水位控制器設(shè)計(jì)

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告水位控制器的設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 號(hào)：專(zhuān)業(yè)年級(jí)：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：目 錄第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求第二章 設(shè)計(jì)方案第三章 設(shè)計(jì)原理與電路第四章 電路的組裝與調(diào)試第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)附 錄參 考 文 獻(xiàn)說(shuō)明：1.各個(gè)章節(jié)的名稱(chēng)可隨設(shè)計(jì)內(nèi)容適當(dāng)變化。 2.第三章“設(shè)計(jì)原理與電路”中應(yīng)包括選用的芯片引腳圖和功能介紹（真值表等）、分立電路的設(shè)計(jì)、元件參數(shù)的選取和計(jì)算。 3.第四章“電路的組裝與調(diào)試”應(yīng)包括采用的仿真軟件、分立電路的仿真（仿真圖、操作的步驟、方法和結(jié)果）、總電路的仿真調(diào)試等內(nèi)容。 4.第五章“設(shè)計(jì)總結(jié)”里包括本次設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)、不足、感想等內(nèi)容。 5.附錄里包括元件清單、Prot

2、el原理圖和PCB圖。 6.報(bào)告中附圖的大小要適中，不宜過(guò)大或過(guò)??；附圖和圖表編號(hào)按章排列，比如圖1-1、圖1-2、表1-1等；每幅圖、表都要有標(biāo)題。 7.參考文獻(xiàn)格式參照數(shù)電課本后參考文獻(xiàn)格式。 8.正文的字體采用宋體、小四、行距為固定值20磅，標(biāo)題加粗；每章不用分頁(yè)；報(bào)告不得少于15頁(yè)。一、任務(wù)與要求：該設(shè)計(jì)針對(duì)于一個(gè)發(fā)生滲漏的位置，當(dāng)水位高于設(shè)定高水位時(shí)將打開(kāi)抽水機(jī)開(kāi)關(guān)排水，使水位始終控制在設(shè)定的高低水位之間。水位傳感器送出的控制信號(hào)與原來(lái)設(shè)定的參考信號(hào)相比較, 按比較的結(jié)果來(lái)決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和LED數(shù)字顯示。測(cè)量水位信號(hào)為模擬量。附加一個(gè)電源電路。基本要求：1.

3、畫(huà)出水位控制器的結(jié)構(gòu)框圖。2.畫(huà)出系統(tǒng)原理電路圖。3.進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。4.按要求完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，交激光打印報(bào)告和電子文檔。2、 設(shè)計(jì)方案 每部分電力都有其相應(yīng)的功能：首先由信號(hào)產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個(gè)電路的輸入信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理部分處理后輸出其他電力的控制信號(hào)，控制其他電力工作：電機(jī)控制電力部分接受到由信號(hào)處理電力輸出的有效控制信號(hào)后正常工作驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，使水位下降，而水位的變化又直接關(guān)系到信號(hào)的產(chǎn)生，因此有一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，即使水位保持在一定范圍 水位顯示電路接受到有效信號(hào)后驅(qū)動(dòng)顯示器工作使其顯示該時(shí)刻的水位；水位超限時(shí)報(bào)警由“信號(hào)產(chǎn)生 信號(hào) 處理 電機(jī)控制 電機(jī) ”這個(gè)循環(huán)就能使水塔具有自

4、動(dòng)控制水位的能力。三、設(shè)計(jì)原理 本系統(tǒng)由220V電壓經(jīng)變壓器降壓限流，輸出約12V直流電供繼電器（繼電器型號(hào)為：小型大功率繼電器K：JQX-20F-C）和控制電路使用。本控制電路包括由設(shè)于水塔中的兩個(gè)水位探測(cè)裝置，控制單元，及水泵等組成。水位探測(cè)裝置向輸入觸發(fā)信號(hào)，控制單元通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制水泵工作狀態(tài)。該系統(tǒng)采用分立元件電路實(shí)現(xiàn)了水塔水位的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)出一種低成本、高實(shí)用價(jià)值的水塔水位控制器。系統(tǒng)具有水源檢測(cè)等功能。采用獨(dú)立的電路實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)處理，自動(dòng)控制電機(jī)電路。它能自動(dòng)完成上水、停水的全部工作循環(huán)過(guò)程，保證水面高度始終處于較理想的范圍內(nèi)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，靈敏度高，節(jié)約能源顯著，是

5、適用于各種場(chǎng)合的理想設(shè)備。為了精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，必須建立自動(dòng)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、出水的水位可以自動(dòng)控制水泵的運(yùn)行與停止，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。控制系統(tǒng)主要分為水位的模擬檢測(cè)和執(zhí)行兩部分組成。 本設(shè)計(jì)采用金屬探針作為水位檢測(cè)傳感器，將水位信息輸出到555定時(shí)器與邏輯門(mén)電路組合的電路中，通過(guò)組合電路判斷出當(dāng)前水位的情況，由兩個(gè)與非門(mén)驅(qū)動(dòng)繼電器，使給、排水電機(jī)工作，達(dá)到自動(dòng)控制水位的效果。水位探針用細(xì)金屬制作，垂直安放在盛水容器內(nèi)。水位探針可以同供水器安裝成一體，從盒體下部伸出，也可單獨(dú)安裝，其間用導(dǎo)線與供水器相連。當(dāng)探針 A、B都為高電位時(shí)，信號(hào)進(jìn)入555定時(shí)器后，輸出轉(zhuǎn)化為低電位

6、，通過(guò)非門(mén)U1A轉(zhuǎn)化為高電位，此時(shí)繼電器K1打開(kāi)，使給水電機(jī)工作。同時(shí)信號(hào)也經(jīng)過(guò)U2B與A端輸入信號(hào)的非信號(hào)進(jìn)行與,轉(zhuǎn)化為低電位，繼電器K2仍然關(guān)閉，排水電機(jī)不工作。實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水。當(dāng)探針A、B都為低電位時(shí)，信號(hào)進(jìn)入555定時(shí)器后，輸出轉(zhuǎn)化為高電位,經(jīng)過(guò)U2A非門(mén)轉(zhuǎn)化為低電位，此時(shí)繼電器K1關(guān)閉，給水電機(jī)不工作。同時(shí)信號(hào)也經(jīng)過(guò)U1B與A端輸入信號(hào)的非信號(hào)進(jìn)行與,轉(zhuǎn)化為高電位，繼電器K2打開(kāi)，使排水電機(jī)工作。實(shí)現(xiàn)放水。由下面的邏輯真值表易知，當(dāng)探針A、B其他狀態(tài)電機(jī)均不工作。ABM1M2111010000001表1 邏輯真值表(邏輯真值表中M1代表給水電機(jī)，M2代表排水電機(jī))水位控制器主要用于工廠及家

7、庭的自備水泵、水井及貯水池的水位自動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)了智能化控制，免去了人工看管的麻煩。自動(dòng)化控制對(duì)水位的控制精確、 及時(shí) 、節(jié)省人力資源，優(yōu)于人工控制。 2.1 Ne555555 定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(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(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。目前生產(chǎn)的定時(shí)器有雙極型和CMOS 兩種類(lèi)型，其型號(hào)分別有NE555(或5G555)和C7555 等多種。它們的結(jié)構(gòu)及工作原理基本相同。通常，雙極型定時(shí)器具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，而CMOS 定時(shí)器具有低功耗、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。555定時(shí)器工作的電源電壓很寬，并可承

8、受較大的負(fù)載電流。雙極型定時(shí)器電源電壓范圍為516V，最大負(fù)載電流可達(dá)200mA；CMOS 定時(shí)器電源電壓范圍為318V，最大負(fù)載電流在4mA 以下。Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 (觸發(fā)點(diǎn)) -這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期。觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大于 2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出) -當(dāng)時(shí)間周期開(kāi)始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時(shí)的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置) -一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置

9、定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -這個(gè)接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營(yíng)在穩(wěn)定或振蕩的運(yùn)作方式下,這輸入能用來(lái)改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。 Pin 7 (放電) -這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時(shí)為L(zhǎng)OW，對(duì)地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對(duì)地為高阻抗。 Pin 8 (V +) -這是555個(gè)計(jì)時(shí)器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至

10、+16伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： 供應(yīng)電壓4.5-18V 供應(yīng)電3-6 mA 輸出電225mA (max) 上升/下時(shí)間100 ns 2.2傳感器水位傳感器由三根探針組成，其中C探針為電源地，如果水位低于三根探針，則有內(nèi)部電源將A、B拉至高電位。水位探針A B C可直接用膠皮鋁線做成，插到水池里，ABC要求靠得很近但不能直接接觸.A是最高水位探測(cè)線，B是最低水位探測(cè)線。由于水電阻較大，可采用信號(hào)放大設(shè)計(jì)，如圖示2.3、邏輯門(mén)電路邏輯門(mén)電路的主要作用是判斷探針傳來(lái)的液位信息，分析可知，當(dāng)A、B都為高電位時(shí)應(yīng)使給水電機(jī)工作，A、B都為低電位時(shí)應(yīng)使排水電機(jī)工作，其他狀態(tài)均不工作。 74LS04

11、是6非門(mén)(反相器)他的工作電壓5V，他的內(nèi)部含有6個(gè)coms反相器，74LS04的作用就是反相把1變成0，平時(shí)在使用中請(qǐng)注意不要芯片的管腳順序搞錯(cuò)了，下面是芯片的管腳圖 74LS08為四組2輸入端與門(mén) 管腳圖如下 真值表如圖示2.4繼電器繼電器是一種電子控制器件，是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)元件，可以將電動(dòng)機(jī)的干擾有效的隔離。它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。本設(shè)計(jì)繼電器采用固態(tài)繼電器，以降低功耗。固態(tài)繼電器是一種沒(méi)有機(jī)械，不含運(yùn)動(dòng)零部件的繼電器，但具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定、使

12、用壽命長(zhǎng)、體積小，能以微小的控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)。2.5、電機(jī)電機(jī)采用24V供電直流電機(jī)。負(fù)責(zé)給水、排水。2.6 濾波電容的選擇如果考慮到控制電路部分耗電較小，一般來(lái)說(shuō)只有幾10mA，則可采用無(wú)電源變壓器穩(wěn)壓電路。它主要是利用電容器的容抗來(lái)把220V交流電壓降低到30V左右，然后再進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓。這種電路對(duì)降壓電容的質(zhì)量要求較高，常采用耐壓630V、容量1微法左右的滌綸電容。降壓電容的計(jì)算公式為 (單位：微法) （1）式中： I 負(fù)載電流(單位：mA) ， f 電源頻率(50Hz)Vi 78XX輸入電壓(單位：V)如果令，則(1)式可簡(jiǎn)化為CI=lOOOI314*(220-V

13、i)例如若I=60mA，Vi=30V，則Cl=1000*60314*(220-30)=1微法對(duì)于這種設(shè)計(jì)方案，還要考慮電源電壓突然升高或輕載時(shí)I降低到10mA左右的情況，這時(shí)vi可能超過(guò)三端集成穩(wěn)壓器的最高輸入電壓值，這就會(huì)導(dǎo)致78XX擊穿損壞。為了避免這種情形發(fā)生，一般還應(yīng)當(dāng)在滌綸電容降壓、二極管半波整流、電解電容濾波電路的后面加一級(jí)二極管穩(wěn)壓電路。這樣做還可以防止Vi波動(dòng)過(guò)大，以確保電源電路的穩(wěn)壓性能。對(duì)穩(wěn)壓管的選擇方法為：1令Vi=Vz，其中Vz是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值；2夸Pz> Vz*(Imax-Imin)，其中：Pz為穩(wěn)壓管的最大耗散功率(單位w ) Imax為電源的最大輸出電源(單

14、位A)Imin為電源的最小輸出電流。(單位A)例如若Vi=30V，Imax=006A，Imin=0O1A，則Vz* (Imax-Imin)= 30*(006-001)=1.5WPz>15W ，這時(shí)便可選用30V、2W 的硅穩(wěn)壓二極管。對(duì)電源濾波電容的選擇可用公式C2=5ImaxTvi (單位F) (3)式中Imax 78XX的最大負(fù)載電流(A) ，T 電源交流電壓的周期(單位s)Vi 78Xx的輸入電壓(單位V)例如Imax=006A，T=002S，Vi=30V，則C2=5*006*00230=00002F=2OO微法這時(shí)便可選用2OO微法50V 的電解電容。這個(gè)方案的特色是省掉了笨重的

15、電源變壓器，因而水位控制器的體積可做得較小。降壓滌綸電容工作時(shí)基本上是不耗電的，因此不會(huì)發(fā)熱，這對(duì)于長(zhǎng)期、連續(xù)的工作方式是非常有利的。不過(guò)有一點(diǎn)必須注意，由于沒(méi)有變壓器隔離，底版可能帶電。為了避免發(fā)生這種情況，附圖中，接點(diǎn)2在內(nèi)部必須接電路板的公共地線，在外部則要接在單相交流電源的“0”線或排水金屬管道上，也可以直接接地。2.設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)電源探針探測(cè)液位高度邏輯門(mén)電路與555定時(shí)器的組合電路給排水繼電器給排水電機(jī)給排水發(fā)光二極管顯示電機(jī)電源開(kāi)關(guān) 圖1二、設(shè)計(jì)步驟和調(diào)試過(guò)程1、（1）控制電路：水位控制器原理圖（2） 電源電路：電源電路由電源開(kāi)關(guān)、LED指示燈、電源變壓器、整流橋堆、濾波電容和固定

16、三端集成穩(wěn)壓器組成 由于是長(zhǎng)期、連續(xù)工作，變壓器的質(zhì)量一定要好，其容量應(yīng)加大一些。三端集成穩(wěn)壓器可采用78XX系列，其電壓調(diào)整率較高，當(dāng)輸入電壓變動(dòng)20%時(shí)，輸出電壓保持穩(wěn)定，因此電源電壓允許波動(dòng)15%的指標(biāo)是完全可以達(dá)到的。這是一種常規(guī)的設(shè)計(jì)方案。3、仿真及仿真結(jié)果分析（電源電路用Vcc代替）電路仿真圖4、實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果當(dāng)探針 A、B都為高電位時(shí)，信號(hào)進(jìn)入555定時(shí)器與邏輯門(mén)電路組合的電路中，輸出轉(zhuǎn)化為高電位，此時(shí)繼電器K1打開(kāi)，LED2顯示紅燈亮，使給水電機(jī)工作。同時(shí)信號(hào)也經(jīng)過(guò)U2B與A端輸入信號(hào)的非信號(hào)進(jìn)行與,轉(zhuǎn)化為低電位，繼電器K2仍然關(guān)閉，排水電機(jī)不工作。實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水。當(dāng)探針A、B都為低電

17、位時(shí)，信號(hào)進(jìn)入555定時(shí)器與邏輯門(mén)電路組合的電路中，輸出轉(zhuǎn)化為低電位，此時(shí)繼電器K1關(guān)閉，給水電機(jī)不工作。同時(shí)信號(hào)也經(jīng)過(guò)U2B與A端輸入信號(hào)的非信號(hào)進(jìn)行與,轉(zhuǎn)化為高電位，繼電器K2打開(kāi)，LED1顯示綠燈亮，使排水電機(jī)工作。實(shí)現(xiàn)放水。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制。三、結(jié)論及心得體會(huì)本設(shè)計(jì)通過(guò)電子探頭對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，再由液位檢測(cè)專(zhuān)用芯片對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理,當(dāng)被測(cè)液體到達(dá)動(dòng)作點(diǎn)時(shí)，芯片輸出高或低電平信號(hào)，再配合水位控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制。此設(shè)計(jì)尚不成熟，采用了比較簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)方法，但基本上滿(mǎn)足要求。由于我的能力所限這個(gè)設(shè)計(jì)不是很完善，還有許多的地方需要加以改善。在這段日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是

18、可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次數(shù)電課程設(shè)計(jì),雖然短暫但是讓我得到多方面的提高：1、提高了我們的邏輯思維能力，使我們?cè)谶壿嬰娐返姆治雠c設(shè)計(jì)上有了很大的進(jìn)步，進(jìn)一步增進(jìn)了對(duì)一些常見(jiàn)邏輯器件的了解。另外，我們還更加充分的認(rèn)識(shí)到，數(shù)字電路這門(mén)課程在科學(xué)發(fā)展中的至關(guān)重要性2，查閱參考書(shū)的獨(dú)立思考的能力以及培養(yǎng)非常重要，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，遇到很多不理解的東西，有的我們通過(guò)查閱參考書(shū)弄明白，有的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查到，但由于時(shí)間和資料有限我們更多的還是獨(dú)立思考。3，相互討論共同研究也是很重要的，經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如電路設(shè)計(jì)中的繼電器的設(shè)計(jì)，開(kāi)始并不理解繼電器的原理，但是和其他的專(zhuān)業(yè)同學(xué)討論后，理解了繼電器的基本原理后，很快的設(shè)計(jì)了電路原理圖。在與同學(xué)們的討論和老師的指導(dǎo)下，我終于完成了本次的課程設(shè)計(jì)。通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)