電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)——水位控制器設(shè)計(jì)

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目 水位控制器設(shè)計(jì) 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化12-07班 學(xué)生姓名 林彥超 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 白麗麗 2014年 7月 6日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課程 電 子 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì) 題目 水 位 控 制 器 設(shè) 計(jì) 專業(yè) 自 動(dòng) 化 姓名 林彥超 學(xué)號(hào) 主要內(nèi)容：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用所學(xué)的模擬電子技術(shù)及電路基礎(chǔ)等知識(shí)，自行設(shè)計(jì)一種水位控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)水箱中的水位低于預(yù)定的水位時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)水泵抽水；而當(dāng)水箱中的水位達(dá)到預(yù)定的高水位時(shí)，使水泵停止抽水，始終保持水箱中有一定的水。Ø 工作溫度范圍：-4

2、0+50Ø 連續(xù)工作時(shí)間：可24小時(shí)連續(xù)工作。Ø 水位探頭線長(zhǎng)度小于1.5米（過(guò)長(zhǎng)的話容易引入無(wú)線電干擾信號(hào)，而使系統(tǒng)無(wú)法正常工作）。Ø 具有自動(dòng)啟動(dòng)水泵抽水的功能。主要參考資料：1 潘松著. EDA技術(shù)實(shí)用教程M 北京：科學(xué)出版社，2005.2 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M 北京：高等教育出版社，20013 曹?chē)?guó)清數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)M 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，20014 喬鐵柱水位傳感器研究及測(cè)控儀研究D 山西：太原理工大學(xué)，20045 彭介華. 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M 北京：高等教育出版社，1997.6 孫梅生. 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)M 北京：高等教育出版社，

3、1998.7 高吉祥電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M 北京：電子工業(yè)出版社，2002.完成期限 2014.6.302014.7.6 指導(dǎo)教師 白 麗 麗 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2014年 6 月30 日目 錄1 任務(wù)和要求12 總體方案設(shè)計(jì)與選擇12.1 簧管觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)水位控制器22.2 三相水位控制器22.3 兩線水位控制器23 電路總原理框圖設(shè)計(jì)34 單元電路設(shè)計(jì)44.1 傳感器電路設(shè)計(jì)方案44.2 邏輯門(mén)電路設(shè)計(jì)方案44.3 繼電器設(shè)計(jì)電路54.4 電機(jī)參數(shù)與作用65 單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)66 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果67 設(shè)計(jì)總結(jié)7參考文獻(xiàn)8附 錄91 任務(wù)和要求 (1)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種可自動(dòng)控制水面高度的水位控制

4、器。 (2)水位控制器性能要求：Ø 工作溫度范圍：-40+50。Ø 連續(xù)工作時(shí)間：可24小時(shí)連續(xù)工作。Ø 水位探頭線長(zhǎng)度小于1.5米（過(guò)長(zhǎng)的話容易引入無(wú)線電干擾信號(hào)，而使系統(tǒng)無(wú)法正常工作）。Ø 具有自動(dòng)啟動(dòng)水泵抽水的功能。2 總體方案設(shè)計(jì)與選擇2.1 簧管觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)水位控制器簧管觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)電路來(lái)控制水泵，干簧管A用于低水位檢測(cè)，千簧管B用于高水位檢測(cè)。剛接通電源時(shí)，只要水位不在最高位置，電路即會(huì)處于V2飽和導(dǎo)通、V3截止的狀態(tài)，繼電器K吸合，其常開(kāi)觸頭接通水泵電動(dòng)機(jī)的工作電源，水泵開(kāi)始抽水。當(dāng)水箱內(nèi)水位上升至最高水位時(shí)，水上的浮體 (內(nèi)有磁鐵)靠近干簧管

5、B，在磁場(chǎng)的作用下，干簧管A內(nèi)部的常開(kāi)觸頭接通，使V4導(dǎo)通，V3和V2截止，K釋放，水泵停止抽水。當(dāng)水位降至低水位時(shí)，干簧管A的常開(kāi)觸頭在浮體內(nèi)磁鐵的磁場(chǎng)作用下接通，使Vl導(dǎo)通，V2飽和導(dǎo)通，V3截止，K吸合，水泵又開(kāi)始抽水。如此周而復(fù)始，使水箱內(nèi)水位始終在高水位與低水位之間升降變化。圖1 簧管觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)水位控制器原理圖2.2 三相水位控制器。三相水位控制器原理如圖2接通刀開(kāi)關(guān)Q，按動(dòng)S2后，KM通電吸合，其常開(kāi)觸頭吸合，水泵電動(dòng)機(jī)通電工作。與此同時(shí)，相線L2與零線N之間的220V交流電壓經(jīng)Cl降壓、VDl和VD2整流、VS穩(wěn)壓及C2濾波后，產(chǎn)生9V直流電壓。該電壓一路直接加至IC的l腳 (輸

6、入端);另一路經(jīng)R2和電極a、b之間水的電阻加至IC1的5腳 (控制端)，使IC內(nèi)部的電子開(kāi)關(guān)接通，其2腳的輸出電壓經(jīng)R4將VLC內(nèi)部的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，VLC內(nèi)部的光敏晶體管導(dǎo)通，其發(fā)射極輸出的高電平通過(guò)V加至VT的門(mén)極，使VT受觸發(fā)而導(dǎo)通，中間繼電器KA通電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)接通，使KM在S2松開(kāi)復(fù)位后仍鎖定為吸合狀態(tài)。水被抽干后，電極a,b之間的阻值增大，使IC的5腳變?yōu)榈碗娖?，其?nèi)部的電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，VLC和VT截止，KA和KM斷電釋放，水泵電動(dòng)機(jī)M停止工作。圖2 三相水位控制器原理圖2.3 兩線水位控制器本設(shè)計(jì)采用金屬探針作為水位檢測(cè)傳感器，將水位信息輸出到555定時(shí)器與邏輯門(mén)電路組合的電

7、路中，通過(guò)組合電路判斷出當(dāng)前水位的情況，由兩個(gè)與非門(mén)驅(qū)動(dòng)繼電器，使給、排水電機(jī)工作，達(dá)到自動(dòng)控制水位的效果。水位探針用細(xì)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(dú)安裝，其間用導(dǎo)線與供水器相連。當(dāng)探針 A、B都為高電位時(shí)，信號(hào)進(jìn)入555定時(shí)器后，輸出轉(zhuǎn)化為低電位，通過(guò)非門(mén)U2A轉(zhuǎn)化為高電位，此時(shí)繼電器K1打開(kāi)，使給水電機(jī)工作。同時(shí)信號(hào)也經(jīng)過(guò)U2B與A端輸入信號(hào)的非信號(hào)進(jìn)行與,轉(zhuǎn)化為低電位，繼電器K2仍然關(guān)閉，排水電機(jī)不工作。實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水。當(dāng)探針A、B都為低電位時(shí)，信號(hào)進(jìn)入555定時(shí)器后，輸出轉(zhuǎn)化為高電位,經(jīng)過(guò)U2A非門(mén)轉(zhuǎn)化為低電位，此時(shí)繼電器K1關(guān)閉，給

8、水電機(jī)不工作。同時(shí)信號(hào)也經(jīng)過(guò)U2B與A端輸入信號(hào)的非信號(hào)進(jìn)行與,轉(zhuǎn)化為高電位，繼電器K2打開(kāi)，使排水電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)放水。圖3 兩線水位控制器原理圖方案一用到了雙干簧管，價(jià)格比較高，雖然探測(cè)的效果比較好，但是制作起來(lái)比較麻煩，不適合作為課程設(shè)計(jì)的選擇。方案二簡(jiǎn)單明了，但運(yùn)用了光敏原件，容易受到外界條件的干擾，方案三用到了簡(jiǎn)單的元件并且設(shè)計(jì)合理，既具備了方案一的優(yōu)點(diǎn)又解決了方案二的不足。因此選用方案三作為本課題的原理方案。3 電路總原理框圖設(shè)計(jì)水位控制器的原理框圖如圖4示。探針探測(cè)液位高度水邏輯門(mén)電路給排水發(fā)光二極管顯示給排水繼電器給排水電機(jī)系統(tǒng)電源電機(jī)電源開(kāi)關(guān)圖4 水位控制器原理圖4 單元電路設(shè)

9、計(jì)4.1 傳感器電路設(shè)計(jì)方案水位傳感器的敏感元件是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)原理制成的，在單晶硅上形成1個(gè)與傳感器量程相應(yīng)厚度的彈性膜片，采用微電子工藝在彈性膜片上形成4個(gè)應(yīng)變電阻，組成1個(gè)惠斯頓電橋，如圖5所示。當(dāng)壓力作用后，彈性膜片就會(huì)產(chǎn)生變形，形成正、負(fù)2個(gè)應(yīng)變區(qū)，材料的電阻率就要發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)單晶硅片受到壓力作用時(shí)，電橋一個(gè)對(duì)臂的2個(gè)電阻阻值增大，另一個(gè)對(duì)臂上的2個(gè)電阻阻值減小。這樣，在一定電源激勵(lì)下，電橋的輸出端就會(huì)輸出一個(gè)與被測(cè)壓力成一定比例關(guān)系的電壓信號(hào)。R2+RR1-READBR4-RR3+RC。圖5 傳感器采集水位信號(hào)原理圖圖5中R是由于壓阻效應(yīng)產(chǎn)生的電阻的變化量。在水的壓力作

10、用下，電橋的輸出UBD=IR，可見(jiàn)電橋的輸出與電阻的變化量成正比，也就是與水的壓力(或深度)成正比，從而將水位物理量變成對(duì)應(yīng)的近似成線性比例關(guān)系的電信號(hào)。當(dāng)水位升高或降低時(shí)，單晶硅所受壓力隨之改變，輸出正比于水位的電壓信號(hào)。水位傳感器利用水的壓力與水的深度成正比的關(guān)系來(lái)測(cè)量水位，水壓力即差壓。當(dāng)把傳感器探頭投入到水中某一位置時(shí)，測(cè)點(diǎn)的水壓力為：式中P測(cè)點(diǎn)的水壓力，g/cm2。H測(cè)點(diǎn)水深，即測(cè)點(diǎn)至水面距離，cm。水的密度，kg/m3?？赏扑愕?，測(cè)點(diǎn)水深：H=P/。4.2 邏輯門(mén)電路設(shè)計(jì)方案邏輯門(mén)電路的主要作用是判斷探針傳來(lái)的液位信息，分析可知，當(dāng)A、B都為高電位時(shí)應(yīng)使給水電機(jī)工作，A、B都為低電

11、位時(shí)應(yīng)使排水電機(jī)工作，其他狀態(tài)均不工作。邏輯門(mén)電路如圖6所示。圖6 邏輯門(mén)電路當(dāng)A和B均為低電平時(shí)，則兩個(gè)均導(dǎo)通，T1導(dǎo)通而M4和M5均截止，輸出L為高電平。與此同時(shí)，M1通過(guò)M2和M5被VDD所激勵(lì)，從而為T(mén)2的基區(qū)存儲(chǔ)電荷提供一條釋放通路。另一方面，當(dāng)兩輸入端A和B中之一為高電平時(shí)，則M2和M3的通路被斷開(kāi)，并且M4或M5導(dǎo)通，將使輸出端為低電平。M1或M6為T(mén)1的基極存儲(chǔ)電荷提供一條釋放道路。因此，只要有一個(gè)輸入端接高電平，輸出即為低電平。4.3 繼電器設(shè)計(jì)電路繼電器是一種電子控制器件，是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)元件，可以將電動(dòng)機(jī)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(yīng)用于自動(dòng)

12、控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。本設(shè)計(jì)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(méi)有機(jī)械，不含運(yùn)動(dòng)零部件的繼電器，但具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、體積小，能以微小的控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)。圖7 繼電器原理圖繼電器的輸入信號(hào)x從零連續(xù)增加達(dá)到銜鐵開(kāi)始吸合時(shí)的動(dòng)作值xx,繼電器的輸出信號(hào)立刻從y=0跳躍到y(tǒng)=ym,即常開(kāi)觸點(diǎn)從斷導(dǎo)通。一旦觸點(diǎn)閉合，輸入量x繼續(xù)增大，輸出信號(hào)y將不再起變化。當(dāng)輸入量x從某一大于xx值下降到xf,繼電器開(kāi)始釋放，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)。我們把繼電器的這種特性叫做繼電特性，

13、也叫繼電器的輸入-輸出特性。 釋放值xf與動(dòng)作值xx的比值叫做反饋系數(shù)，即Kf= xf /xx ，觸點(diǎn)上輸出的控制功率Pc與線圈吸收的最小功率P0之比叫做繼電器的控制系數(shù)，即Kc=PC/P0。4.4 電機(jī)參數(shù)與作用電機(jī)采用24V供電直流電機(jī)。負(fù)責(zé)給水、排水。5 單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)將傳感器、邏輯門(mén)電路、繼電器、電機(jī)按圖4所示順序用直接耦合的方式連接，就構(gòu)成了完整的水位控制器。6 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果當(dāng)探針 A、B都為高電位時(shí)，信號(hào)進(jìn)入邏輯門(mén)電路組合的電路中，輸出轉(zhuǎn)化為高電位，此時(shí)繼電器K1打開(kāi)，LED2顯示紅燈亮，使給水電機(jī)工作。同時(shí)信號(hào)也經(jīng)過(guò)U2B與A端輸入信號(hào)的非信號(hào)進(jìn)行與,轉(zhuǎn)化為低電位，繼電器K2

14、仍然關(guān)閉，排水電機(jī)不工作。實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水。當(dāng)探針A、B都為低電位時(shí)，信號(hào)進(jìn)入555定時(shí)器與邏輯門(mén)電路組合的電路中，輸出轉(zhuǎn)化為低電位，此時(shí)繼電器K1關(guān)閉，給水電機(jī)不工作。同時(shí)信號(hào)也經(jīng)過(guò)U2B與A端輸入信號(hào)的非信號(hào)進(jìn)行與,轉(zhuǎn)化為高電位，繼電器K2打開(kāi)，LED1顯示綠燈亮，使排水電機(jī)工作。實(shí)現(xiàn)放水。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制。7 設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)通過(guò)電子探頭對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，再由液位檢測(cè)專用芯片對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理,當(dāng)被測(cè)液體到達(dá)動(dòng)作點(diǎn)時(shí)，芯片輸出高或低電平信號(hào)，再配合水位控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制。此設(shè)計(jì)尚不成熟，采用了比較簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)方法，但基本上滿足要求。由于我的能力所限這個(gè)設(shè)計(jì)不是很完善，還有許多的地方需

15、要加以改善。在與同學(xué)們的討論和老師的指導(dǎo)下，我終于完成了本次的課程設(shè)計(jì)。通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)電路的基本設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)的思路，同時(shí)也感覺(jué)到自己基礎(chǔ)知識(shí)的不牢固和知識(shí)面的缺乏。從本次設(shè)計(jì)中體會(huì)到平時(shí)應(yīng)該注重知識(shí)面的擴(kuò)展和基礎(chǔ)知識(shí)的積累。并且應(yīng)該多親自動(dòng)手設(shè)計(jì)，鞏固基礎(chǔ)知識(shí),拓展知識(shí)面,提高電子設(shè)計(jì)的能力。參考文獻(xiàn)1 潘松著. EDA技術(shù)實(shí)用教程M 北京：科學(xué)出版社，2005.2 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M 北京：高等教育出版社，20013 曹?chē)?guó)清數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)M 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，20014 喬鐵柱水位傳感器研究及測(cè)控儀研究D 山西：太原理工大學(xué)，20045 彭介華. 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)M 北京：高等教育出版社，1997.6 孫梅生. 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)M 北京：高等教育出版社，1998.7 高吉祥電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M 北京：電子工業(yè)出版社，2002.附 錄表1 元件清單序號(hào)器件名稱型號(hào)單位數(shù)量備注1電阻R15K個(gè)12電阻R25K個(gè)13電阻R3220K個(gè)14電阻R4220K個(gè)15發(fā)光二極管LED紅色和綠色個(gè)26繼電器K固態(tài)個(gè)27U1555片18U274LS04片29U374LS08片110電機(jī)M24V個(gè)2東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表課程名稱電 子 技 術(shù) 課 程 設(shè) 計(jì)題目名稱水