水位控制器设计要点

电子技术课程设计报告水位控制器的设计姓名：学号：专业年级：指导教师：设计时间：2目录第一章设计任务与要求……………………………………………………………第二章设计方案……………………………………………………………………第三章设计原理与电路……………………………………………………………第四章电路的组装与调试…………………………………………………………第五章设计总结……………………………………………………………………附录…………………………………………………………………………………参考文献…………………………………………………………………………说明：1.各个章节的名称可随设计内容适当变化。2.第三章“设计原理与电路”中应包括选用的芯片引脚图和功能介绍（真值表等）、分立电路的设计、元件参数的选取和计算。3.第四章“电路的组装与调试”应包括采用的仿真软件、分立电路的仿真（仿真图、操作的步骤、方法和结果）、总电路的仿真调试等内容。4.第五章“设计总结”里包括本次设计的经验、不足、感想等内容。5.附录里包括元件清单、Protel原理图和PCB图。6.报告中附图的大小要适中，不宜过大或过小；附图和图表编号按章排列，比如图1-1、图1-2、表1-1等；每幅图、表都要有标题。7.参考文献格式参照数电课本后参考文献格式。8.正文的字体采用宋体、小四、行距为固定值20磅，标题加粗；每章不用分页；报告不得少于15页。3一、任务与要求：该设计针对于一个发生渗漏的位置，当水位高于设定高水位时将打开抽水机开关排水，使水位始终控制在设定的高低水位之间。水位传感器送出的控制信号与原来设定的参考信号相比较,按比较的结果来决定执行机构的动作。实现对水位的实时监测和LED数字显示。测量水位信号为模拟量。附加一个电源电路。基本要求：1.画出水位控制器的结构框图。2.画出系统原理电路图。3.进行仿真实验。4.按要求完成课程设计报告，交激光打印报告和电子文档。二、设计方案每部分电力都有其相应的功能：首先由信号产生部分产生整个电路的输入信号，该信号经过信号处理部分处理后输出其他电力的控制信号，控制其他电力工作：电机控制电力部分接受到由信号处理电力输出的有效控制信号后正常工作驱动电机转动抽水，使水位下降，而水位的变化又直接关系到信号的产生，因此有一个循环的过程，即使水位保持在一定范围水位显示电路接受到有效信号后驱动显示器工作使其显示该时刻的水位；水位超限时报警由“信号产生信号处理电机控制电机”这个循环就能使水塔具有自动控制水位的能力。三、设计原理本系统由220V电压经变压器降压限流，输出约12V直流电供继电器（继电器型号为：小型大功率继电器K：JQX-20F-C）和控制电路使用。本控制电路包括由设于水塔中的两个水位探测装置，控制单元，及水泵等组成。水位探测装置向输入触发信号，控制单元通过驱动电路控制水泵工作状态。该系统采用分立元件电路实现了水塔水位的自动控制，设计出一种低成本、高实用价值的水塔水位控制器。系统具有水源检测等功能。采用独立的电路实现水位检测处理，自动控制电机电路。它能自动完成上水、停水的全部工作循环过程，保证水面高度始终处于较理想的范围内，它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，是适用于各种场合的理想设备。4为了精确地实现对水位的控制，必须建立自动控制系统。根据水塔中的进、出水的水位可以自动控制水泵的运行与停止，使水位处于动态的平衡状态。控制系统主要分为水位的模拟检测和执行两部分组成。本设计采用金属探针作为水位检测传感器，将水位信息输出到555定时器与逻辑门电路组合的电路中，通过组合电路判断出当前水位的情况，由两个与非门驱动继电器，使给、排水电机工作，达到自动控制水位的效果。水位探针用细金属制作，垂直安放在盛水容器内。水位探针可以同供水器安装成一体，从盒体下部伸出，也可单独安装，其间用导线与供水器相连。当探针A、B都为高电位时，信号进入555定时器后，输出转化为低电位，通过非门U1A转化为高电位，此时继电器K1打开，使给水电机工作。同时信号也经过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为低电位，继电器K2仍然关闭，排水电机不工作。实现补水。当探针A、B都为低电位时，信号进入555定时器后，输出转化为高电位,经过U2A非门转化为低电位，此时继电器K1关闭，给水电机不工作。同时信号也经过U1B与A端输入信号的非信号进行与,转化为高电位，继电器K2打开，使排水电机工作。实现放水。由下面的逻辑真值表易知，当探针A、B其他状态电机均不工作。ABM1M2111010000001表1逻辑真值表(逻辑真值表中M1代表给水电机，M2代表排水电机)水位控制器主要用于工厂及家庭的自备水泵、水井及贮水池的水位自动控制。实现了智能化控制，免去了人工看管的麻烦。自动化控制对水位的控制精确、及时、节省人力资源，优于人工控制。2.1Ne555555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555(或5G555)和C7555等多种。5它们的结构及工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器具有低功耗、输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下。Pin1(接地)-地线(或共同接地)，通常被连接到电路共同接地。Pin2(触发点)-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。Pin3(输出)-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200mA。Pin4(重置)-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin5(控制)-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin6(重置锁定)-Pin6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。Pin7(放电)-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin8(V+)-这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。参数功能特性：•供应电压4.5-18V•供应电流3-6mA•输出电流225mA(max)•上升/下降时间100ns62.2．传感器水位传感器由三根探针组成，其中C探针为电源地，如果水位低于三根探针，则有内部电源将A、B拉至高电位。水位探针ABC可直接用胶皮铝线做成，插到水池里，ABC要求靠得很近但不能直接接触.A是最高水位探测线，B是最低水位探测线。由于水电阻较大，可采用信号放大设计，如图示2.3、逻辑门电路逻辑门电路的主要作用是判断探针传来的液位信息，分析可知，当A、B都为高电位时应使给水电机工作，A、B都为低电位时应使排水电机工作，其他状态均不工作。74LS04是6非门(反相器)他的工作电压5V，他的内部含有6个coms反相器，74LS04的作用就是反相把1变成0，平时在使用中请注意不要芯片的管脚顺序搞错了，下面是芯片的管脚图R110kC110uT1!NPN信号输入信号输出774LS08为四组2输入端与门管脚图如下真值表如图示2.4．继电器继电器是一种电子控制器件，是具有隔离功能的自动开关元件，可以将电动机的干扰有效的隔离。它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。本设计继电器采用固态继电器，以降低功耗。固态继电器是一种没有机械，不含运动零部件的继电器，但具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点。2.5、电机电机采用24V供电直流电机。负责给水、排水。82.6滤波电容的选择如果考虑到控制电路部分耗电较小，一般来说只有几10mA，则可采用无电源变压器稳压电路。它主要是利用电容器的容抗来把220V交流电压降低到30V左右，然后再进行整流、滤波、稳压。这种电路对降压电容的质量要求较高，常采用耐压630V、容量1微法左右的涤纶电容。降压电容的计算公式为CI=1000I/2f220Vi(单位：微法)（1）式中：I负载电流(单位：mA)，f电源频率(50Hz)Vi78XX输入电压(单位：V)如果令2f=314，则(1)式可简化为CI=lOOOI／{314*(220-Vi)}例如若I=60mA，Vi=30V，则Cl=1000*60／[314*(220-30)]=1微法对于这种设计方案，还要考虑电源电压突然升高或轻载时I降低到10mA左右的情况，这时vi可能超过三端集成稳压器的最高输入电压值，这就会导致78XX击穿损坏。为了避免这种情形发生，一般还应当在涤纶电容降压、二极管半波整流、电解电容滤波电路的后面加一级二极管稳压电路。这样做还可以防止Vi波动过大，以确保电源电路的稳压性能。对稳压管的选择方法为：1．令Vi=Vz，其中Vz是稳压管的稳压值；2．夸PzVz*(Imax-Imin)，其中：Pz为稳压管的最大耗散功率(单位w)．Imax为电源的最大输出电源(单位A)Imin为电源的最小输出电流。(单位A)例如若Vi=30V，Imax=0．06A，Imin=0．O1A，则Vz*(Imax-Imin)=30*(0．06-0．01)=1.5WPz1．5W，这时便可选用30V、2W的硅稳压二极管。对电源滤波电容的选择可用公式C2=5ImaxT／vi(单位F)(3)式中Imax78XX的最大负载电流(A)，T电源交流电压的周期(单位s)9Vi78Xx的输入电压(单位V)例如Imax=0．06A，T=0．02S，Vi=30V，则C2=5*0．06*0．02／30=0．0002F=2OO微法这时便可选用2OO微法／50V的电解电容。这个方案的特色是省掉了笨重的电源变压器，因而水位控制器的体积可做得较小。降压涤纶电容工作时基本上是不耗电的，因此不会发热，这对于长期、连续的工作方式是非常有利的。不过有一点必须注意，由于没有变压器隔离，底版可能带电。为了避免发生这种情况，附图中，接点2在内部必须接电路板的公共地线，在外部则要接在单相交流电源的“0”线或排水金属管道上，也可以直接接地。2.设计框图图1二、设计步骤和调试过程1、（1）控制电路：系统电源探针探测液位高度逻辑门电路与555定时器的组合电路给排水继电器给排水电机给排水发光二极管显示电机电源开关10水位控制器原理图（2）电源电路：电源电路由电源开关、LED指示灯、电源变压器、整流桥堆、滤波电容和固定三端集成稳压器组成由于是长期、连续工作，变压器的质量一定要好，其容量应加大一些。三端集成稳压器可采用78XX系列，其电压调整率较高，当输入电压变动20%时，输出电压保持稳定，因此电源电压允许波动15%的指标是完全可以达到的。这是一种常规的设计方案。113、仿真及仿真结果分析（电源电路用Vcc代替）电路仿真图124、实验调试结果当探针A、B都为高电位时，信号进入555定时器与逻辑门电路组合的电路中，输出转化为高电位，此时继电器K1打开，LED2显示红灯亮，使给水电机工作。同时信号也经过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为低电位，继电器K2仍然关闭，排水电机不工作。实现补水。当探针A、B都为低电位时，信号进入555定时器与逻辑门电路组合的电路中，输出转化为低电位，此时继电器K1关闭，给水电机不工作。