簡易水塔水位控制電路

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1系統(tǒng)組成圖

水位檢測電路水位范圍測量電路電源電路水泵開關(guān)電路顯示電路

圖為簡易水塔水位控制電路系統(tǒng)組成圖，由電源電路，水位檢測器，水位范圍測量電路，水泵開關(guān)電路和顯示電路組成。各部分電路的組成及其用途如下：

電源電路：為上述所有電路提供直流電源

水位檢測電路：利用水的導(dǎo)電性檢測水位變化，同時形成回路，形成電信號實(shí)現(xiàn)對水位的控制。

水位范圍檢測電路：利用比較器原理實(shí)現(xiàn)水位范圍的確定，同時利用遲滯比較器的遲滯性來避免跳閘現(xiàn)象

水泵開關(guān)電路：完成控制電路和水泵通放水的轉(zhuǎn)換顯示電路：利用發(fā)光二極管將水泵狀態(tài)顯示出來

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2原理電路圖

采用傳感器對水塔水位進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)水塔水位的變化將其信號傳遞給遲滯比較器，經(jīng)過遲滯比較器的運(yùn)算、比較、放大，來控制水泵是否工作。并通過發(fā)光二極管來顯示水泵的工作狀態(tài)，易于判斷和檢修。遲滯比較器的運(yùn)用避免了由于水波的波動而造成的水泵的反復(fù)的放水與閉合，實(shí)現(xiàn)了水塔水位的自動控制。

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3主要單元電路設(shè)計(jì)

3.1電源電路

圖1

如圖1為電源電路直接可以從電網(wǎng)供電，通過變壓器電路，整流電路，濾波電路，和穩(wěn)壓電路直接將電網(wǎng)中的220V交流電轉(zhuǎn)換成+12V的支流電壓。其各部分功能如下：

3.1.1變壓器：

采用常規(guī)的鐵心變壓器，將高壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪?。整流電路?/p>

采用二極管橋式電路，任務(wù)是將交流電換成直流電，這主要靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，T為電源變壓器，作用是將交流電網(wǎng)電壓變成整流電路要求的電壓價。其優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓底。

3.1.2濾波電路：

由C1，C2，C3，C4構(gòu)成，用于濾去整流輸出電壓中的紋波，本電路采用電容輸入式，電容具有平波作用。使紋波較小，適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動不大的電路。

3.1.3穩(wěn)壓電路：

采用三端穩(wěn)壓集成電路，有輸入，輸出和接地端，內(nèi)部由啟動電路，基準(zhǔn)電壓電路，取樣比較放大電路，調(diào)整電路和保護(hù)電路組成。電路中接入電容用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償防

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止穩(wěn)壓器自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，另一方面以減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸出電源引入的低干擾。

3.2水位檢測電路和水位范圍測量電路

3.2.1水位測量電路：

由上限極S2，下限極S1地極構(gòu)成，當(dāng)SS2時，則地極，S2，T與電源構(gòu)成通路，此時T點(diǎn)電位最低為0。其中R9的作用是通過改變阻值的大小可以調(diào)理V的范圍，即可以調(diào)理水位控制范圍；通過改變R0的阻值判斷T點(diǎn)電位的高低達(dá)到檢測水位的目的。

一、水位范圍測量電路：

(一)(二)

參考電壓產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生兩個穩(wěn)定的電壓，這兩個電壓代表水位范圍的上限值S2和下限值S1。電路采用電阻和穩(wěn)壓管結(jié)合的方式是由于參考電源殘生電路的輸出端接入穩(wěn)壓管的輸入端，以防止輸出電流導(dǎo)致電源不穩(wěn)定，其中穩(wěn)

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水位范圍測量電路由兩部分組成,第一部分是由電阻R1，R2和穩(wěn)壓管D1，D2

構(gòu)成的參考電壓的電路；其次部分是遲滯比較器構(gòu)成的水位范圍測量電路。

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壓管的穩(wěn)壓電壓為8V，而輸出VREF1=+8V，VREF2=+4V。(三)

水位范圍測量電路的功能有兩個：

第一：是確定實(shí)際水位和水位控制范圍的大小關(guān)系：VREF1和VREF2分別輸入到兩個運(yùn)算放大器的同相輸入端，VY則輸入到反相輸入端，它為Y點(diǎn)的電位（VP代表運(yùn)算放大器同相輸入端的電位）?當(dāng)VT簡易水塔水位控制電路

圖3

（一）如圖虛線左側(cè)電路所示，水泵開關(guān)電路是由三極管電路和繼電器電路構(gòu)成，電路的輸入如圖。

?當(dāng)SS2時,V1、V2輸出都為高電平，T1，T2都導(dǎo)通，兩水泵中止放水。繼電器電路：

繼電器是自動控制電器執(zhí)行和控制的元件，它是將小電流，小功率的轉(zhuǎn)化為大電流，大功率的開關(guān)元件。由于水泵發(fā)電機(jī)中要通過大電流，產(chǎn)生大功率致使支流電源無法提供，因此需用交流供電，故電路中開關(guān)必需采用繼電器電路三極管電路：

它構(gòu)成的電流放大電路是一種比較典型的和簡單的電路。R10，R11為限流電阻，防止輸入電流過大燒毀三極管，三極管為共集電極電路。

當(dāng)輸入電壓為高電平日，三極管導(dǎo)通飽和，可以將輸入電流放大；當(dāng)輸入電壓為低電平日，三極管截止，無電流通過。

繼電器連接三極管發(fā)射極，當(dāng)有電流驅(qū)動時，開關(guān)吸合，對應(yīng)水泵開始放水；當(dāng)無電流驅(qū)動時，開關(guān)斷開對應(yīng)水泵中止放水，同時在繼電器兩端并聯(lián)二極管進(jìn)行保護(hù)

（二）顯示電路：如虛線右方電路所示，通過發(fā)光二極管亮滅來顯示是否電路通路，水泵是否工作。由于繼電器的驅(qū)動電流過大，需要參與限流電阻

3.4集成電路管腳圖

三端集成穩(wěn)壓器外形和典型應(yīng)用電路

①腳為電壓輸入瑞，②腳為公共接地端，③腳為電壓輸出端。集成穩(wěn)壓器正常工作時，在②腳應(yīng)輸出與其穩(wěn)壓值一致的電壓，供給負(fù)載使用。

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4主要元器件簡介

4.1二極管

二極管為一個由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的相互抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進(jìn)一步加強(qiáng)，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。p-n結(jié)的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。

圖4.1二極管實(shí)物圖

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4.2穩(wěn)壓管

圖4.2穩(wěn)壓管的特性曲線

穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，它是利用PN結(jié)的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的。穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子電路中獲得廣泛的應(yīng)用。我們把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向?qū)щ妶龊系亩O管。穩(wěn)壓二極管的特點(diǎn)就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原因造成電路中各點(diǎn)電壓變動時，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。如圖畫出了穩(wěn)壓管的伏安特性及其符號。

輸入電壓為整流濾波后的電壓，穩(wěn)壓管與負(fù)載并聯(lián)，穩(wěn)壓管反向工作，使流過穩(wěn)壓管的電流不超過最大極限，同時當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，通過R上的壓將調(diào)理，使輸出電壓基本不變。

4.3發(fā)光二極管

發(fā)光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器

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中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鉀二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。

它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。

發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。

圖4.3發(fā)光二極管的實(shí)物圖

4.4三極管

半導(dǎo)體三極管也稱為晶體三極管，可以說它是電子電路中最重要的器件。它最主要的功能是電流放大和開關(guān)作用。三極管顧名思義具有三個電極。二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)成的，而三極管由兩個PN結(jié)構(gòu)成，共用的一個電極成為三極管的基極(用字母b表示)。其他的兩個電極成為集電極(用字母c表示)和發(fā)射極(用字母e表示)。由于不同的組合方式，形成了一種是NPN型的三極管，另一種是PNP型的三極管。三極管的種類好多，并且不同型號各有不同的用途。三極管大都是塑料封裝或金屬封裝，常見三極管的外觀，有一個箭頭的電極是發(fā)射極，箭頭朝外的是NPN型三極

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管，而箭頭朝內(nèi)的是PNP型。實(shí)際上箭頭所指的方向是電流的方向。

圖4.4.1NPN型三極管符號

BJT的開關(guān)作用對應(yīng)于觸點(diǎn)開關(guān)的\斷開\和\閉合\。如圖1.1(a)所示為一個共發(fā)射極晶體三極管開關(guān)電路。

(a)電路(b)工作狀態(tài)圖解

圖4.4.2BJT的開關(guān)工作狀態(tài)

圖3.4.2(a)中BJT為NPN型硅管。電阻Rb為基極電阻，電阻Rc為集電極電阻，

晶體三極管T的基極b起控制的作用，通過它來控制開關(guān)開閉動作，集電極c及發(fā)射極e形成開關(guān)兩個端點(diǎn)，由b極來控制其開閉，c.e兩端的電壓即為開關(guān)電路的輸出電壓vO。當(dāng)輸入電壓vI為高電平日，晶體管導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合，所以集電極電壓vc≈0，即輸出低電平，而集電極電流iC≈VCC/RC。當(dāng)輸入電壓vI為低電平日，由圖可見，晶體管截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開，所以得集電極電流iC≈0，而集電極電壓vc≈VCC，即輸出為高電平。這就是晶體三極管的理想穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性。晶體三極管的實(shí)際開關(guān)特性決定于管子的工作狀態(tài)。晶體三極管輸出特性三個工作區(qū)，即截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū),如圖3.4.2(b)所示。

假使要使晶體三極管工作于開關(guān)的接通狀態(tài)，就應(yīng)當(dāng)使之工作于飽和區(qū)；要使晶體三極管工作于開關(guān)的斷開狀態(tài)，就應(yīng)當(dāng)使之工作于截止區(qū)，發(fā)射極電流iE=0，這時

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晶體三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。集電結(jié)加有反向電壓，集電極電流iC=ICBO，而基極電流iB=-ICBO。說明三極管截止時，iB并不是為0，而等于-ICBO。

基極開路時，外加電源電壓VCC使集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置晶體三極管基極電流iB=0時，晶體管并未進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，這時iE=iC=ICEO還是較大的。晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，晶體管基極與發(fā)射極之間加反向電壓，這時只存在集電極反向飽和電流ICBO，iB=-ICBO，iE=0，為臨界截止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)一步加大基極電壓的絕對值，當(dāng)大于VBO時，發(fā)射結(jié)處于反向偏置而截止，流過發(fā)射結(jié)的電流為反向飽和電流IEBO，這時晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)iB=-(ICBO+IEBO)，iC=ICBO。

發(fā)射結(jié)外加正向電壓不斷升高，集電極電流不斷增加。同時基極電流也增加，隨著基極電流iB的增加基極電位vB升高，而隨著集電極電流iC的增加，集電極電位vC卻下降。當(dāng)基極電流iB增大到一定值時，將出現(xiàn)vBE=vCE的狀況。這時集電結(jié)為零偏，晶體管出現(xiàn)臨界飽和。假使進(jìn)一步增大iB，iB增大，使得集電結(jié)由零偏變?yōu)檎蚱?，集電結(jié)位壘降低，集電區(qū)電子也將注入基區(qū)，從而使集電極電流iC隨基極電流

iB的增大而增大的速度減小。這時在基區(qū)存儲大量多余電子-空穴對，當(dāng)iB繼續(xù)增大時，iC基本維持不變，即iB失去對iC的控制作用，或者說這時晶體管的放大能力大大減弱了。這時稱晶體管工作于飽和狀態(tài)。一般地說，在飽和狀態(tài)時飽和壓降VBE(sat)近似等于0.7V，VCE(sat)近似等于0.3V。由圖3.4.2(a)可看出，集電極電流iC的增加受外電路的限制。由電路可得出iC的最大值為ICM=VCC/RC。晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，基極電流增大，集電極電流變化很小，iC=ICS=(VCC-VBE(sat))/RC晶體管臨界飽和時的基極電流IBS=ICS/β=(VCC-VBE(sat))/βRC。

4.5電磁繼電器

電磁繼電器的工作原理和特性電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下戰(zhàn)勝返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。這樣吸合、，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉〞觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱

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為“常開觸點(diǎn)〞；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)〞。

圖4.5電磁繼電器工作圖

4.6遲滯比較器

圖4.6遲滯比較器符號

遲滯比較器（OperationalAmplifier,簡稱OP、OPA、OPAMP）是一種直流耦合﹐差模（差動模式）輸入、尋常為單端輸出（Differential-in,single-endedoutput）的高增益（gain）電壓放大器，由于剛開始主要用于加法，乘法等運(yùn)算電路中，因而得名。一個理想的遲滯比較器必需具備以下特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的遲滯比較器如下圖。一個遲滯比較器模組一般包括正輸入端(OP_P)、一個負(fù)輸入端(OP_N)和一個輸出(OP_O)。

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5器件清單

符號R0,R9R1,R4,R5,R6,R8,R10,R11R3,R7,R12,R13D1,D2D3,D4D5,D6T1,T2J1,J2TC1C2,C4C3DU1,U2U3M1,M2

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類別可變電阻10千歐1千歐穩(wěn)壓管二極管IN148LED三極管9013繼電器JQX-4F-12VTRANS14700.147BRIDGE1LM324MC78L12CP水泵發(fā)電機(jī)數(shù)量1742222211211212簡易水塔水位控制電路

6設(shè)計(jì)心得總結(jié)

經(jīng)歷了這幾天的課程設(shè)計(jì)終究算是完成了。由于以前沒有做過類似的設(shè)計(jì)，開始感覺無從下手，有大量的地方不是很符合要求，等做過這次課程設(shè)計(jì)之后對以后的類似的課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)論文都有很大得幫助。在最初拿到題目的時候感到有些無所適從，不知道從哪下手。但是經(jīng)過查閱一些資料和看一些相關(guān)的例子，還有同學(xué)們的幫助使我的思路逐漸的明了起來，雖然在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了好多的困難，但是通過自己的努力解決了一部分，剩下的也通過和同學(xué)探討和請教老師一一解決了。雖然其中走了好多的彎路，但是我在這幾天的時間里是充實(shí)的，在這幾天里使我對電工和電子課程有了更深一步的了解和把握。不僅豐富了課本的理論知識，而且鍛煉了自己的能力。這次的課程設(shè)計(jì)，是一次理論與實(shí)踐的結(jié)合，也可以說讓我們平日的積累得到了一次施展，讓我加深了對電子技術(shù)的理解，明白了所學(xué)知識的重要性和自己理論知識的欠缺，增加了自己對所學(xué)課程的興趣。將理論和實(shí)踐相結(jié)合使自己的能力有了很大的提高。

通過本課程設(shè)計(jì)的練習(xí)過程，使我穩(wěn)固的把握了