水位监测报警系统的设计

2008级电子信息工程模拟数字电路课程设计报告书设计题目水位监测报警系统的设计姓名学号学院物理与电子信息工程学院专业电子信息工程班级指导教师2010年11月20日1水位监测报警系统的设计指导教师签名：2010年月日一、指导教师评语指导教师签名：2009年月日二、成绩验收盖章2009年月日2目录摘要…………………………………………………………………3一、前言………………………………………………………………4二、水位报警系统方案选择………………………………………………42、1水位信号的选择……………………………………………42、2信号转换模块的选择………………………………………52、3编码模块和数码显示模块选择………………………………5三、工作原理…………………………………………………………………6四、电路设计……………………………………………………………………74.1水位信号、信号转换设计……………………………………74.2编码、数码管显示设计………………………………………84.3报警模块设计………………………………………………94.4退偶电路……………………………………………9五、系统调试…………………………………………………………………10六、设计总结…………………………………………………………………11七、参考文献…………………………………………………………………11八、附件…………………………………………………………………128.1附件1原理图………………………………………………128.2附件2PCB排版…………………………………………138.3附件3真值表…………………………………………148.4附件4元件清单…………………………………………153摘要：本水位监测报警器使用5V低压直流电源（也可以用3节5号电池代替）就可以对5~15厘米的水位进行监测，用数码管显示水位，并可以对不再此范围内的水位发出报警。主要采用CD4066、74LS86、74LS32、74S48芯片，再加上数码管、蜂鸣器、电阻、电容这些器件组成一个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。关键字：译码电路报警电路监测电路Abstract:Thewaterlevelalarmmonitoringtheuseof5Vlow-voltageDCpower(canalsousethreebatteriesreplacedonthe5th)willbeableto5to15centimetersofwaterlevelmonitoring,withLEDdisplayanddigitaldisplayofwaterlevel,andthiscannolongerWithinthescopeofawaterlevelalarm.MainlyCD4066,74LS86,74LS32,74S48chips,coupledwithdigitalcontrol,buzzer,electriccapacity,theresistanceofthesedevicescomposedofasimpleandsensitivemonitoringalarmcircuits.Becausethemajorityofcircuitsusingdigitalcircuitry,sothewaterlevelmonitoredalarmsystemalsohaslowenergyconsumption,highaccuracyofthecharacteristics.Keyword:Decodingcircuitalarmcircuitmonitoringcircuit4一、前言随着自动化技术的发展，自动化技术以深入到了各领域，为人们的生产生活带来了许多方便。水位的检测也可以用自动化来实现。大到可用于水库、湖泊、池塘水位的检测，小的可以用于鱼缸、锅炉水位的检测。我们针对我们设计的水位检测报警器的功能、原理、设计思路、调试等方面做了个系统的介绍。二、水位监测报警系统方案的选择本系统主要由水位信号模块、信号转换模块、数码管显示模块、报警模块、编码模块等模块构成。其系统方案框图如下图所示：（1）水位信号模块的选择方案1：采用电容的原理，用两块平行的长方形铜板作为电极放在水中，可以通过检测两电极间的电信号可知水位的变化情况。优点：结构简单、水位分辨率可大大提高;缺点：容易受水质的影响产生误差，信号为模拟信号，不方便处理。方案2：采用触点的方法，在每个水位点放置一个触点，当水到达该触点时就可得到一个信号。优点：灵敏度高、得出的时数字信号容易处理；缺点：分辨率不好提高，分辨率越高触点越多，越难编码。考虑到分辨率要求不高和信号处理的难度，排除干扰因素，我们采用方案2。（2）信号转换模块的选择水位信号模块信号转换模块编码模块报警模块数码显示模块5方案1:使用三极管把微弱的水位信号放大以驱动其他模块的工作。优点：成本低；缺点：工作不够稳定，使用数量多。方案2：使用CD4066双向模拟开关，把微弱的水位信号引到CD4066的控制端，CD4066的输入端都接电源，这样就能把微弱的水位信号转换为稳定的电位信号。优点：工作稳定可靠，便于集成化;缺点：成本高。信号转换模块的工作影响的各个模块的正常工作我们采用方案2。（3）编码模块和数码显示模块的选择方案1：使用2块8—3线编码器组合构成16—4的编码电路，再经过一个显示译码器直接驱动数码管显示。优点：电路结构简单；缺点：要编码的信号不够16个，造成浪费，显示译码器不好找。方案2：使用异或门74LS86和或门74LS32组成一个特殊的编码电路对每位位的数进行编码，在经74LS48显示译码器驱动数码管显示。（详细个位编码见附录）优点：电路可靠，稳定;缺点:电路较复杂。由于CD406674LS86、74LS32、74LS48都是常用的芯片，因此我们采用了方案2.6三、工作原理12345678910J1CON10R110kR210kR310kR410kR510kR610kR710kR810kI/O1I/O4I/O8I/O11CTRLA13CTRLB5CTRLC6CTRLD12O/I2O/I3O/I9O/I10U1CD4066BMI/O1I/O4I/O8I/O11CTRLA13CTRLB5CTRLC6CTRLD12O/I2O/I3O/I9O/I10U2CD4066BMVCCVCCR13680R14680R15680R16340A1A2A3A4A5A6A7A89108U4C74LS32123U5A74LS32121311U4D74LS32456U4B74LS329108U5C74LS32123U4A74LS32456U5B74LS32123U6A74LS86123U7A74LS86456U7B74LS861098U7C74LS86131211U3D74LS86123U3A74LS86456U3B74LS861098U3C74LS86A1A2A3A4A5A6A7A8131211U7D74LS86VCCB1BELLQ19014VCCVCCabfcgdeDPY76421910abcdefg5dpdp38DS1DPY_7-SEG_DPR244.7KBI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U874LS48R13680R14680R15680R16680A7上面的仿真图中J1相当于放置在水中的触点（已含下拉电阻），以获取不同水位的信号，将信号引到CD4066，CD4066芯片是一种双向模拟开关，在集成电路内有4个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。当触点没接触水的时候由10K电阻的下拉作用使的四个开关的控制端为低电平，开关断开。但是当触点接触到水时候，由于水的导电性，使的四个开关导通。随着水位的升高，CD4066中的虚拟开关逐个开启，把经过水出来后的微弱信号转换成与电源电压相同的电位信号，将的对位信号分别引到编码的或门及异或门上，组成我们的编码模块。并取1水位信号及8水位水位对应的CD4066的信号经过异或门由三极管放大之后驱动蜂鸣器报警。数码管显示模块的信号也是来自CD4066，经过由74LS86和74LS32组成的特殊的编码电路后再经74LS48显示译码器驱动数码管的显示。（详细个位编码见附录）7四、电路设计（1）水位信号模块、信号转换模块12345678910J1CON10R110kR210kR310kR410kR510kR610kR710kR810kI/O1I/O4I/O8I/O11CTRLA13CTRLB5CTRLC6CTRLD12O/I2O/I3O/I9O/I10U1CD4066BMI/O1I/O4I/O8I/O11CTRLA13CTRLB5CTRLC6CTRLD12O/I2O/I3O/I9O/I10U2CD4066BMVCCVCCR13680R14680R15680R16340A1A2A3A4A5A6A7A8VCCR13680R14680R15680R16680A7左端的J1是水位触点，由一个VCC及GND和8个触点组成，用水的导电性，让接触到水的触点出高电位；CD4066双向模拟开关，将微弱的信号进行转换；R1~R8是下拉电阻，用于水位没到管脚悬空时CD4066输入端的处理；R9~R16是编码模块的下拉电阻，应为CD4066是一个双向虚拟开关，当它断开时编码模块的管脚相当与悬空会引起逻辑混乱，因此加了下拉电阻8（2）编码模块、数码管显示模块9108U4C74LS32123U5A74LS32121311U4D74LS32456U4B74LS329108U5C74LS32123U4A74LS32456U5B74LS32123U6A74LS86123U7A74LS86456U7B74LS86131211U3D74LS86123U3A74LS86456U3B74LS861098U3C74LS86A1A2A3A4A5A6A7A8131211U7D74LS86VCCabfcgdeDPY76421910abcdefg5dpdp38DS1DPY_7-SEG_DPBI/RBO4RBI5LT3A7B1C2D6a13b12c11d10e9f15g14U874LS48A1~A8分别代表通过CD4066模拟开关转换来的型号，再通过74LS32及74LS86的编码过程把信号传到74LS48译码器内，再驱动数码显示管。对于74LS48的不同管脚与A1~A8的关系如下：887654876433287654321ADAAAAACAAAAAAABAAAAAAAAA此编码经74LS48之后驱动数码管显示1~8，与水位相对应。其编码真值表键附录3。9（3）报警模块而对于最高及最低水位我们不仅有数码管的显示，还设计了报警系统。其电路及编码设计如图：B1BELLQ19014VCC1098U7C74LS86R244.7K1098U7C74LS86A1A2A8如图所示，当水位降到最低时，即A1水位，电路报警。当水位升至A2水位时，电路停止报警。若当水位升至A8，即最高水位时，电路同样报警，而水位没达到A8或从A8下降，则电路停止报警。（4）退偶电路C110uC210uC30.1uC40.1uVCC为降低电路对电路之间的相互影响，在电路中设计一退偶电路，使电路能正常工作。10五、系统调试1、调试工具：（1）万用表（2）5V直流电源（3）水槽2、调试环境：（1）地点：实验室（2）室温：28℃3、测试过程：我们首先将水位触点放置在水槽中，再使用5V电源接通电路，此时我们听数码管显示“3”。此结果与预计的不符，我们断开电路，然后分别检测CD4066信号入口及信号出口出的电平，看与我们的预测是否相符合，结果发现U2的2脚的的电平不符合要求，我们仔细分析原因，发现是此处的下拉电阻的值不符合要求，于是在