毕业设计（论文）-水位控制器设计.doc

继续教育学院毕业设计（论文）题目：水位控制器设计院、系（站）：渭南工业学校函授站学 科 专 业： 应用电子技术 学 生： 学 号： 指 导 老 师： 2012年12月摘 要介绍了水箱水位控制中一种新型的实用电路。它是采用数字电路与模拟电路相结合、集成电路与分立元件相结合的方法，通过红外光电传感器将水箱水位的高低信号转换成开关数字信号，然后在控制电路和驱动电路的作用下实现对水箱水位的自动控制和故障报警。该电路具有简单、经济、稳定可靠，容易实现的特点，适用于城镇居民楼房，特别是农村住宅楼房生活用水水箱的水位自动控制。 关键词：水箱水位 自动控制 故障报警目 录绪论1第一章 任务与要求2第二章 水位控制器的概念和特点32-1水位控制器的概念32-2水位控制器的特点3第三章 水位控制器的分类43-1浮球式43-2 目测式(直读式)53-3 机械式73-4 压力式83-5 电容式83-6超音波式9第四章 水位控制器设计方案114-1方案一 自动控制水泵机114-1-1电路图114-1-2工作原理124-2方案二 高架游泳池144-2-1电路图144-2-2工作原理144-3方案三 简单的水位控制器154-3-1电路图154-3-2工作原理16结束语17致 谢18参考文献19西安工业大学继续教育学院毕业设计（论文）绪 论在以大量运现代化的社会中，各种感应(测)器的发明与使用大幅地改变了我们的世界，日常生活中的抽水马桶便是利用浮球开关水位控制的最好例子。浮球式水位控制器的原理不但很简单且材料也很低廉，但利用浮球开关所做的水位控制器也有缺点，其浮球连杆的支点常故障且容易生锈腐蚀，经人们改善后，工业已制作出压力式、直读式、机械式、微波式、重量式、重锤式、辐射线式、电容式、电极式、超音波式等水位控制电路系统；化学工厂，钢铁工厂、面粉工厂、饲料工厂、水泥工厂等工业可用使得生产得以自动化。本专题之主要目的在于协助本科新成立之感测实验室设计适合教学之感测系统，使学子们能熟悉类比式水位控制回路系统，使用三支水位感测电极棒，来感测出水位高低并且将讯号传送到控制器中，再利用继电器接收讯号，并启动光电感应器与电磁阀，以达成水位控制目的。经由操作本系统后，可以了解到家庭中的浮球式抽水马桶与本系统有何差别，并且可使学子们从系统中得知电子组件的特性。为了让教学上有更好的效果，本专题设计了直立式广告牌，使老师授课时可以方便说明，进一步激发学子们之学习兴趣。第一章 任务与要求1接通电源后，若水箱中无水，水箱进水，水位上升到正常水位。2当用户开始用水时，水箱内水位不断下降，一旦水位低于低水位，电磁阀开始新一轮供水工作，周而复始。3在上述工作过程中，若出现低水位不能正常供水的情况，电路报警，提醒用户引起注意，在进水过程中，若水位超过了高水位，后级报警电路同样会发出报警讯响。第二章 水位控制器的概念和特点2-1水位控制器的概念 全自动水位控制器是专门针对现有水塔、高位水箱设计生产的配套供水系统，其工作原理是通过水塔或高位水箱内水位的水位自动控制水泵的工作状态。即：当水位达预先设定的上限时，水泵自动关闭，而当水位达到预先设定的下限时，自动启动水泵，一直到水位升高到上限时水泵停止运转。这可使水塔或高位水箱保持一定的水位，同时达到无人操作的目的。 它有置于水箱中并与水箱连接的管状体，管状体下部有进水口与水箱相通，上部管口有外螺纹与夹紧螺母的内螺纹连接，管状调节体下端插入管状体上端内，管状调节体内有能上下移动的水浮球，管状调节体上部壁上有排水孔，顶端有隔水橡胶膜密封，膜上方有微动开关，微动开头的A、C两个接线端与水泵电源开关和水泵串联于电源线路，水泵出水口与水箱间有管道连接。 2-2水位控制器的特点 主要应用于太阳能热水器的温度温差。控温精度高，抗干扰能力强，自由设定两温区的温差启动及温差停止的参数，及自动加热的温度设定值，自带水位检测控制。两路传感器带自检功能，温度误差带修正功能（两温区各独立校正），强大的控制功能，便于用户使用。第三章 水位控制器的分类3-1浮球式以往，一般家庭所用之水位自动控制器，皆为如3-1-1(a)(b)所示之浮球开关。水位低时浮球开关的接点闭合，抽水机抽入水塔，水位高时，接点打开，抽水机停止抽水。其动作情形如下：1.当水位低于L时，浮球B与浮球A两者之重量和使接点闭合，电路接通，抽水机抽水入水塔。 2.水位高达L后，虽然浮球B随着水面上浮，但是浮球A的重量使接点保持闭合，因此抽水机继续抽水。 3.水位升高至H后，浮球A亦随着水面上浮，则浮球A及B均不加重量于接点，接点靠弹簧的力量打开。 4.当打开水龙头用水，而使水塔的水面降至H以下L以上时，虽然浮球A对接点施以重力，但浮球B还浮于水面上（被水托住），因此接点保持打开。 5.直至水位低于L时，浮球A与浮球B之重量和使接点闭合，使抽水机再度过电抽水。 (a)浮球开关之实体图 (b) 浮球开关之原理图图3-1-1 浮球开关3-2 目测式(直读式) 目测式液位感测器是目前市面上最简单的。如图3-2-1，而在工业中，量测时， 插入一根杆子(附有刻度)于容器中，然后拔出之后，在观察杆子上的刻度。或者利用有刻度的容器直接观察，如图3-2-2。此方式与本专题制作的涵意相似，都是为了让人们能直接了解液位的高低。 图3-2-1 目测式液位传感器 图3-2-2 目测式液位传感器目测式液位量测中还有两种，(a)置换式，(b)带球式。如图3-2-3，置换式是采用阿基米德原理，利用一物体在水中减少的重量，等于它排开液体体积之重量。如3-2-4，带球式则是利用浮球在液面上，且由一条带子绑住，带子的尾端就是指出器，当液面升高时，带子会使指针往下移。在这几种的液位控制告诉本专题以简单的方式及利用清楚的容器展现出水位高低会有何改变。图3-2-3 置换式 图3-2-4 带球式3-3 机械式如图3-3-1，利用浮球做液位的侦测器再结合杠杆原理来控制入水口的启闭。并且将连杆与控制电路连线组成一套回路。从此回路中本专题得知利用电磁阀也可以有如上的效果。电磁阀是运用电磁铁的吸引力，使阀瓣切换，作为水的控制。图3-3-1 机械式液位控制器3-4 压力式如图3-4-1，利用装置在容器右下方的压力感测器来检测流体的静止压力，因为液体的高度等于被液体所分配的压力。此种方式应用水的压力来得到数值，但却无法让学子们亲自观察到水压的变化，故本专题利用透明的容器呈现水的高低位置，及利用有刻度的容器将水位的高低展示出来，好让学子们知道其过程。 图3-4-1 压力式液位控制器3-5 电容式利用检出对象和空气的介电系数不同，而用电极将设定位准以电容的变化而检出。电容值的变化可经由一个振荡器及AC电桥测出经电子电路变换成电流或电压信号。电容式液位控制最适用于工业用水、化学纯水的液位控制、饲料漏斗内的食物、汽油、柴油、NH3等器爆性物质、塑化原料等。电容式液位控制因大部份使用在高危险性的工业上，及卫生性高的工厂。故此在成本上当然也相对的增加，但电容式却为大众提高了安全性的生活。 3-6超音波式如图3-6-1，对欲测量物体发出超音波，依其反射波回来的时间，此时间与位准(位的高低)成正比。此种方式为无接触式液位量测。超音波式有反射、遮断、振动阻抗变化等测量方式。在本文中以反射为主题，反射式是在空气中发出超音波，当接收到反射波的时间时，正好和物体的距离成正比。超音波式液位控制适用于矿石、煤碳等钢铁原料厂及水泥、灰石等大型贮放槽的位准控制。图3-6-1 超音波式液位控制器表1-1 各式水位控制之综合比较名称：优点：缺点：浮球式简便、廉价支点容易锈蚀、易故障、精确度低。目测式简便、廉价无法记录、不适合做控制连线、精确度低。机械式简便、可做控制连线。支点容易锈蚀、易故障、精确度低。压力式可做控制连线、简便。成本较高、无法观察及记录。电容式可做控制连线、可观察、可记录。成本较高、较复杂。超音波式可做控制连线、精确度好。成本较高、较复杂、无法观察。电极式简便、可做控制连线、可观察、可记录、成本较低。精确度低。第四章 水位控制器设计方案4-1 方案一 自动控制水泵机4-1-1 电路图控制器电路如图1所示。指示器电路如图2所示。4-1-2 工作原理自动控制水泵机原理是当水箱中的水低于下限水位时，电动机自动接通电源而工作；当水灌满水箱时，电动机自动断开电源。该控制电路只用一只四组双输入与非门集成电路(CD4011)，因而控制电路简单，结构紧凑而经济。供电电路采用12V直流电源，功耗非常小。图1是控制器电路图，在水箱中有两只检测探头A和B，其中A是下限水位探头，B是上限水位探头，12V直流电源接到探头C，它是水箱中储存水的最低水位。下限水位探头A连接到晶体管T1(BC547)的基极，其集电极连到12V电源，发射极连到继电器RL1，继电器RL l接入与非门N3第脚。同样，上限水位探头B接到晶体管T2的基极(BC547)，其集电极连到12V电源，发射极经电阻R3接地，并接入与非门N1第、脚，与非门N2的输出第脚和与非门N3的第脚相连，N3第脚输出端接到N2第脚输入端，并经电阻R4与晶体管T3的基极相连，与晶体管T3发射极相连的继电器RL2用来驱动电动机M。当水箱的水位在探头A以下，晶体管T1与T2均不导通，N3输出高电平，晶体管T3导通，使继电器RL2有电流通过而动作，因而电动机工作，开始将水抽入水箱。当水箱的水位在探头A以上、探头B以下时，水箱中的水给晶体管T1提供了基极电压，使T1导通，继电器RL1得电吸合N3第 脚为高电平，由于晶体管T2并无基极电压，而处于截止状态，N1第、脚输入为低电平，第脚输出则为高电平，而N2第脚输入端仍为高电平，因而N2第脚输出则为低电平，最终N3第11脚输出为高电平，电动机继续将水抽入水箱。当水箱的水位超过上限水位B时，晶体管T1仍得到基极电压，继电器RL1吸合。N3第脚仍为高电平，同时，水箱中的水也给晶体管T2提供基极电压使其导通，N1第、脚输入端为高电平，第脚输出端为低电平，N2第脚输出端为高电平，N3第脚第终输出低电平，使T3截止，电动机停止抽水。若水位下降低于探头B但高于探头A，水箱中的水依然供给晶体管T1的基极电压，继电器RL1继续吸合，使N3第脚仍为高电平，但晶体管T2不导通，N1第、脚输入端为低电平，其第脚输出端为高电平，N2第脚为低电平，则N2第脚输出为高电平，最终N3第脚输出端继续保持低电平，电动机仍停止工作。若水位降到探头A以下，晶体管T1与T2均不导通，与非门N3输出高电平，驱动继电器RL2，电动机又开始将水抽入水箱。图2为指示器监控器电路图，共有五个发光二极管，如果发光二极管全部亮，表示水箱中的水已充满。12V电源送到水箱底部的水中，晶体管(T3T7)只要得到基极电压，就会导通并点亮相应的发光二极管(LED5LEDl)。当水箱中的水到达最低水位C时，晶体管T7导通，LED1点亮；当水位上升到水箱的14时，晶体管T6导通，LED1与LED2点亮；当水位升到水箱的一半时，晶体管T5导通，则LED1、LED2和LED3点亮；当水位升到水箱的34时，晶体管T4导通，则LED1LED4均点亮；当水箱的水充满，晶体管T3导通，五个发光二极管全亮。因此从发光二极管点亮的状态，就能知道水箱中的水位发光二极管与水箱中的水位对应关系如附表所示。发光二极管应安装在容易监视的位置。改变探头A和B的高度可调节水位，但应注意调整螺丝A、B和C，其它水位探头之间必须绝缘，从而避免短路。4-2 方案二 高架游泳池4-2-1 电路图图1 自动水位控制电路4-2-2 工作原理本文所示的电路图1是控制高架游泳池的简单便量方案。电路非常简单并且非常容易制造。图1中的SW1（通常闭合）和SW2（通常开路）是密封的PVC管中的微型舌簧开关。管的两端做成防水的,用防水密封胶密封它们。1个磁铁安装在可以浮在水面的热孔隙薄片上。磁铁可随水面上下移动并可驱动舌簧开关。当水池完全放空时磁铁安置在制动器上（如图1所示）,而SW2闭合。12V电源通过SW1和SW2连接到RL继电器的线圈上。继电器被激励,而且经继电器的1个公共端连接VAC到水泵的电机。当水泵开始注水到游泳池时,磁铁随着水面向上移动。当磁铁离开支座时,SW2开路,但电源通过继电器RL的第2个公共端仍然连接到继电器的线圈上。当磁铁到达SW1时,它打开SW1开关,而电源到达继电器线圈的第2条通路也断开。继电器去除激励,关断水泵。当从水池排水时,SW1再次闭合,但电源不能到达继电器线圈。水进一步排出,SW2闭合,而继电器再次被激励,从而再次开启水泵。此过程一次又一次地重复。水泵不是连续运行,而是间隔运行。间隔时间依赖于舌簧开关之间的距离,然而,手动按瞬时开关SW3可以开启水泵。RL是DPDT继电器（1个极用于逻辑控制,1个极用于开/关电机）线圈电压为12Vdc,按点负荷依赖于负载。SW1和SW2为微型舌簧开关。4-3 方案三 简单的水位控制器4-3-1 电路图4-3-2 工作原理最简单的水位传感组件是采用两个电极，当水面淹没电极时，利用不纯净水的导电性使电极之间导通，但导通电阻值较大，约50k，不能代替光敏电阻器直接驱动的光控电路，需要灵敏更高的控制电路。水位自动控制电路如图5所示。它是在光控电路的基础上，增加了一级前置放大管VT1，在其基极输入很微弱的电流（10A）就可以使VT13皆饱和导通。控制开关S可以用大头针做成两个电极，当其被水淹没而导电时，小电动机会自行运转。C1为旁路电容器，防止感应交流电对控制电路的干扰。VT1选用低噪音、高增益的小功率NPN硅管9014。根据上述电路水位控制的功能，能否设计成一个感知下雨自动关窗、自动收晾晒衣服绳索的自动控制器。下偏置水位自动控制电路见图6 。图中，将两个电极改接在VT1下偏置，R1仍为上偏置电阻器。当杯内水面低于两个电极时，相当于下偏置开路，R1产生的偏置电流使电动机起动。当水位上升到淹没电极时，两个电极之间被水导通，将R1产生的偏置电流旁路一部分，使VT13截止，电动机停转，与图5控制效果恰好相反。 结束语水箱水位控制器具有独特的设计思想和简单可靠的控制电路。在电路元器件正确安装完毕以后，只需稍做调整即可正常运行。实践表明，系统运行以后工作稳定可靠，抗干扰能力强，在完全无需人工干预的情况下，能有效地进行水箱水位自动控制，节省了劳动力，减少了用电量，降低了成本。该控制器具有小巧、经济、可靠、实用和节能降耗的特点，是一种值得推广的新型的自动控制装置。致 谢本研究及学位论文是在我的导师王老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，王老师都始终给予我细心的指和不懈的支持。两年多来，王老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢在一起愉快的度过的全部高应电的同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢我的好朋友，她对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。谢谢你们!参考文献【1】童诗白 华成英 模拟电子技术基础M 北京：高等教育出版社【2】张义和Protel DXP电路设计大全M北京：中国铁道出版社【3】黄继昌电子元器件应用手册 M北京：人民邮电出版社【4】蔡忠法主编电子技术实验与课程设计浙江大学出版社【5】康华光 数字电子技术基础高等教育出版社【6】全国大学生电子设计竞赛北京理工大学出版社19