水塔水位自动控制器的设计

1目录：第一章目录……………………………………1第二章摘要……………………………………2第三章设计方案及设计原理…………………2第四章电路总图……………………………8第五章元器件清单……………………………9第六章总结………………………………10第七章参考文献……………………………11第八章附录……………………………112第二章摘要水塔水位自动控制器主要用途是配合水泵，根据水塔水位高低的变化来启动及停止。适用于工农业及民用自动供水。本电路包括水位检测电路，水位范围测量电路，水泵开关电路，显示电路和电源电路5部分。水位测量电路的功能是利用水的导电性检测水位的变化，水位范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水位范围的确定，应根据水井涌水量来调节中水位探头及高水位探头之间的距离，应调节在水塔水满后，而水泵不应离水工作为宜，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。水泵开关电路的功能是完成控制电路和水泵是否工作，显示电路的功能是显示水泵是否在工作。电源电路则为以上电路提供直流电源。本控制器适用于家庭住宅、学校、工厂、宾馆、办公、楼宇的自来水水塔（水池）式增压供水与江河井水控制，以及供水、消防、轻工、印染、化纤、造纸、化工、食品、饮料、酿造、制糖、养殖、工矿、农业、水处理等行业的给排水和其它生产用液体供给排放自动化控制或上、下限位报警。3第三章设计方案及设计原理：第一节综合图：由电源电路给各个电路提供直流电源，通过检测电路对水塔水位及范围的测量，产生不同的电位Vs,利用迟滞比较器的特性，控制继电器的工作状态，从而实现对水泵工作状态的自动控制。水位检测电路水位范围测量电路水泵开关电路显示电路电源电路4第二节主要单元电路设计：一水位测量电路和水位范围测量电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26-Jun-2007SheetofFile:D:\MyDesign.ddbDrawnBy:R910kR110KR1410KD1ZENER1D2ZENER1R210KR410KR31KAR1OPAMPR510KAR2OPAMPR610KR71KR810KVCC=12VVCC=12VVCC=12VVsS1S2V2V1如图中左边电路所示，水位检测电路主要由电阻R9（R9＝10K）和定电阻R14组成，水位处于不同的位置时对应的Vs不同，水位低于S1时，VCC经R9和R14的电路短路，此时Vs＝VCC＝12V，水位高于S1低于S2时，Vs＝R14*VCC/(R9+R14)=6V,水位高于S2时，R14被短路，此时Vs＝0。通过调节水井中两探针位5置来实现水位范围的控制。水位测量电路如图中右边所示，它由两部分组成：1.电阻R1，R2和稳压管D1、D2构成的参考电压产生电路：2.由迟滞比较器构成的水位范围测量电路。参考电压产生电路产生两个稳定的电压，分别代表水位范围的上限值S2和下限值S1。由于参考电源产生电路输出端接入比较器的输入，为了防止出现输出电流不稳导致参考电源不稳定的情况，电路采用电阻和稳压管相结合的方式构成。其中稳压管的稳定电压均为+8V，而输出Vref1=+8VVref2=12V－8V＝4V水位范围测量电路的功能有两个：1.确定实际水位和水位控制范围的大小关系;2.防止出现跳闸现象。首先，Vref1和Vref2分别输入到运算放大器的同相输入端，而Vs则同时输入到这两个运算放大器的反相输入端。当水位低于S1时，Vs＝13VVp2＝4V，V1和V2输出都为高电平；当水位高于S1低于S2时，Vp2（4V）Vs（6V）Vp1（8V），V1输出为高电平，V2输出为低电平；当水位高于S2时，Vs（0V）Vp1(8V)，V1和V2输出都为高电平。由于Vs、Vref1和Vref2分别代表S、S2和S1，实际水位和水位控制范围的大小关系就确定了。本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来防止跳闸现象的出现。迟滞比较器U1的特性表达式为V1t+=Vp1=R5*Vref1/(R3+R5)+R3*V1/(R3+R5)=8.4VV1t-=Vp1=R8*Vref2/(R3+R5)+0=7.3V6由上式可得到回差范围△Vt=V1t+－V1t-=1.1V，即1.1V从高电平转换为低电平和从低电平转换为高电平的分界点电压值有了1.1V的差别，从而就可以防止跳闸现象的出现。同理迟滞比较器U2的特性表达式为V2t+=Vp2=R8*Vref2/(R7+R8)+R7*V2/(R7+R8)=4.7VV2t-=Vp2=R8*Vref2/(R7+R8)+0=3.6V由上式可求的迟滞比较器U2的V2t+-V2t-之差（4.7V-3.6V）同样具有1.1V的回差范围。7二水泵开关电路和显示电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26-Jun-2007SheetofFile:D:\12\BACKUP~22.DDBDrawnBy:V2V1R1010KR910KQ2NPNQ1NPNK1-1RELAY-DPSTD5LEDM1R121KVCC=12VK2-1RELAY-DPSTD3D4R131KD6LEDM2K1-2K2-2VCC=12VV=220如图中左边电路所示，水泵开关电路是由三极管和继电器电路构成的。电路的输入即为图中电路的输出，当SS1时，V1和V2输出都为低电平，Q1，Q2截止；当S1SS2时，V1输出为高电平，V2输出为低电平；当SS2时，输出都为高电平，Q1，Q2导通。8电路中的开关采用继电器电路。而一般运算放大器的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入由三极管电路构成的电流放大电路，它是一种比较典型的和简单的电路。其中R9和R10为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。三极管接为共集电极电路，当输入电压为高电平时，三极管导通饱和，可以将输入电流放大β倍；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接三极管的发射极，当有电流驱动时，开关吸合，对应的水泵断开，发光二极管熄灭；当无电流驱动时，开关断开对应的水泵通电，发光二极管亮，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。显示电路如图中虚线右边电路所示，通过发光二极管亮灭来表示电阻丝是否同通电，同时由于继电器的驱动电流过大，需要加入限流电阻。9三电源电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:21-Jun-2006SheetofFile:D:\leilei\Examples\MyDesign.ddbDrawnBy:TTRANS1Vin1GND2Vout3MC78L12CP1234D?BRIDGE1C1470μFC20.1μF1234D?BRIDGE1C347μFC40.1μF1234D?BRIDGE112V电源电路的设计采用的方法如图所示电路，直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成+12V支流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，C1、C2、C3和C4完成滤波功能，稳压电路采用三端集成电路来实现。10第四章电路总图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:26-Jun-2007SheetofFile:D:\12\BACKUP~22.DDBDrawnBy:R910kR110KR1410KD1ZENER1D2ZENER1R210KR410KR31KAR1OPAMPR510KAR2OPAMPR610KR71KR810KVCC=12VVCC=12VVCC=12VVsS1S2V2V1R1010KR910KQ2NPNQ1NPNK1-1RELAY-DPSTD5LEDM1R121KVCC=12VK2-1RELAY-DPSTD3D4R131KD6LEDM2K1-2K2-2VCC=12VV=220123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:21-Jun-2006SheetofFile:D:\leilei\Examples\MyDesign.ddbDrawnBy:TTRANS1Vin1GND2Vout3MC78L12CP1234D?BRIDGE1C1470μFC20.1μF1234D?BRIDGE1C347μFC40.1μF1234D?BRIDGE112V11第五章元器件清单符号类别数目R1,R4,R5,R6,R9R8,R10,R11,R14,10千欧9R3，R7，R12，R131千欧4D1，D2稳压管2D3，D4二极管IN41482D5，D6LED2T1，T2三极管90132J1，J2，J3，J4继电器JQX—4F—12V4TTRANS11C1470μF1C2，C40.1μF2C347μF1DBRIDGE11U1，U2LM3242U3MC78L12CP1M1，M2微型支流220V，1千欧212第六章总结通过这次电子课程设计，我学到了很多东西，基本上学会了Protel软件的常用作图方法，对课本上的一些公式及其应用有了进一步的理解，增强了我的动手能力，为以后的毕业设计跟工作后的各种工程设计打下了坚实的基础，而且在一定程度上了解了一些常用元件的使用方法及其特性，而且使我更深刻的明白了理论一定要和实践结合起来，现在所学知识就是为了实践，如果只懂得理论知识，学习效果就会大打折扣。另外还培养了我的思维能力，在设计电路时一定要全盘考虑到各种可能出现的问题，并进行解决。这次课程设计还让我看到了自己平时学习时的很多不足与缺点，以后还要加以改正。另外这次设计还充分体现了团队合作的重要性，能大量的节省时间，群众的力量就是大，在以后的学习中我会注意和同学的探讨和交流，达到事半功倍的效果。13第七章参考资料1．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，2005年6月4．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003年14附录基本电子器件简介