shè)計(jì)4.1、信號(hào)產(chǎn)生部分 該電

10、路的目的是產(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水來傳遞微弱的電信號(hào)，鑒于此原理，初步將該電路設(shè)計(jì)成由水面上升與下降來控制電信號(hào)的接通與斷開；當(dāng)水位上升時(shí)接通電信號(hào)；當(dāng)水位下降時(shí)斷開電信號(hào)。按此分析，只要在水塔里放上用來傳遞電信號(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)斷開電信號(hào)。把電信號(hào)接通時(shí)設(shè)為有效信號(hào)即當(dāng)做輸入信號(hào)，而斷開時(shí)設(shè)為無效信號(hào)，因此可以由電信號(hào)的接通與斷開之間的變化產(chǎn)生信號(hào)當(dāng)做控制信號(hào)。在水塔的不同位置放置幾個(gè)探頭時(shí)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(gè)探頭具體位置，再根據(jù)其輸出電信號(hào)的情

11、況就能大致確定水位的位置，將探頭輸出的電信號(hào)當(dāng)做輸入信號(hào)經(jīng)過處理后成為電路的控制信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)水塔分水滿、不足、兩者之間三部分，因此可用探頭個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為三個(gè)點(diǎn)的水位，原理圖如下：a-c為三個(gè)檢測(cè)探頭，其中a探頭表示水箱底部水不足的臨界點(diǎn)，b表示在水滿和水不足之間，c探頭表示水滿的觸點(diǎn)。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)的傳遞。 圖2 探頭原理圖4.2、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)

12、，因此可以接一個(gè)反相器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。 圖3所示即為用反相器對(duì)信號(hào)處理的原理圖。4.3、水位顯示部分 由以上電路的設(shè)計(jì)，可選用74ls147的優(yōu)先編碼器，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。先用優(yōu)先編碼器把所輸入信號(hào)進(jìn)行編碼，編碼后由于輸出低電平信號(hào)有效所以用反相器進(jìn)行校正，校正后驅(qū)動(dòng)顯示器進(jìn)行工作。用開關(guān)的通斷來分別表示水滿、不足、中等這幾個(gè)信號(hào)，水滿時(shí)顯示器可顯示3，水不足時(shí)顯示1。根據(jù)要求該電路設(shè)計(jì)以編碼器為核心的編碼電路，具有設(shè)計(jì)的電路如下圖示：圖4信號(hào)編碼電路a、 b、c為信號(hào)輸入端，d、c、b、a為編碼器信號(hào)輸出端。元件選擇：編碼器74ls147，反

13、相器7407，顯示器。4.4、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，通過控制電機(jī)的工作來控制水位，這也就是本實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)目的?，F(xiàn)用燈泡的亮滅代替電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于任務(wù)要求：當(dāng)水位低時(shí)要自動(dòng)進(jìn)水，滿時(shí)要及時(shí)斷電停水。也就是說只有a開關(guān)閉合時(shí)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)在用燈泡來表示即為燈滅;當(dāng)3個(gè)開關(guān)都閉合是即顯示3燈亮。圖5 電機(jī)控制電路由于當(dāng)dcba為0011是燈亮，dcba為0001是燈滅，故上圖開關(guān)a閉合表示b=1，a打開表示b=0. 其原理為：a1和a2是兩個(gè)555時(shí)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

14、個(gè)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(dāng)水池中水位最低時(shí)即顯示器顯示1時(shí)，上面開關(guān)斷開，此時(shí)a2的2腳為低電平，3腳為高電平，燈不亮。當(dāng)水位上升最高點(diǎn)時(shí)，開關(guān)閉合，a2的2腳仍為高電平，a2的3腳變?yōu)榈碗娖剑瑹袅?。?yōu)先編碼器的輸出信號(hào)與燈的狀態(tài)之間的關(guān)系：dcba燈0001滅0010保持0011亮4.5、元器件的選用及其參數(shù)在這里選擇的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是由555定時(shí)器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。先對(duì)555定時(shí)器做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。圖6 555定時(shí)器原理圖下表是555定時(shí)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(shí)器是一種應(yīng)用極為

15、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(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。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(hào)時(shí)，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(hào)時(shí)，先會(huì)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)再回到穩(wěn)定狀態(tài)。555時(shí)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(hào)輸入端。平時(shí)3腳輸出信號(hào)v=0，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有一負(fù)觸發(fā)脈沖vi作用于2腳時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出信號(hào)vo=vcc。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是每觸發(fā)一次555時(shí)基電路便驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作一個(gè)固定的時(shí)間，該

16、工作時(shí)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)揮了它的三大特點(diǎn):其一，觸發(fā)電流僅為0.5a，特別適用于電極式水位觸發(fā)導(dǎo)通電流越小越好的關(guān)鍵技術(shù)特性；其二，輸出負(fù)載電流大，最大可達(dá)200ma，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器；其三，可利用單穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)特性避免由于水流沖擊導(dǎo)致水塔內(nèi)水面波動(dòng)起伏而影響輸出繼電器頻繁跳動(dòng)的不良現(xiàn)象，以使自控電路工作更加穩(wěn)定可靠。圖7 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路圖5、整體電路圖圖8 電氣原理圖四、結(jié)論4.1設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及解決方法在本次課程設(shè)計(jì)中，我的一個(gè)最大失誤就是電路設(shè)計(jì)這方面，一方面是網(wǎng)上可供查閱的資料很少，我得自己探索著做，另一方面就是對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)掌握的

17、不牢，很多基本的東西都不記得了，導(dǎo)致出現(xiàn)重大的設(shè)計(jì)失誤，所幸我對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)還算比較熟悉，最后能夠及時(shí)彌補(bǔ)設(shè)計(jì)失誤帶來的時(shí)間和人力物力上的浪費(fèi)。所以說以后需要認(rèn)真學(xué)習(xí)，踏實(shí)實(shí)踐，及時(shí)復(fù)習(xí)，才能將一門課學(xué)好。4.2設(shè)計(jì)體會(huì) 通過一周的課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)數(shù)字邏輯電路這門課又有了新的認(rèn)識(shí)和收獲。這讓我深深地體會(huì)到了實(shí)踐與理論相結(jié)合的重要性，過去學(xué)了數(shù)字邏輯電路的知識(shí)之后就放在一邊了，等到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)自己學(xué)的很淺，使用仿真軟件一段時(shí)間以后，對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)和鞏固，這對(duì)以后的學(xué)習(xí)是大有裨益的。4.3問題所在本次設(shè)計(jì)基本上完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，但是，如果投入到實(shí)際的應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)大大小小的問題，希望在以

18、后的設(shè)計(jì)中不斷地想出新的設(shè)計(jì)思路，不斷的模擬仿真。當(dāng)然，還要不斷的和老師交流，探討五結(jié)束語1.學(xué)習(xí)是沒有止境的。在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)之前，我一直以為自己的數(shù)電水平還可以。但是在完成這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我總是被一些小的，細(xì)的問題擋住前進(jìn)的步伐，讓我總是為了解決一個(gè)小問題而花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道。其實(shí)設(shè)計(jì)的時(shí)候，基礎(chǔ)是一個(gè)不可缺少的知識(shí)，但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。 2.多和老師討論。在做課程設(shè)計(jì)的工程中要不停的討論問題，這樣，我可以盡可能的糾正自己思想，這樣就不會(huì)使自己在做的過程中沒有方向，并且這樣也是為了把自己錯(cuò)誤想法及時(shí)打消。討論不僅是一些思想的問題，他還可以深入的討論一些技術(shù)上的問題，這樣可以使自己的人處理問題要快一些。3.多改變自己設(shè)計(jì)的方法。在設(shè)計(jì)的過程中最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。4.在設(shè)計(jì)過程中得到老師和同學(xué)的幫助，再次表示感謝。 六參考文獻(xiàn) 1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）m. 華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組編.高等教育出版社 2006年1月第5版. 2008年12月第6次印刷. page 203-2302 卿太全，李簫，郭明瓊.