陜西科技大學數(shù)字電路課程設(shè)計任艷濤(上交)

1、 職業(yè)技術(shù)學院 學生課程設(shè)計報告課程名稱：水塔自動供水裝置數(shù)字控制電路設(shè)計 專業(yè)班級： 職教機電101 姓 名： 任艷濤 學 號： 20100312101 學 期： 2011年第二學期 陜 西 科 技 大 學 數(shù)字電路 課程設(shè)計任務(wù)書 職業(yè)技術(shù)學院 機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 班級 學生： 任艷濤 題目： 水塔自動供水裝置數(shù)字控制電路設(shè)計 課程設(shè)計從 2012 年 6 月 25 日起到 2012 年 6 月29日1、課程設(shè)計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：l 電路具有自動給水功能：當水塔水位低于低水位時，發(fā)出給水塔加水控制信號，自動啟動水泵抽水。l 電路具有自動停止給水控

2、制功能，即直至水塔水位至高水位時，停止給水塔加水控制信號，自動關(guān)閉水泵。 l 具有指示燈led1、led2指示當前水塔水位數(shù)字控制電路運行狀態(tài)。 2、對課程設(shè)計成果的要求包括圖表、實物等硬件要求： 撰寫課程設(shè)計報告，需包含以下內(nèi)容： 1) 設(shè)計題目；設(shè)計內(nèi)容及工作原理詳細說明; 心得體會；參考文獻等。 2) 進行詳細的方案選擇、電路原理。 3) 繪制相應(yīng)原理示意圖及完整電路原理設(shè)計圖。 4) 列出元件清單。 3、課程設(shè)計工作進度計劃：時間設(shè)計任務(wù)及要求6月13日需求分析、方案選擇與確定6月14日電路詳細設(shè)計6月15日電路詳細設(shè)計，元件參數(shù)確定6月16日撰寫課程設(shè)計報告6月17日總結(jié)及成績評定

3、指導(dǎo)教師： 日期： 教研室主任： 日期： 陜西科技大學 課程設(shè)計成績考核表課程設(shè)計名稱：水塔自動供水裝置數(shù)字控制電路設(shè)計專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化班級：機電101 學號： 20010312101 姓名 任艷濤 下表由指導(dǎo)教師按實際情況進行填寫：考核內(nèi)容所占比例得分設(shè)計方案15說明書15圖紙、程序、計算、作品等的完成質(zhì)量30創(chuàng)新與發(fā)揮情況10答辯（口試）情況20出勤率10指導(dǎo)教師評語總評成績評定等級成績與等級對應(yīng)表優(yōu)90100良8089中等7079及格6069不及格59分以下指導(dǎo)教師簽字： 教研室主任簽字： 200 年 月 日 目錄一設(shè)計目的- 6 -二課程設(shè)計題目描述和要求- 6 -三課程設(shè)

4、計報告內(nèi)容- 6 -四結(jié)論- 15 -五結(jié)束語- 15 -六參 考 文 獻- 16 -引言日常生活和工業(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，浮子開關(guān)式，電節(jié)點式，壓力式，電子式，微機式等。這些裝置或多或少的存在著一些缺點：浮子開關(guān)式采用機械結(jié)構(gòu)，維護起來不方便；微機式控制裝置，雖然操作方便，但造價較貴本位從實用型和經(jīng)濟型出發(fā)，設(shè)計了一種水位控制裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單維護方便，工作可靠性能價格比優(yōu)良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺點。簡單易行，有很多場合下均可采用。一 設(shè)計目的 通過這次設(shè)計熟練對電子設(shè)計的動手技能，提高電子設(shè)計的能力，

5、同時也培養(yǎng)學生收集、整理、分析和刷選利用資料及各類信息的能力，也使得學生通過這次的設(shè)計對所學的數(shù)電和模電知識及各種電路、電路元件的功能更好的理解和運用。二、課程設(shè)計題目描述和要求 1電路具有自動給水功能：當水塔水位低于低水位時，發(fā)出給水塔加水控制信號，自動啟動水泵抽水。2電路具有自動停止給水控制功能，即直至水塔水位至高水位時，停止給水塔加水控制信號，自動關(guān)閉水泵。 3具有指示燈led1、led2指示當前水塔水位數(shù)字控制電路運行狀態(tài)。 三、課程設(shè)計報告內(nèi)容 1、設(shè)計思路每部分電路都有其相應(yīng)功能：首先有信號產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個電路的輸入信號，該信號經(jīng)過信號處理部分處理之后，輸出其他電路的控制信號，控制

6、其他電路工作，電機控制電路部分接收到有信號處理電路輸出的有效控制信號后正常工作驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動抽水，使水位上升，而水位的變化有直接關(guān)系到信號的產(chǎn)生，因此有個循環(huán)的過程，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后驅(qū)動顯示器工作，使其顯示該時刻的水位；水位超限時輸出為報警電路的有效控制信號使報警電路工作，驅(qū)動報警器報警。由“信號產(chǎn)生信號處理電機控制電機信號產(chǎn)生”這個循環(huán)就能使水塔具有自動控制水位的能力。2.現(xiàn)有設(shè)計方案的分析 （1）繼電器式自動上水控制裝置 繼電器式自動上水控制裝置工作原理是通過接入220v繼電器控制電路的3個探測電極來檢測水位高低，使繼電器閉合或開啟，控制水泵電動機的開停

7、，達到控制水位的目的，控制電路較簡單，但要注意以下幾點:1)在維修水塔中的水位探測電極時，須斷開主回路和控制回路電源開關(guān)，以防止n線回路由于零電位漂移而帶電，或從控制回路線圈回路串過來使n線帶電，造成維修人員的觸電危險。2)在水塔的低水位探測電極c的引線端，必須進行n線的重復(fù)接地。接地電阻要求小于4，使c點水位探測電極保持良好的零電位，以利于繼電器的可靠吸合，使自控電路運行穩(wěn)定。3)在水泵向水塔供水時，由于水流的沖擊，使水塔內(nèi)的水位波動起伏，容易導(dǎo)致繼電器吸合、斷開的頻繁跳動，影響自控電路的正常穩(wěn)定運行。為了解決這個問題，我們可以在水塔中放置一木排浮漂，使水塔的水位上升平衡穩(wěn)定。（2）晶體管式

8、自動上水控制裝置晶體管式自動上水控制裝置工作原理是水位高低控制串接探測電極的2支晶體三極管的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而控制繼電器回路，達到自動(可手動)啟停水泵電動機的目的，以控制水位。設(shè)計與使用中應(yīng)注意以下問題:1)自制電子式自控裝置所選用的電子電器元件必須是正規(guī)產(chǎn)品，并應(yīng)對元器件的主要技術(shù)參數(shù)逐項檢測。對裝配好的整機要進行電老化及熱老化的試驗，并在電氣試驗室作額定工作狀態(tài)的頻繁動作100次以上的傳動試驗，以及絕緣耐壓試驗等。2)由于三極管輸出信號較小，需通過中間繼電器來控制主回路接觸器，以延長器件壽命，增加可靠性。3)水位探測電極，至少要用6mm2的銅芯塑料線，如用30mm3mm或40mm4mm銅排

9、則更好。其端部要用電烙鐵加熱搪錫，以防止探測電極氧化銹蝕，降低電極的導(dǎo)電性能。4)定期對整個控制電路檢修維護和探測電極的清掃除垢。5）選用方案555定時器組成的水位自動控制器3、總體設(shè)計框圖 有任務(wù)分析可知該設(shè)計電路有三個功能：水位控制、水位顯示。而要有這些功能就必須要有使其工作的控制信號，所以首先即必須要有輸入信號，因為任務(wù)要求是自動控制，所以輸入信號也必須由電路自己產(chǎn)生而不能人為加入，因此可以將整個電路設(shè)計為以下部分：信號產(chǎn)生、信號處理、電機控制和水位顯示電路。整體電路框架如下圖1所示。顯示器水位顯示信號產(chǎn)生信號處理電機電機控制 圖1總體設(shè)計框圖4、各部分電路設(shè)計4.1、信號產(chǎn)生部分 該電

10、路的目的是產(chǎn)生有效的輸入信號，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水來傳遞微弱的電信號，鑒于此原理，初步將該電路設(shè)計成由水面上升與下降來控制電信號的接通與斷開；當水位上升時接通電信號；當水位下降時斷開電信號。按此分析，只要在水塔里放上用來傳遞電信號的探頭，則水位上升到探頭位置時接通電信號；水位低于探頭位置時斷開電信號。把電信號接通時設(shè)為有效信號即當做輸入信號，而斷開時設(shè)為無效信號，因此可以由電信號的接通與斷開之間的變化產(chǎn)生信號當做控制信號。在水塔的不同位置放置幾個探頭時就可以根據(jù)水位的高低接通某些探頭和斷開某些探頭。因此只要知道每個探頭具體位置，再根據(jù)其輸出電信號的情

11、況就能大致確定水位的位置，將探頭輸出的電信號當做輸入信號經(jīng)過處理后成為電路的控制信號。根據(jù)設(shè)計的要求，設(shè)水塔分水滿、不足、兩者之間三部分，因此可用探頭個數(shù)設(shè)計為三個點的水位，原理圖如下：a-c為三個檢測探頭，其中a探頭表示水箱底部水不足的臨界點，b表示在水滿和水不足之間，c探頭表示水滿的觸點。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，有利于電信號的傳遞。 圖2 探頭原理圖4.2、信號處理部分 該部分主要是對輸入信號進行處理輸出其他電路的控制信號，由于水的導(dǎo)電性十分微弱，由公共端通過探頭的電信號會很小，不一定能夠成為滿足電路工作的控制信號

12、，因此可以接一個反相器對輸入信號進行處理。 圖3所示即為用反相器對信號處理的原理圖。4.3、水位顯示部分 由以上電路的設(shè)計，可選用74ls147的優(yōu)先編碼器，所謂“優(yōu)先”編碼即多個輸入端同時滿足編碼條件時，只對最高位編碼。先用優(yōu)先編碼器把所輸入信號進行編碼，編碼后由于輸出低電平信號有效所以用反相器進行校正，校正后驅(qū)動顯示器進行工作。用開關(guān)的通斷來分別表示水滿、不足、中等這幾個信號，水滿時顯示器可顯示3，水不足時顯示1。根據(jù)要求該電路設(shè)計以編碼器為核心的編碼電路，具有設(shè)計的電路如下圖示：圖4信號編碼電路a、 b、c為信號輸入端，d、c、b、a為編碼器信號輸出端。元件選擇：編碼器74ls147，反

13、相器7407，顯示器。4.4、電機控制電路 該部分為整個設(shè)計電路的重點部分，也是難點部分。主要目的就是要控制電機的工作，通過控制電機的工作來控制水位，這也就是本實驗的主要設(shè)計目的?，F(xiàn)用燈泡的亮滅代替電機的運轉(zhuǎn)。由于任務(wù)要求：當水位低時要自動進水，滿時要及時斷電停水。也就是說只有a開關(guān)閉合時電機運轉(zhuǎn)，現(xiàn)在用燈泡來表示即為燈滅;當3個開關(guān)都閉合是即顯示3燈亮。圖5 電機控制電路由于當dcba為0011是燈亮，dcba為0001是燈滅，故上圖開關(guān)a閉合表示b=1，a打開表示b=0. 其原理為：a1和a2是兩個555時基集成電路，其中，a1及r1、r2、c2組成自激多諧振蕩器，a1的3腳每50s輸出一

14、個寬度僅為0.1s的低電平脈沖。a2與r4、c3組成延遲約為70s的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 當水池中水位最低時即顯示器顯示1時，上面開關(guān)斷開，此時a2的2腳為低電平，3腳為高電平，燈不亮。當水位上升最高點時，開關(guān)閉合，a2的2腳仍為高電平，a2的3腳變?yōu)榈碗娖?，燈亮。?yōu)先編碼器的輸出信號與燈的狀態(tài)之間的關(guān)系：dcba燈0001滅0010保持0011亮4.5、元器件的選用及其參數(shù)在這里選擇的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是由555定時器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。先對555定時器做個簡單的介紹。圖6 555定時器原理圖下表是555定時器的功能表，充分說明了它的特性。如表（2）表（2）555功能表555定時器是一種應(yīng)用極為

15、廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。在這里用到的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其工作特性是沒有觸發(fā)信號時，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)一直保持低電平不變，有觸發(fā)信號時，先會進入暫穩(wěn)態(tài)再回到穩(wěn)定狀態(tài)。555時基電路(ic)接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形式，繼電器接在ic輸出端3腳與地之間，2腳為觸發(fā)信號輸入端。平時3腳輸出信號v=0，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為穩(wěn)態(tài)。當有一負觸發(fā)脈沖vi作用于2腳時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出信號vo=vcc。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器驅(qū)動電路的特點是每觸發(fā)一次555時基電路便驅(qū)動負載工作一個固定的時間，該

16、工作時間等于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬丁(t=1.1rc)。在這里主要發(fā)揮了它的三大特點:其一，觸發(fā)電流僅為0.5a，特別適用于電極式水位觸發(fā)導(dǎo)通電流越小越好的關(guān)鍵技術(shù)特性；其二，輸出負載電流大，最大可達200ma，可直接驅(qū)動繼電器；其三，可利用單穩(wěn)態(tài)電路的延時特性避免由于水流沖擊導(dǎo)致水塔內(nèi)水面波動起伏而影響輸出繼電器頻繁跳動的不良現(xiàn)象，以使自控電路工作更加穩(wěn)定可靠。圖7 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路圖5、整體電路圖圖8 電氣原理圖四、結(jié)論4.1設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法在本次課程設(shè)計中，我的一個最大失誤就是電路設(shè)計這方面，一方面是網(wǎng)上可供查閱的資料很少，我得自己探索著做，另一方面就是對基礎(chǔ)知識掌握的

17、不牢，很多基本的東西都不記得了，導(dǎo)致出現(xiàn)重大的設(shè)計失誤，所幸我對這個設(shè)計還算比較熟悉，最后能夠及時彌補設(shè)計失誤帶來的時間和人力物力上的浪費。所以說以后需要認真學習，踏實實踐，及時復(fù)習，才能將一門課學好。4.2設(shè)計體會 通過一周的課程設(shè)計，使我對數(shù)字邏輯電路這門課又有了新的認識和收獲。這讓我深深地體會到了實踐與理論相結(jié)合的重要性，過去學了數(shù)字邏輯電路的知識之后就放在一邊了，等到用的時候才發(fā)現(xiàn)自己學的很淺，使用仿真軟件一段時間以后，對以前所學的知識進行了復(fù)習和鞏固，這對以后的學習是大有裨益的。4.3問題所在本次設(shè)計基本上完成了設(shè)計任務(wù)，但是，如果投入到實際的應(yīng)用中可能會出現(xiàn)大大小小的問題，希望在以

18、后的設(shè)計中不斷地想出新的設(shè)計思路，不斷的模擬仿真。當然，還要不斷的和老師交流，探討五結(jié)束語1.學習是沒有止境的。在做這個課程設(shè)計之前，我一直以為自己的數(shù)電水平還可以。但是在完成這個設(shè)計的時候，我總是被一些小的，細的問題擋住前進的步伐，讓我總是為了解決一個小問題而花費很長的時間。最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道。其實設(shè)計的時候，基礎(chǔ)是一個不可缺少的知識，但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。 2.多和老師討論。在做課程設(shè)計的工程中要不停的討論問題，這樣，我可以盡可能的糾正自己思想，這樣就不會使自己在做的過程中沒有方向，并且這樣也是為了把自己錯誤想法及時打消。討論不僅是一些思想的問題，他還可以深入的討論一些技術(shù)上的問題，這樣可以使自己的人處理問題要快一些。3.多改變自己設(shè)計的方法。在設(shè)計的過程中最好要不停的改善自己解決問題的方法，這樣可以方便自己解決問題。4.在設(shè)計過程中得到老師和同學的幫助，再次表示感謝。 六參考文獻 1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）m. 華中科技大學電子技術(shù)課程組編.高等教育出版社 2006年1月第5版. 2008年12月第6次印刷. page 203-2302 卿太全，李簫，郭明瓊.