水位自动控制电路要点

**大学信息学院数字电路课程设计报告题目：水位自动控制电路专业、班级：电子信息科学与技术学生姓名：学号：指导教师：指导教师评语：成绩：教师签名：一．任务书二．目录目录1设计目的………………………………………………………………42设计目的要求…………………………………………………………43设计方案选取与论证…………………………………………………44仿真过程及结果………………………………………………………51设计思路…………………………………………………………62现有设计方案……………………………………………………63总体设计框图……………………………………………………75结论故障分析及解决………………………………………………146参考文献…………………………………………………………15附录……………………………………………………………………16三．内容1.设计目的通过这次设计熟练对电子设计的动手技能，，提高电子设计的能力，同时也培养学生收集、整理、分析和刷选利用资料及各类信息的能力，也使得学生通过这次的设计对所学的数电和模电知识及各种电路、电路元件的功能更好的理解和运用。2.设计任务要求功能：1、当水位低于最低点时，电路能自动加水。2、当高于最高点时，电路能自动停水。3、该电路的直流电源自行设计。（可采用W78××系列）要求：1、选择适当的元器件，设计该电路。以实现上述功能。2、利用Proteus绘制其电路原理图并进行仿真。3.设计方案选取与论证3.1设计方案的选取：（1）继电器式自动上水控制装置继电器式水位控制装置工作原理是通过接入220V继电器控制电路的3个探测电极来检测水位高低，使继电器闭合或开启，控制水泵电动机的开停，达到控制水位的目的，控制电路较简单，但要注意以下几点:1)在维修水塔中的水位探测电极时，须断开主回路和控制回路电源开来使N线带电，造成维修人员的触电危险。2)在水塔的低水位探测电极C的引线端，必须进行N线的重复接地。接地电阻要求小于4Ω，使C点水位探测电极保持良好的零电位，以利于继电器的可靠吸合，使自控电路运行稳定。3)在水泵向水塔供水时，由于水流的冲击，使水塔内的水位波动起伏，容易导致继电器吸合、断开的频繁跳动，影响自控电路的正常稳定运行。为了解决这个问题，我们可以在水塔中放置一木排浮漂，使水塔的水位上升平衡稳定。（2）晶体管式自动上水控制装置晶体管式水位控制装置工作原理是水位高低控制串接探测电极的2支晶体三极管的导通、关断，从而控制继电器回路，达到自动(可手动)启停水泵电动机的目的，以控制水位。设计与使用中应注意以下问题:1)自制电子式自控装置所选用的电子电器元件必须是正规产品，并应对元器件的主要技术参数逐项检测。对装配好的整机要进行电老化及热老化的试验，并在电气试验室作额定工作状态的频繁动作100次以上的传动试验，以及绝缘耐压试验等。2)由于三极管输出信号较小，需通过中间继电器来控制主回路接触器，以延长器件寿命，增加可靠性。3)水位探测电极，至少要用6mm2的铜芯塑料线，如用30mm×3mm或40mm×4mm铜排则更好。其端部要用电烙铁加热搪锡，以防止探测电极氧化锈蚀，降低电极的导电性能。4)定期对整个控制电路检修维护和探测电极的清扫除垢。3.2论证综合考虑元件购买、成本高低、简便性和数字电路向对于模拟电路易操作等因素，本设计采用了方案二。4.仿真过程及仿真结果总体设计框图由任务分析可知该设计电路有两个功能：水位控制、水位显示。而要有这些功能就必须要有使其工作的控制信号，所以首先即必须要有输入信号，因为任务要求是自动控制，所以输入信号也必须由电路自己产生而不能人为加入，因此可以将整个电路设计为以下部分：信号产生、信号处理、电路控制和水位显示电路。整体电路框架如下图1所示。1、设计思路每部分电路都有其相应功能：首先有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之后，输出其他电路的控制信号，控制其他电路工作，电机控制电路部分接收到有信号处理电路输出的有效控制信号后正常工作驱动电机转动抽水，使水位上升，而水位的变化有直接关系到信号的产生，因此有个循环的过程，即使水位保持在一定范围内：水位显示电路接收到有效信号后驱动显示器工作，使其显示该时刻的水位；水位超限时输出为报警电路的有效控制信号使报警电路工作，驱动报警器报警。由“信号产生→信号处理→电机控制→电机→信号产生”这个循环就能使水塔具有自动控制水位的能力。2、现有设计方案555定时器组成的水位自动控制器3、总体设计框图3.1、信号产生部分该电路的目的是产生有效的输入信号，主要原理是利用水的弱导电性。水属于弱导电质、即使这样也可以通过水来传递微弱的电信号，鉴于此原理，初步将该电路设计成由水面上升与下降来控制电信号的接通与断开；当水位上升时接通电信号；当水位下降时断开电信号。按此分析，只要在水塔里放上用来传递电信号的探头，则水位上升到探头位置时接通电信号；水位低于探头位置时断开电信号。把电信号接通时设为有效信号即当做输入信号，而断开时设为无效信号，因此可以由电信号的接通与断开之间的变化产生信号当做控制信号。在水塔的不同位置放置几个探头时就可以根据水位的高低接通某些探头和断开某些探头。因此只要知道每个探头具体位置，再根据其输出电信号的情况就能大致确定水位的位置，将探头输出的电信号当做输入信号经过处理后成为电路的控制信号。根据设计的要求，设水塔分水满、不足、两者之间三部分，因此可用探头个数设计为三个点的水位，原理图如下：a-c为三个检测探头，其中a探头表示水箱底部水不足的临界点，b表示在水满和水不足之间，c探头表示水满的触点。COM为公共电极，接+5V，为了提高精确度，将公共电极尽可能的靠近探头，即使电极与探头的距离尽量小，有利于电信号的传递。a-c为三个检测探头，其中a探头表示水箱底部水不足的临界点，b表示在水满和水不足之间，c探头表示水满的触点。COM为公共电极，接+5V，为了提高精确度，将公共电极尽可能的靠近探头，即使电极与探头的距离尽量小，有利于电信号的传递。图2探头原理图3.2、信号处理部分该部分主要是对输入信号进行处理输出其他电路的控制信号，由于水的导电性十分微弱，由公共端通过探头的电信号会很小，不一定能够成为满足电路工作的控制信号，因此可以接一个反相器对输入信号进行处理。图3所示即为用反相器对信号处理的原理图3.3、水位显示部分由以上电路的设计，可选用74LS147的优先编码器，所谓“优先”编码即多个输入端同时满足编码条件时，只对最高位编码。先用优先编码器把所输入信号进行编码，编码后由于输出低电平信号有效所以用反相器进行校正，校正后驱动显示器进行工作。用开关的通断来分别表示水满、不足、中等这几个信号，水满时显示器可显示3，水不足时显示1。根据要求该电路设计以编码器为核心的编码电路，具有设计的电路如下图4所示：图4信号编码电路a、b、c为信号输入端，D、C、B、A为编码器信号输出端。元件选择：编码器74LS147，反相器7407，显示器。3.4、控制电路该部分为整个设计电路的重点部分，也是难点部分。主要目的就是要控制电机的工作，通过控制电机的工作来控制水位，这也就是本实验的主要设计目的。现用灯泡的亮灭代替电机的运转。由于任务要求：当水位低时要自动进水，满时要及时断电停水。也就是说只有A开关闭合时电机运转，现在用灯泡来表示即为灯灭;当3个开关都闭合是即显示3灯亮。该部分电路设计如下图：由于当DCBA为0011是灯亮，DCBA为0001是灯灭，故上图开关A闭合表示B=1，A打开表示B=0.其原理为：A1和A2是两个555时基集成电路，其中，A1及R1、R2、C2组成自激多谐振荡器，A1的3脚每50s输出一个宽度仅为0.1s的低电平脉冲。A2与R4、C3组成延迟约为70s的单稳态触发器。当水池中水位最低时即显示器显示1时，上面开关断开，此时A2的2脚为低电平，3脚为高电平，灯不亮。当水位上升最高点时，开关闭合，A2的2脚仍为高电平，A2的3脚变为低电平，灯亮。优先编码器的输出信号与灯的状态之间的关系：DCBA灯0001灭0010保持0011亮其总电路图为：3.5、元器件的选用及其参数（1）在这里选择的555单稳态触发器，是由555定时器的基础上发展而来的。先对555定时器做个简单的介绍。如图3所示是它的内部的结构图。图3下表是555定时器的功能表，充分说明了它的特性。如表（2）表（2）555功能表555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。在这里用到的555单稳态触发器其工作特性是没有触发信号时，电路只有一种稳定状态一直保持低电平不变，有触发信号时，先会进入暂稳态再回到稳定状态。555时基电路(IC)接成单稳态触发器形式，继电器接在IC输出端3脚与地之间，2脚为触发信号输入端。平时3脚输出信号V=0，单稳态触发器为稳态。当有一负触发脉冲Vi作用于2脚时，单稳态触发器翻转为暂稳态，3脚输出信号Vo=VCC。单稳态触发器驱动电路的特点是每触发一次555时基电路便驱动负载工作一个固定的时间，该工作时间等于单稳态触发器的输出脉宽丁(T=1.1RC)。在这里主要发挥了它的三大特点:其一，触发电流仅为0.5μA，特别适用于电极式水位触发导通电流越小越好的关键技术特性；其二，输出负载电流大，最大可达200mA，可直接驱动继电器；其三，可利用单稳态电路的延时特性避免由于水流冲击导致水塔内水面波动起伏而影响输出继电器频繁跳动的不良现象，以使自控电路工作更加稳定可靠。如图4所示为555单稳态触发电路图。图4（2）其他元器件及其参数表6元器件及其参数Q1-Q8、Q9三极管90139014R1-R8、R9、R10-R16电阻10k2k220欧姆IC1编码器74147IC2反相器7404IC3、IC4四输入与非门7420IC5译码器7448C1-C8电解电容10uf报警器NE555时基定时器显示器显示器5.结论故障分析及解决通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于按时完成。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。IC6二输入或门4071IC7二输入与门7400四．致谢五．参考文献[1]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].华中科技大学电子技术课程组编.高等教育出版社2006年1月第5版.[2]卿太全，李箫，郭明琼.常用数字集成电路原理与应用[M].北京：人民教育出版社，20