水位控制电路

水位控制电路摘要：本任务的目的是为了让水塔具有自动控制水位的能力。当水位超出这个范围时能够自动调整水位使其落在规定的范围内：水位低了就控制水泵工作抽水，使水塔内的水位上升，到达一定高度时水泵停止抽水，从而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围的目的。另外还要使水塔具有显示水位和超出一定范围报警的功能。关键词：水塔 水位显示器 自动报警器 1 引言在日常生活和工业生产中，水位控制装置有着广泛的应用，如水塔、楼房水箱等。水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式、行程开关式、电节点式、压力式、电子式、微机式等。这些装置或多或少地存在着一些缺点：浮子开关式采用机械结构，维护起来不方便；微机式控制装置，虽然操作方便，但造价较贵。本文从实用性和经济性出发，设计了一种水位自动控制装置。该装置结构简单、维护方便、工作可靠、性能价格比优良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺点，并提供了自动报警、自动保护功能，在多种场合下均可采用。2 总体方案设计2.1 设计思路每部分电路都有其相应的功能：首先由信号产生部分产生整个电路的输入信号，该信号经过信号处理部分处理后输出其他电路的控制信号，控制其他电路工作：电机控制电路部分接收到由信号处理电路输出的有效控制信号后正常工作驱动电机转动抽水，使水位上升，而水位的变化又直接关系到信号的产生，因此有一个循环的过程，即使水位保持在一定范围内；水位显示电路接收到有效信号后驱动显示器工作使其显示该时刻的水位；水位超限时输出为报警电路的有效控制信号使报警电路工作驱动报警器报警。由“信号产生 信号处理 电机控制 电机 信号产生”这个循环就能使水塔具有自动控制水位的能力。2.2 总体设计框图由任务分析可知，该设计电路主要有三个功能：水位控制、水位显示与报警。而要有这些功能就必须要有使其工作的控制信号，所以首先就必须要有输入信号，因为任务要求是自动控制所以输入信号也必须由电路自己产生而不能人为加入。因此可以将整个电路设计为五个部分：信号产生、信号处理、电机控制、报警控制和水位显示电路，整体电路框架如下图1所示。 水位显示电路信号处理电机控制电机显示器信号产生报警控制报警器 图1 总体设计框图3 设计组成及原理分析3.1 信号产生部分该部分的目的是产生有效的输入信号。主要原理是利用水的弱导电性。水属于弱导电质，即使这样也可以通过水来传递微弱的电信号。鉴于此原理，初步将该部分设计成由水面的上升与下降来控制电信号的接通与断开：当水位上升时接通电信号；当水位下降时断开电信号。按此分析，只要在水塔里放上用来传递电信号的探头，则水位上升到探头位置时接通电信号；水位低于探头位置时断开电信号。把电信号接通时设为有效信号即当作输入信号，而断开时设为无效信号，因此可以由电信号的接通与断开之间的变化产生信号当作控制信号。在水塔的不同放置几个探头时就可以根据水位的高低接通某些探头和断开某些探头。因此只要知道每个探头的具体位置，再根据其输出电信号的情况就能大致确定水位的位置，将探头输出的电信号当作输入信号经过处理后成为电路的控制信号。设计该部分主要在于探头个数的选择与探头放置位置的选择。因为探头的个数直接关系到水位检测的精确度：探头个数越多检测点也就越多检测水位也就越准确。但如果探头太多就会给其他电路设计带来麻烦：一个是信号处理的输入端要多，一个是水位显示也要相应的增加，加大了工作量。根据任务设计的要求，设一水塔高8米，令该水塔水位到达7米或低于1米时报警，也就是说水塔最起码要有7米深，因此可以将探头个数设计为八个，分别检测八个点的水位，原理图如下图2所示。ah为八个检测探头，其中a探头到水箱底部的高度为1米，其他探头依次放置在相差一米的位置上，即只能检测到18米的水位。COM为公共电极，接5V。为了提高精确度，将公共电极尽可能的靠近探头，即使电极与探头的距离尽量小，有利于电信号COM公共电极5V水塔hgfedcba水面检测探头图2 探头原理图的传递。当水位上升到探头位置时，5V电信号经过介质水接通到所在的探头；而当水位下降时断开。因此只要测出哪些探头接通电信号时，就大概可以确定水位的高度。比如说只有abcd有电信号输出，而efgh都没信号（或者说输出低电平）输出时，就基本上可以确定水位在探头d以上e一下，即在45米之间，再将该电信号输入到信号处理部分进行处理输出相应的控制信号即可。3.2 信号处理部分该部分主要是对输入信号进行处理输出其他电路的控制信号。由于水的导电性十分微弱，由公共端通过探头的电信号会很小，不一定能够成为满足电路工作的控制信号，因此有必要先对输入信号进行放大处理。根据元器件的功能可知，晶体管具有放大、饱和和截止三种工作状态，可选用一种状态对输入信号进行处理。图3所示即为用三极管对信号处理的原理图。图3 信号处理电路由探头出来的电信号输入到信号输入端，由信号输出端输出。当有电流从公共电极流入探头时，经过电阻R到达晶体管Q的基极，此时三极管的发射结和集电结电压都正偏。当发射结电压超过三极管的导通电压时，由晶体管的工作条件可知此时其处于饱和的状态，即相当于开关的闭合状态，接通集电极与发射极，使集电极输出为低电平。只要设计电阻R的阻值合理，就能比较稳定地使晶体管工作。晶体管Q选用NPN型硅管9014，主要参数如表1所示。表1 晶体管参数三极管型号极性导通电压（V）9014NPN150450451000.7R为选用一般的电阻器，为安全起见，假设从探头输出的电流只有0.1mA，则电阻R上的电压，为了使三极管能够导通，则0.7V，即R0.7k，可设R阻值为10k。电容C具有储电、滤波作用，选用一般电解电容10uF即可。经过三极管处理的信号还只是一个低电平的信号，没有控制其他电路工作的能力，还必须经过编码处理。由以上电路的设计与分析，该编码电路最少应有八个输入端，作为八个探头输出信号的输入端，且有效电平为低电平。因此应设计成具有优先编码功能的编码电路。所谓“优先”编码即多个输入端同时满足编码条件时，只对最高位编码。根据要求该电路设计成以编码器为核心的编码电路，具体设计的电路如下图4所示。 图3.2图 图4 信号编码电路ah为信号输入端，DCBA为信号输出端。元器件选择：编码器为74147，反相器为7404。芯片介绍：74147为10-4线BCD优先编码器，编码输入有效电平为低电平，编码输出为BCD反码，即当输入端有“0”输入时，输出端就输出与之对应的BCD反码。如“2”，“4”同时输入“0”，则按“4”进行编码，内部编码成BCD码0100，输出则为BCD反码1011。74147的真值表如下表2所示。 表2 74147真值表输 入输 出123456789DCBA11111111111110111111111110011111111101011111111000111111011011111010011110010111000010111注：1高电平；0低电平；任意态。由真值表可以知道，当在编码器输出端接上反相器即可使输出的BCD码与其输入“0”的高位输入端相对应，即当“3”输入“0”时输出BCD码0011与十进制的“3”相对应。3.3 水位显示电路该部分主要是用七段数码显示器显示水位。七段数码显示器一般有两种接法：一种是共阴极接法；一种是共阳极接法。无论哪种接法，其都是由七组发光二极管构成。当其为共阴极接法时则对高电平有效，即要输入高电平时才能使其点亮；当其为共阳极接法时对低电平有效，只有输入低电平时才会显示，显示器原理图如下图5（a）、（b）、（c）所示。 （a）结构和引脚 （b）共阴极接法 （c）共阳极接法 图5 七段数码管显示器原理图 由原理图可知，该显示器有七个发光二极管分别用a、b、c、d、e、f、g，因此只要点亮相应的发光二极管，就能使其显示特定的数字。比如说对于共阴极接法的显示器同时对a、b、c输入高电平时使a、b、c段二极管点亮而其他的都灭即显示出数字“7”。该部分电路直接由显示译码器对编码信号译码后驱动显示器工作，电路图如下图6所示。数码显示器DCBAabcdefg译码器R7 图6 水位显示电路DCBA为二进制码信号输入端，ag为译码后信号的输出端。信号输出后经过限流电阻直接接到显示器输入端，驱动显示器工作。元器件选择：经过分析，译码器选用BCD7段译码显示器驱动器7448；显示器为共阴极七段数码显示器；R阻值为220欧姆。7448译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器，其功能表如下。 表3 7448功能表十进制输入BI/RBO输出LTRBIDCBAabcdefg0HHLLLLHHHHHHHL1HLLLHHLHHLLLL2HLLHLHHHLHHLH3HLLHHHHHHHLLH4HLHLLHLHHLLHH5HLHLHHHLHHLHH6HLHHLHLLHHHHH7HLHHHHHHHLLLL8HHLLLHHHHHHHH由功能表可以知道，当输入信号DCBA为二进制码0000，即相当于十进制的“0”时，输出abcdefg为1111110，接到显示器上的相应输入端即显示数字“0”；当DCBA为0101，即相对于十进制的“5”时，abcdefg输出为1011011，接到显示器时点亮a、c、d、f、g即显示出“5”。3.4 电机控制电路该部分为整个设计电路的重点部分，也是难点部分。主要目的就是要控制电机的工作。通过控制电机的工作来控制水位，这也就是本实验的主要设计目的。由任务的设计要求：要将水塔的水位控制在26米。即水位低于2米时使电机工作，升到6米时使电机停止工作。而由信号产生部分设计可知：当水位低于2米时只有探头a接通电信号。因此要将该电信号设计为控制电机转动的控制信号。而该电信号通过编码处理后输出为四位二进制码0001，所以就是要使输出信号为0001时使电机工作。而水位上升到6米时要控制电机停止工作。因此时水位在6米时有六个探头接通电信号，为a、b、c、d、e、f。根据编码器的工作原理，只有探头f的电信号才为有效信号，即只对f的电信号编码处理。此时由f引进来的信号经过编码后成为二进制码0110，因此要将0110设计为电机停止工作的控制信号，即当输入到电机驱动的信号为0110时使电机停止。 根据分析将该部分电路设计成如下图7所示。图7 电机控制电路DCBA为信号输入端。IC7420为四输入与非门。手动开关为三路选择开关。由电路图可知，该电路主要由四个部分组成：四输入与非门、继电器、手动开关、电机。当DCBA输入为0001信号时经反相器后接到四输入与非门输入端为1111则输出为低电平0，接到与门一端使其锁住；当DCBA输入为0110时经反相器接到四输入与非门输入端为1111亦输出低电平0，经过反相器后输出高电平1接到或门一端。电路工作原理：假设刚开始水塔的水位在2米以下。则先将手动开关拨向3使电机接通AC220V工作抽水，当水位上升到2米以上6米以下时，再将其拨向1，则此时由继电器控制电机。因为这时经过编码处理输出的BCD码DCBA不是为0001或0110，所以四输入与非门的两个输出端与都输出为高电平1。由于二输入与门的另一个输入端为低电平，则输出为低电平；而输出经过反相器器后亦为低电平。因此三极管处于截止状态，继电器没有工作，即放开铁片。则此时电机仍由继电器的第二通道接通220V工作。当水位继续上升到6米时输入信号DCBA为0110，此时输出低电平0，经反相器后为高电平1，通过逻辑或门接到三极管的基极使三极管导通工作，即接通发射极与集电极，使继电器通电工作吸合铁片。从而断开电机与220V使电机停止工作。也就使水位停止在6米处。因此时继电器吸合铁片，使5V的电源由继电器的第一通道接到与门，与同为高电平则使逻辑与门输出为高电平，这样即使水位下降，接到三极管的基极为低电平时也能使三极管工作在导通状态，使继电器工作吸合铁片不让电机工作。而当水位下降到低于2米时，输入端DCBA变为0001，输出低电平0，锁住与门，即使与门输出为低电平0，因此时没有电流流到三极管基极而使其处于截止状态，从而断开继电器的电源使其放开铁片，这样又将电机由继电器的第二通道接通到电源，转动抽水。即能将水位控制在2米以上。该电路所用的元器件已经标在图上。四输入与非门选用7420，反相器为7404，或门为4071，与门为7400，三极管为NPN型9013，电阻为2k，继电器为JZC21F型直流电磁继电器，并在继电器两端的二极管主要是用来放掉继电器存储的电荷，选用4148。部分元器件参数如下表4、表5所示。 表4 三极管参数三极管型号极性导通电压（V）9013NPN150625205000.7 表5 继电器参数规格代号额定电压（V）电圈电阻值（欧）吸合电压（V）释放电压（V）接电负荷0.055703.750.6AC220V1.5A3.5 报警控制电路根据任务设计要求只要将编码处理输出的信号DCBA为0000或0111时设为报警电路的控制信号即可。由555定时器和三极管构成的报警电路如图8所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率f=1.43/(R1+2R2)C,其输出信号经三极管推动扬声器发声。PR为控制信号当PR为高电平时多谐振荡器工作；反之则停止工作。PR信号是由74LS20产生的。 图8 水位报警电路该电路主要由四输入与非门、反相器、或门、报警器构成。当水位低于1米或升到7米时编码器编码输出的信号DCBA为0000或0111，再经过反相器输入到四输入与非门输入端后输出为低电平再经过反相器后变为高电平。该高电平通过或门后再经过限流电阻驱动报警器工作。因此可以通过报警器来判断整个控制电路的工作是否正常。四输入与非门选用7420，反相器为7404，或门为4071，报警器用适应晶体振荡器来代替。 3.6 元器件及其参数表6 元器件及其参数C1C8电解电容10uFQ1Q8、Q9三极管9014、9013R1R8、R9、R10R16电阻10k、2k、220IC1编码器74147IC2反相器7404IC3、IC4四输入与非门7420IC5译码器7448IC6二输入或门4071IC7二输入与门7400D1、D24118、LED发光二极管K11、K12JZC21F型直流电磁继电器报警器NE555时基定时器显示器七段数码共阴极显示器74LS20介绍：74LS20内含两组4输入与非门。第1组：1,2,4,5输入6输出；第2组：9,10,12,13输入8输出。74LS20的真值功能表3-7如下。表7 Y=ABCD 输 入输 出ABCDYXXXLHXXLXHXLXXHLXXXHHHHHL4 总结与体会通过这次课程设计我们学会了独立做设计的方法与技能，拿到一个题目后，广泛阅读大量有关资料，从中抽取信息，加以总结分析，当然期间也离不开指导教师的指点。这样既充分培养了我们的自学能力，还启示了了我们怎样才能创新。总之，确实受益匪浅。参考文献1 康华光.电子技术基础（第五版）M.北京：高等教育出版社，20052 卿太全，李萧，郭明琼.常用数字集成电路原理与应用M.北京：人民邮电出版社，20063 姚金生，郑小利.元器件（修订版）M.北京：电子工业出版社，20044 张庆双.电子元器件的选用与检测M.北京：机械工业出版社，20035 龚华生.元器件自学通M.北京：电子工业出版社，20056 孙余凯，吴鸣山.555时基电路试图M.北京：电子工业出版社，2007附录 图9 整体电路图13