全自動(dòng)水位控制器

1、河北科技學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：自動(dòng)水位控制器作 者：蘆琦 學(xué) 號(hào)：Z12132108 系 別：機(jī)電工程系 專 業(yè)：電氣自動(dòng)化 年 級(jí)：12級(jí) 指導(dǎo)教師： 完成日期：2014年5月13日目 錄摘要關(guān)鍵詞第一章 水位控制器電路設(shè)計(jì)方案51.1 緒論51.2 水位控制器性能指標(biāo)61.3 水位控制器設(shè)計(jì)方案61.3.1 水位檢測(cè)電路 61.3.2 降壓整流電路91.3.3浮力開(kāi)關(guān)111.3.4電磁繼電器的選擇111.3.5輸出控制 12第二章 水位控制器電路設(shè)計(jì)122.1系統(tǒng)電路原理122.2 元件參數(shù)14第三章 水位控制器實(shí)驗(yàn)153.1 水位控制器實(shí)驗(yàn)15總結(jié)4參考文獻(xiàn)5致謝6摘要水塔水位自

2、動(dòng)控制器主要用途是配合水泵，根據(jù)水塔水位高低的變化來(lái)啟動(dòng)及停止。適用于工農(nóng)業(yè)及民用自動(dòng)供水。本電路包括水位檢測(cè)電路、水泵開(kāi)關(guān)電路和電源電路3部分。水位測(cè)量電路的功能是利用水的導(dǎo)電性檢測(cè)水位的變化，水泵開(kāi)關(guān)電路的功能是完成控制電路和水泵是否工作，顯示電路的功能是顯示水泵是否在工作。電源電路則為以上電路提供直流電源。基于對(duì)555芯片的了解和低壓繼電器的學(xué)習(xí)，本控制器利用555芯片設(shè)計(jì)而成，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。本控制器適用于家庭住宅、學(xué)校、工廠、賓館、辦公、樓宇的自來(lái)水水塔（水池）式增壓供水與江河井水控制，以及供水、消防、輕工、印染、化纖、造紙、化工、食品、飲料、釀造、制糖、養(yǎng)殖、工礦、農(nóng)業(yè)、

3、水處理等行業(yè)的給排水和其它生產(chǎn)用液體供給排放。關(guān)鍵詞：水位控制 NE555 繼電器 浮力開(kāi)關(guān) 數(shù)字電子AbstractWater tower water level automatic controller is primarily used with pumps, according to the change of the water tower water level to start and stop. Suitable for agricultural and industrial and civil water supply automatically. This circuit

4、includes water detection, water pump switch circuit and power circuit three parts. Water level measurement circuit function is the use of water conductivity testing the change of water level, water pump switch circuit function is whether the completion of control circuit and the pump work, display t

5、he function of the circuit is the water pump is in the work. Power supply circuit is to provide the above circuit dc power supply. Based on the understanding of the 555 chip and low voltage relay, this controller USES 555 chip design and become, and has carried on the simulation experiments in the l

6、aboratory. This controller is suitable for family homes, schools, factories, hotels, office, building water towers (pool) type pressurization water and well water control of rivers and water supply, fire protection, light industry, printing and dyeing, chemical fiber, paper making, chemical industry

7、, food, beverage, brewing, sugar, farming, mining, agriculture, water treatment and other industries of water supply and drainage and other discharge fluid supply. Keywords: water level control、 NE555 、relay buoyancy 、digital electronic 、switch 水位控制器電路設(shè)計(jì)方案緒論水位控制器是指通過(guò)機(jī)械式或電子式的方法來(lái)進(jìn)行高低水位的控制，可以控制電磁閥、水泵等，

8、成為水位自動(dòng)控制器或水位報(bào)警器，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或者全自動(dòng)化。目前在用的水位控制方式主要有以下種1）電極式水位控制系統(tǒng)使用多個(gè)電極線與水面接觸探測(cè)水位優(yōu)點(diǎn) 價(jià)格便宜缺點(diǎn) 屬于開(kāi)關(guān)量控制無(wú)法給出實(shí)際水位 探測(cè)電極容易腐蝕 安裝不便 如有污物會(huì)粘附在電極上，使水位失控。2）浮球水位控制器分管式浮球與纜浮球。管式浮球適合清水及粘度不大的液體。纜浮球適合污水。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格適中，可以做出高、低、超高、超低四點(diǎn)控制。缺點(diǎn)：屬于開(kāi)關(guān)量控制，無(wú)法給出實(shí)際水位。浮球上易粘附污物，使浮球 不能可靠動(dòng)作，管式浮球容易卡滯，纜浮球容易纏繞，所有浮球都有觸點(diǎn)接觸不良現(xiàn)象。結(jié)果都是系統(tǒng)失控。調(diào)整控制點(diǎn)很不方便。3）液位變

9、送器智能控制器方式優(yōu)點(diǎn)：屬于模擬量控制，可以實(shí)時(shí)顯示水位數(shù)值，對(duì)于水位失控或設(shè)備故 障可以提前預(yù)警。集成了雙泵智能控制，控制系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單。呆設(shè)高、低、超高、超低四點(diǎn)控制，控制點(diǎn)在控制器上設(shè)定，極其方便。智能控制器可與電腦聯(lián)網(wǎng)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視水位及設(shè)備運(yùn)行情況。缺點(diǎn)：價(jià)格高。4）超聲波液位控制器 優(yōu)點(diǎn)：屬于模擬量控制，可以實(shí)時(shí)顯示水位數(shù)值，對(duì)于水位失控或設(shè)備故 障可以提前預(yù)警。集成了雙泵智能控制，控制系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單?？稍O(shè)高、低、超高、超低四點(diǎn)控制，控制點(diǎn)在控制器上設(shè)定，極其方便。智能控制器可與電腦聯(lián)網(wǎng)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)視水位及設(shè)備運(yùn)行情況。探頭不與待測(cè)物質(zhì)接觸，適合污水及有毒有害液體的液位控制。缺點(diǎn)：價(jià)格

10、高。不適合水面有大量氣泡的場(chǎng)合應(yīng)用范圍：水位控制器廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造紙、食品、污水處理等行業(yè)內(nèi)開(kāi)口或密閉儲(chǔ)罐，地下池槽中各種液體的液位測(cè)量，被檢測(cè)的介質(zhì)可分水、油、酸、堿、工業(yè)污水等各種導(dǎo)電及非導(dǎo)電液體。與電動(dòng)閥組成一套先進(jìn)的液位顯控設(shè)備，自動(dòng)開(kāi)、關(guān)電動(dòng)閥。1.2 水位控制器性能指標(biāo)1當(dāng)水位低于下限水位時(shí)，電機(jī)自動(dòng)開(kāi)啟，進(jìn)行注水。2當(dāng)水位高于上限水位時(shí)，電機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，停止注水。3可以人工控制電機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉。1.3 水位控制器設(shè)計(jì)方案 利用簡(jiǎn)單的電子電路來(lái)控制水位的自動(dòng)控制。1、方案說(shuō)明圖1 方案框圖該方案由電源電路給各個(gè)電路提供直流電源。通過(guò)水位

11、檢測(cè)電路利用水的導(dǎo)電性對(duì)水塔水位進(jìn)行檢測(cè)，并且通過(guò)顯示電路顯示出當(dāng)前電動(dòng)機(jī)是否工作。利用555芯片3腳的輸出從而控制繼電器的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵在不同水位的工作或停止?fàn)顟B(tài)的控制，從而控制水塔的水位。2、方案論證本方案使用到了555芯片、晶體三極管和繼電器，都是基礎(chǔ)模電和電路知識(shí)的運(yùn)用，原理易懂方便操作和理解。而且原料簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，故所需成本低。此外，本方案設(shè)計(jì)出的水塔水位控制器控制器體積小，便于安裝和拆卸，占地面積小。故方案可行性高。1.3.1 水位檢測(cè)電路 水位檢測(cè)部分是由3個(gè)水位測(cè)試點(diǎn)、555時(shí)基控制電路組成的。它是把水位變化為555時(shí)基電路2腳和6腳的電位變化，從而控制555時(shí)基電路的輸出，

12、再通過(guò)繼電器來(lái)控制水泵的啟動(dòng)和停止。555時(shí)基電路內(nèi)部電路組成部分工作過(guò)程分析NE555系列芯片簡(jiǎn)介NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號(hào)。 NE555的特點(diǎn)有： 1.只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。 2.它的操作電源電壓范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位

13、，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。 4.它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。NE555引腳圖和功能表NE555芯片管腳圖如圖1所示。各管腳的配置說(shuō)明如表2所示。 圖1 圖2 由圖可知555電路由電阻分壓器、電壓比較器、基本RS觸發(fā)器、放電三極管和輸出緩沖反相器5個(gè)部分組成。555時(shí)基電路的引腳功能1腳：接地端。2腳：低電平觸發(fā)端。由此輸入低電平觸發(fā)脈沖。6腳：高電平觸發(fā)端，由此輸入高電平觸發(fā)脈沖。4腳：復(fù)位端，輸入負(fù)脈沖（或使其電壓低于0.7V）可使555定時(shí)器直接復(fù)位。5腳：電壓控制端，在此端外加電壓可以改變比較器的參考電壓

14、。不用時(shí)，經(jīng)0.01uF的電容接地，以防止引入干擾。7腳：放電端，555定時(shí)器輸出低電平時(shí)，放電晶體管導(dǎo)通，外接電容元件通過(guò)放電管放電。3腳：輸出端，輸出高電壓約低于電源電壓1V3V，輸出電流可達(dá)200mA，因此可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等。8腳：電源端，雙極型時(shí)基電路的電源電壓的范圍是4.516V，CMOS型時(shí)基電路的電源電壓范圍318V，555時(shí)基電路工作過(guò)程分析：8腳連接VCC，引腳2和6的比較電壓為：UR2=2/3VCC、UR6=1/3VCC。當(dāng)V62/3VCC，V21/3VCC時(shí)，555輸出低電平，電磁繼電器不工作，電機(jī)停止運(yùn)行當(dāng)V62/3VCC，V21/3VCC時(shí)，555

15、輸出保持不變，無(wú)論電機(jī)是否在工作，電磁繼電器的工作狀態(tài)都不會(huì)改變。當(dāng)V21/3VCC時(shí)，555輸出高電平，電磁繼電器開(kāi)始工作，使電機(jī)開(kāi)始工作往水塔里注水。只有當(dāng)水位達(dá)到高電平時(shí)，才會(huì)停止工作。當(dāng)水位從高變低時(shí)，綠燈發(fā)光。到達(dá)低水位時(shí)，紅燈變亮。當(dāng)水位從低到高是，紅燈發(fā)光。到達(dá)高水位時(shí)，綠燈變亮。555元器件參數(shù)選擇NE555芯片參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓4.5-18V 供應(yīng)電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時(shí)間100 ns1.3.2降壓整流電路降壓整流電路設(shè)計(jì)該部分由降壓一個(gè)變壓器TF1、四個(gè)1N4002型的二極管構(gòu)成橋式整流電路、一個(gè)電容C3組成。其作用是為弱電部分的控制電

16、路提供直流穩(wěn)壓電源。電路圖如圖所示。工作原理原理如圖2-2所示。接通電源后，交流電流經(jīng)降壓整流部分，當(dāng)輸入交流電壓為正半周時(shí)，對(duì)D1、D3加正方向電壓，使得Dl、D3導(dǎo)通；對(duì)D2、D4加反方向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成Es、Dl、U1、D3通電回路，在U1 ，上形成上正下負(fù)的半波整流電壓。Es為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成Es、D2、U2 、D4通電回路，同樣在U2 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。由于整流后的直流實(shí)際是脈動(dòng)的，也就是直流的波形不是平直的，因此使用大容量電容并聯(lián)在電路中，在電壓的波峰時(shí)儲(chǔ)能，在波谷

17、時(shí)放能，使脈動(dòng)的直流電壓波形接近平直。2主要元器件參數(shù)選擇（1）降壓變壓器T1的選擇控制變壓器一般用于降低控制部分電路電壓，以保證控制電路的安全可靠。本設(shè)計(jì)根據(jù)以下兩個(gè)原則選用變壓器容量。1）根據(jù)控制電壓的最大工作負(fù)荷時(shí)所需要的功率進(jìn)行選擇，以保證變壓器在長(zhǎng)期工作時(shí)不至于超過(guò)允許溫升。2）變壓器的容量應(yīng)能保證部分吸合的電器，在啟動(dòng)其他電器時(shí)，仍能可靠吸合，同時(shí)又能保證將要啟動(dòng)的電器也能啟動(dòng)吸合。根據(jù)以上原則選擇的變壓器參數(shù)如表2-1所示 所選變壓器參數(shù) 表2-1型號(hào)輸入電壓輸出電壓輸出電流TF6632110V/220V13V3A（2）濾波電容C4的選擇濾波電容的選擇適合恰當(dāng)直接影響到弱電部分電

18、路能否正常運(yùn)行。常用的濾波電容為瓷介質(zhì)電容，這里選擇型號(hào)為X7R（穩(wěn)定型）瓷介質(zhì)電容，其大小為470f。1.3.3浮力開(kāi)關(guān)工作原理為了能在相應(yīng)水位觸發(fā)控制電路的NE555芯片，浮力開(kāi)關(guān)被安裝在要求水位稍微低一些的水塔壁上，為了確保長(zhǎng)期浸泡不會(huì)影響正常工作，設(shè)計(jì)中將與之相連接的導(dǎo)線外層包裹了抗腐蝕的樹(shù)脂膜。浮力開(kāi)關(guān)的原理是：水位淹沒(méi)浮力開(kāi)關(guān)浮球上翹帶動(dòng)內(nèi)部連桿使得導(dǎo)線閉合電路接通。浮力開(kāi)關(guān)兩端與NE555芯片的2或6引腳和電源正極相連，當(dāng)電路接通后，將給芯片的引腳輸入數(shù)值為Vcc的電壓信號(hào)。浮力開(kāi)關(guān)又稱液位開(kāi)關(guān)，常用的浮力開(kāi)關(guān)有浮球式、靜壓 ( 或差壓 ) 式、電容式、超聲波式等。本課程設(shè)計(jì)要求

19、開(kāi)關(guān)能夠長(zhǎng)期浸泡不影響正常工作。此外，水塔中的水一般化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，水壓不大，而且測(cè)量精度不高，故這里選擇浮球式浮力開(kāi)關(guān)。具體型號(hào)是上海質(zhì)諾電子科技有限公司生產(chǎn)的SC-F系列浮力開(kāi)關(guān)SC-F系列浮力開(kāi)關(guān)工作原理是：側(cè)裝浮球液位開(kāi)關(guān)側(cè)裝式浮球開(kāi)關(guān)是利用液體浮力原理，當(dāng)浮球因浮力作用而上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，接線盒內(nèi)的磁簧開(kāi)關(guān)（或微動(dòng)開(kāi)關(guān)）受到臂端磁鐵影響，而作“NC”接點(diǎn)與“NO”接點(diǎn)之互換。具體元件參數(shù)的選擇見(jiàn)下表本設(shè)計(jì)所選浮力開(kāi)關(guān)參數(shù) 型號(hào)材質(zhì)安裝方式牙口規(guī)格最高耐壓接線殼保護(hù)等級(jí)SC-F75PVDF、PP側(cè)裝、上裝1-1/2、BSP50kg/cmIP-651.3.4電磁繼電器的選擇為了滿足控制電路的要求

20、，本設(shè)計(jì)在綜合考慮了控制電路的電壓等級(jí)、觸點(diǎn)數(shù)量、種類等因素后，選擇封閉式小功率小型繼電器，具體型號(hào)參數(shù)如下表所示。中間繼電器參數(shù)表型號(hào)線圈電源線圈功率觸點(diǎn)額定電流觸點(diǎn)額定電壓JRX-13F-16-110V0.5W5A250V1.3.5輸出控制水位控制器控制輸出（電磁繼電器）接于12V直流電源下。由自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。手動(dòng)開(kāi)關(guān)由操作人員自主控制，可自由控制電機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉，從而控制水位的高低。水位控制器電路設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)電路原理水位控制器電路原理圖如當(dāng)自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)（K2）處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)（1）水位在探針C以下 ：此時(shí)探針A、B、C均不導(dǎo)通，555電路的2腳電平低于1/3VCC，6引腳電平低于2

21、/3VCC。3腳輸出高電平，這時(shí)電磁繼電器開(kāi)始工作使電機(jī)開(kāi)始工作，同時(shí)使得LED2處于導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)出紅光。當(dāng)水位慢慢升高，高于C探針時(shí)。2腳電平高于1/3VCC，6引腳電平低于2/3VCC，3腳輸出不變使得電機(jī)繼續(xù)工作，紅燈繼續(xù)發(fā)光。當(dāng)水位到達(dá)A探針時(shí)，2引腳電平高于1/3VCC，6引腳電平高于2/3VCC，3引腳輸出低電平，電磁繼電器停止工作，使電機(jī)停止工作。同時(shí)使得LED1處于導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)出綠光。（2）水位探針在A以上：此時(shí)A、B、C均導(dǎo)通，2腳電平高于1/3VCC，6引腳電平高于2/3VCC，3腳輸出低電平，電磁繼電器不工作，使電機(jī)不會(huì)工作。同時(shí)使得LED1處于導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)出綠光。當(dāng)用水

22、使得水位低于A時(shí)，2腳電平高于1/3VCC，6引腳電平低于2/3VCC，3腳輸出不變，電磁繼電器不會(huì)工作，電機(jī)也不會(huì)工作，LED1繼續(xù)導(dǎo)通，發(fā)出綠光。當(dāng)水位低于C探針時(shí)2腳電平低于1/3VCC，6引腳電平低于2/3VCC。3腳輸出高電平，這時(shí)電磁繼電器開(kāi)始工作使電機(jī)開(kāi)始工作，同時(shí)使得LED2處于導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)出紅光。當(dāng)自動(dòng)/手動(dòng)開(kāi)關(guān)（K2）處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)控制開(kāi)關(guān)K3的閉合和斷開(kāi)即可控制電機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉，實(shí)時(shí)的控制水位的高低。2.2 元件參數(shù)1、整流器 1個(gè) 2、IC555 1個(gè)3、10K電阻 2個(gè) 4、100K變阻器 2個(gè)5、0.01f電容 3個(gè) 6、470f電容 1個(gè)7、發(fā)光二極管 2個(gè)（紅、

23、綠） 8、1N4001二極管 2個(gè)9、PNP9014三極管 3個(gè) 10、水位探針 3個(gè)11、12V電磁繼電器 1個(gè) 12、變壓器 1個(gè)13、電機(jī) 1個(gè) 14、單刀雙擲開(kāi)關(guān) 1個(gè)15、單刀單擲開(kāi)關(guān) 1個(gè) 水位控制器實(shí)驗(yàn)3.1 水位控制器實(shí)驗(yàn)按照電路原理圖連接好電路，其中水位探測(cè)針用是否接地來(lái)代替。提供12V電壓的部分直接用12V直流電源代替。連接好電路后，按照“水位”從高到低，從高到低變化，觀察3引腳的輸出。改變A、B、C的是否接地來(lái)觀察3引腳的輸出是否按照設(shè)計(jì)的變化。運(yùn)行結(jié)果 按照電路原理運(yùn)行電路基本符合預(yù)期結(jié)果故障及排除 1、555的5引腳和6引腳接反了。重新接好了。 2、一個(gè)1N4001二

24、極管接反了，導(dǎo)致一個(gè)指示燈不亮。重新接好了?？?結(jié)在此次的水位控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們進(jìn)一步地熟悉了NE555集成電路的結(jié)構(gòu)及功能，掌握了各元件的工作原理及其使用方法。水箱水位控制器具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想和簡(jiǎn)單可靠的控制電路。在電路元器件正確安裝完畢以后，只需稍做調(diào)整即可正常運(yùn)行。實(shí)踐表明，系統(tǒng)運(yùn)行以后工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，在完全無(wú)需人工干預(yù)的情況下，能有效地進(jìn)行水箱水位自動(dòng)控制，節(jié)省了勞動(dòng)力，減少了用電量，降低了成本。該控制器具有小巧、經(jīng)濟(jì)、可靠、實(shí)用和節(jié)能降耗的特點(diǎn)，是一種值得推廣的新型的自動(dòng)控制裝置。在把NE555集成片，繼電器，電位器接入電路中時(shí)，要求熟悉邏輯電路及其各引腳的功能，那么在電路出錯(cuò)時(shí)便能準(zhǔn)確地找出錯(cuò)誤所在并及時(shí)糾正了。在連接實(shí)物圖時(shí)，看起來(lái)電路不是很復(fù)雜，可是一到連接的時(shí)候，才知道并不是看起來(lái)那么簡(jiǎn)單。有時(shí)接一接線就接混了，例如應(yīng)把接到NE555的6腳上的線，接到了NE555的5腳上，還有在還有一些連接上的錯(cuò)誤，從而給我?guī)?lái)了很多麻煩。在設(shè)計(jì)電路的連接圖中出錯(cuò)的主要原因都是接線和電路板的接觸不良以及接線的錯(cuò)誤所引起的?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實(shí)踐，在整整一星期的日子里，可以說(shuō)得是苦多