水位控制電路

PAGEPAGE17河南科技學(xué)院新科學(xué)院電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：水位控制電路設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化082姓名：姜水龍時(shí)間：2010.06.06～2010.06.12指導(dǎo)教師：張偉邵鋒李曉敏 完成日期：2010年06月12日水位控制電路設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1．設(shè)計(jì)目的與要求設(shè)計(jì)一個(gè)水塔或鍋爐水位控制電路，準(zhǔn)確地理解有關(guān)要求，獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求所設(shè)計(jì)的電路具有以下功能：（1）多點(diǎn)水位實(shí)時(shí)采集和顯示功能；（2）當(dāng)水位低時(shí)，啟動(dòng)水泵自動(dòng)加水，達(dá)到高水位時(shí)自動(dòng)停止水泵；（3）當(dāng)達(dá)到警戒水位（高水位或低水位）時(shí)，電路能夠自動(dòng)報(bào)警提示；（4）具備報(bào)警消音控制功能；（5）所設(shè)計(jì)的電路具有一定的抗干擾能力。2．設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）畫(huà)出電路原理圖；（2）確定元器件及元件參數(shù)；（3）進(jìn)行電路模擬仿真；（4）SCH文件生成與打印輸出；（5）PCB文件生成與打印輸出。3．編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告寫(xiě)出設(shè)計(jì)的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有總結(jié)體會(huì)。4．答辯在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成敘述并回答問(wèn)題。目錄1引言……………42水位控制電路設(shè)的總設(shè)計(jì)方案…………………42.1設(shè)計(jì)思路………………………42.2總體設(shè)計(jì)框圖…………………53設(shè)計(jì)原理分析………………………53.1信號(hào)產(chǎn)生部分…………………53.2信號(hào)處理部分…………….63.3水位顯示電路…………73.4電機(jī)控制電路…………………83.5報(bào)警控制電路………………103.6元件及其參數(shù)………………114總結(jié)與體會(huì)………………………12參考文獻(xiàn)………………13附錄1………………14附表2………………15水位控制電路設(shè)計(jì)摘要:本文設(shè)計(jì)了一種水位控制電路。當(dāng)水位超出規(guī)定范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整水位，使其落在規(guī)定的范圍內(nèi)；當(dāng)水位低于規(guī)定范圍時(shí)，就控制水泵工作抽水，使水塔內(nèi)的水位上升，到達(dá)規(guī)定高度。從而達(dá)到不用人工專(zhuān)門(mén)去控制即可使水位保持在一定范圍內(nèi)的目的。另外本電路還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、鍋爐等。水位控制裝置的形式有很多種，浮子開(kāi)關(guān)式，電節(jié)點(diǎn)式，壓力式，電子式，微機(jī)式等。這些裝置或多或少的存在著一些缺點(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)，并提供了自動(dòng)報(bào)警自動(dòng)保護(hù)功能。有很多場(chǎng)合下均可采用。總體設(shè)計(jì)方案2.1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(guò)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(guò)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。2.2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)為五部分：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。報(bào)警控制報(bào)警控制報(bào)警器報(bào)警器顯示器水位顯示信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)處理顯示器水位顯示信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)處理電機(jī)電機(jī)控制電機(jī)電機(jī)控制圖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)生部分該電路的目的是產(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(guò)水來(lái)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(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)做輸入信號(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)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(kāi)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(guò)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)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)點(diǎn)的水位，原理圖如下圖2所示。a-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1-8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)的傳遞。圖2探頭原理圖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(mǎn)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)電電壓時(shí)，由晶體管的工作條件可知此時(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F(MHz)P(mW)BU(V)I(mA)導(dǎo)通電壓（V）9014NPN>150450>451000.7選用一般電阻，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U=0.0001R，為了使三極管能夠?qū)?，則U>0.7V，即R>0.7k，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(mǎn)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)以編碼器為核心的編碼電路，具有設(shè)計(jì)的電路如下圖4所示。圖4信號(hào)編碼電路a-b為信號(hào)輸入端，DCBA為信號(hào)輸出端。元件選擇：編碼器為74147，反相器為7404。3.3水位顯示電路該部分主要是用七段數(shù)碼管顯示器顯示水位。七段數(shù)碼管顯示器一般有兩種接法：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所示。圖5七段數(shù)碼管顯示由原理圖可知，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。圖6水位顯示電路DCBA為二進(jìn)制碼信號(hào)輸入端，a-g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BCD-7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。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)的主要設(shè)計(jì)目的。由任務(wù)設(shè)計(jì)要求：要將水塔的水位控制在2-6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)，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(mén)、手動(dòng)開(kāi)關(guān)為三路選擇開(kāi)關(guān)。由原理圖可知，該電路主要由四個(gè)部分組成：四輸入與非門(mén)、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(mén)輸入端為1111則輸出為低電平0，接到與門(mén)一端使其鎖?。划?dāng)DCBA輸入為0110時(shí)經(jīng)反相器接到四輸入與非門(mén)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(mén)一段。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)編碼器處理輸出的BCD碼DCBA不是為0111或0110，所以四輸入與非門(mén)的兩個(gè)輸出端Y1與Y2都輸出為高電平1，由于二輸入與門(mén)的另一個(gè)輸入端為低電平，則輸出為低電平；而Y2輸出經(jīng)過(guò)反相器后亦為低電平，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)Y2輸出低電平0，經(jīng)過(guò)反相器后為高電平1，通過(guò)邏輯或門(mén)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6米處。因此繼電器吸合鐵片，使+5V的電源由繼電器的第一通道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2米時(shí)，輸入端DCBA變?yōu)?001，Y1輸出低電平0，鎖住與門(mén)，即使與門(mén)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。該電路所用元器件已經(jīng)標(biāo)在圖上，四輸入與非門(mén)選用7420，反相器為7404，或門(mén)為4071，與門(mén)為7400，三極管為NPN型9013，電阻為2K，繼電器為JZC-21F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F(MHz)P(mW)BU(V)I(mA)導(dǎo)通電壓（V）9013NPN>150625>205000.7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）吸和電壓（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=1.43/(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(mén)、反相器、或門(mén)、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(mén)輸入斷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(mén)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(mén)選用7420，反相器為7404，或門(mén)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)Q1-Q8、Q9三極管90139014R1-R8、R9、R10-R16電阻10k2k220歐姆IC1編碼器74147IC2反相器7404IC3、IC4四輸入與非門(mén)7420IC5譯碼器7448IC6二輸入或門(mén)4071IC7二輸入與門(mén)7400C1-C8電解電容10ufK1-1、K1-2JZC-21F型直流電磁繼電器報(bào)警器NE555時(shí)基定時(shí)器顯示器七段數(shù)碼共陰極顯示器4總結(jié)與體會(huì)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)我學(xué)會(huì)了獨(dú)立做設(shè)計(jì)的方法與技能，拿到一個(gè)題目后，廣泛閱讀大量有關(guān)資料，從中抽取信息，加以總結(jié)分析，當(dāng)然期間也離不開(kāi)指導(dǎo)老師的指點(diǎn)。這樣既充分培養(yǎng)了我們的自學(xué)能力，還啟示了我們?cè)鯓硬拍軇?chuàng)新。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí),發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實(shí)際問(wèn)題,鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié),是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程。課程設(shè)計(jì)剛開(kāi)始時(shí)，思緒全無(wú)，舉步維艱，對(duì)于理論知識(shí)學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)的我深感“書(shū)到用時(shí)方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，對(duì)知識(shí)系統(tǒng)而全面進(jìn)行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請(qǐng)教，終于熟練掌握了基本理論知識(shí)，而且領(lǐng)悟諸多平時(shí)學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識(shí)，學(xué)會(huì)了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計(jì)的靈感。課程