水位控制电路.pdf

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1、河南科技学院新科学院 电子课程设计报告 题目：水位控制电路设计 专业班级：电气工程及其自动化082 姓名：姜 水 龙 时间：2010.06.06 2010.06.12 指导教师：张 伟邵 锋李晓敏 完成日期： 2010 年 06月 12 日 水位控制电路设计任务书 1设计目的与要求 设计一个水塔或锅炉水位控制电路，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所 设计的电路具有以下功能： （1）多点水位实时采集和显示功能； （2）当水位低时，启动水泵自动加水，达到高水位时自动停止水泵； （3）当达到警戒水位（高水位或低水位）时，电路能够自动报警提示； （4）具备报警消音控制功能； （5）所设计的电

2、路具有一定的抗干扰能力。 2设计内容 （1）画出电路原理图； （2）确定元器件及元件参数； （3）进行电路模拟仿真； （4）SCH文件生成与打印输出； （5）PCB文件生成与打印输出。 3编写设计报告 写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。 4答辩 在规定时间内，完成叙述并回答问题。 目 录 1 引言4 2 水位控制电路设的总设计方案4 2.1 设计思路4 2.2 总体设计框图5 3 设计原理分析5 3.1 信号产生部分5 3.2 信号处理部分.6 3.3 水位显示电路7 3.4 电机控制电路8 3.5 报警控制电路10 3.6 元件及其参数11 4 总结与体会12 参考文献13

3、附录 1 14 附表 2 15 水位控制电路设计 摘要: 本文设计了一种水位控制电路。当水位超出规定范围时，系统能够自动调整水位，使其落 在规定的范围内；当水位低于规定范围时，就控制水泵工作抽水，使水塔内的水位上升，到达规定 高度。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内的目的。另外本电路还具有显示 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、锅 炉等。水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式，电节点式，压力式，电子式，微 机式等。这些装置或多或少的存在着一些缺点：浮子开关式采用

4、机械结构，维护起来 不方便；微机式控制装置， 虽然操作方便， 但造价较贵本位从实用型和经济型出发， 设计了一种水位控制装置，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。有很 多场合下均可采用。 2总体设计方案 2.1 设计思路 每部分电路都有其相应功能：首先有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之后，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有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，而水位的变化有直接关系到信号的产生，因此有个循环的过

5、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 有任务分析可知该设计电路有三个功能：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，所以首先即必须要有输入信号，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

6、 1 所示。 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 该电路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，初步将该电路设计成 由水面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 即当做输入信号，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 产生信号当做控制信号。 在水塔的不同

7、位置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做输入信号经过处理后成为电路的 控制信号。 根据设计的要求，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点的水位，原理图如 下图 2 所示。 a-h 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1-8 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

8、近探头，即使电极与探头的距离尽量小，有利于电信 号的传递。 信号产生水位显示显示器信号处理 电机控制电机 图 2 探头原理图 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

9、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电电压时，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F(MHz) P(mW) BU(V) I(mA) 导通电压 （V） 9014 NPN 150 450 45 100 0.7 选用一般电阻，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

10、U=0.0001R ，为了使三极管能够导通，则U0.7V ，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以编码器为核心的编码电路，具有设计的电路如下图4 所示。 C1 10uf C2 10uf C3 10uf

11、10uf C5 10uf c6 C7 10uf C8 10uf a b c d e f g h R1 10k R2 10k R3 10k R4 10k R5 10k R6 10k R7 10k R8 10k T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 4 GND 6 B C 7 8 5 VCC 3 NC D 2 1 9 A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 74147 74147 74147 VCC 7404.A 7404 7404.B 7404 7404C 7404 7404D 7404 shui ta 图 4 信号编码电路 a-b 为信号输入

12、端， DCBA 为信号输出端。元件选择：编码器为74147 ，反相器为 7404 。 3.3 水位显示电路 该部分主要是用七段数码管显示器显示水位。 七段数码管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 所示。 a bf c g d e A B C D E F G abcdefg D O T d p dp 图 5 七段数码管显示 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

13、、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。 B C LT BI/RBO RBI D A GND OE OD OB OA OG OF OC VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 7448 74 48 a bf c g d e a b c d ef g R90.22k R10 0.22k R11 0.22k R12 0.22

14、k R130.22k R14 0.22k R150.22k VCC 图 6 水位显示电路 DCBA 为二进制码信号输入端， a-g 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 BCD-7 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。 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。 由任务设计要求：要将水塔的水位控制在2-6 米。即水位低于 2 米时使电机工作， 升到

15、 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，因此要将该信号设计为控制电机转动的控制信号。而该信号通过编码处 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

16、使电机 停止。 根据分析将该部分电路设计成如下图7 所示。 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND 2Y 2A 2B NC 2C 2D VCC 7420 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 7420 7404 7404 7404 7404 VCC 7400 1 2 3 4071 12 R16 2k NPN3 9 4 5 10 36 81 27 d1 D1 1 2 220 VCC 7404F 7404 VCC 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。 由原理图可知，该电路主要由四个部分组成：四输入与非

17、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 接到或门一段。 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，因为这时经过编码器处理输出的BCD 码 DCBA 不是为 0111或 0110 ，所以四输入与非门的两个输出端Y1 与

18、Y2 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Y2 输出经过反相器后亦为低电平，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 Y2 输 出低电平 0，经过反相器后为高电平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。因此继电器吸合铁片，使+5V的电源由继 电器的第一通道接到三极管的基极为低电平时也能使三极管工作

19、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2 米时，输入端 DCBA 变为 0001 ，Y1 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 JZC-21F 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

20、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F(MHz) P(mW) BU(V) I(mA) 导通电压 （V） 9013 NPN 150 625 20 500 0.7 表 5 继电器参数 规格 代号 额定电压 （V） 电圈电阻值 （欧） 吸和电压 （V） 释放电压 （V） 接电负荷 0.05 5 70 3.75 0.6 AC220V1.5A 3.5 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 55

21、5 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。 7404 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND 2Y 2A 2B NC 2C 2D VCC 7420 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 7420 VCC 7404 7404 1 2 1k 1 2 15k 1 2 68k 0.51k 0.51k VCC VCC 0.1uf NPN3 1mf BELL 7404F 7404 89 1 0 4071 GND

22、 TRI OUT RES VCC DIS THR CON 555 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 555 555 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断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

23、。 3.6 元器件及其参数 表 6 元器件及其参数 C1-C8 电解电容 10uf K1-1 、K1-2 JZC-21F 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 4 总结与体会 通过这次课程设计我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老师的指点。 这样既充分培养了我们的自学能力，还启示了我们怎样才能创新。 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题 ,锻炼实践 能力的重要环节 ,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 课程设计刚开始时， 思绪全无， 举

24、步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书 到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新” ，便重拾教材与实验手册，对知识系 统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论 Q1-Q8 、Q9 三极管 9013 9014 R1-R8、R9、R10-R16 电阻 10k 2k 220欧姆 IC1 编码器 74147 IC2 反相器 7404 IC3、IC4 四输入与非门 7420 IC5 译码器 7448 IC6 二输入或门 4071 IC7 二输入与门 7400 知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式， 找到了设计的灵感。 课

25、程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是 一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道思索，给了我莫大的空间。尽管课程设计是在 期末才开始，我们的教材学习完毕， 掌握许多知识， 但是还有很多地方理解领悟不到位， 由于对 555 电路相关章节未能掌握以致用到秒脉冲产生电路无法自行设计，只得参考其 他文献，在 EWB 中试行操作，逐步摸索。 作图过程，通过这次课程设计我们对于protel 99 se和 EWB，EDA 技术多多少少 有了一些了解， EDA 技术发展迅速，有着广阔的应用前景，设计面广，内容丰富，它用 软件的方法设计硬件； 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由

26、有关的开发软件自 动完成的；在设计过程中可用有关软件进行各种仿真。 我认为，在这学期的课程设计中， 在收获知识的同时， 还收获了阅历， 收获了成熟， 在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思 考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，我们学会了很多 学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。还有我们要面对社会的挑战，只 有不断的学习、实践，再学习、再实践。总之，确实受益匪浅。 参考文献 1 康华光 . 电子技术基础（数字部分）M. 华中科技大学电子技术课程组编.高等教 育出版社2006 年 1 月第 5 版. 2008 年 12 月

27、第 6 次印刷 . Page 203-230 2 卿太全，李箫，郭明琼 .常用数字集成电路原理与应用M. 北京：人民有点出版社， 2006 3 刘修文 . 实用电子设计制作300 例M. 中国电力出版社， 2005 4 刘浩斌 . 数字电路与逻辑设计 M. 电子工业出版社， 2007 附录 1 C1 10uf C2 10uf C3 10uf 10uf C5 10uf c6 C7 10uf C8 10uf a b c d e f g h R1 10k R2 10k R3 10k R4 10k R5 10k R6 10k R7 10k R8 10k T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

28、4 GND 6 B C 7 8 5 VCC 3 NC D 2 1 9 A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 74147 74147 74147 VCC B C LT BI/RBO RBI D A GND OE OD OB OA OG OF OC VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 7448 74 48 a bf c g d e abcdef g R90.22k R10 0.22k R11 0.22k R120.22k R130.22k R14 0.22k R150.22k VCC 1A 1B NC 1

29、C 1D 1Y GND2Y 2A 2B NC 2C 2D VCC 7420 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 7420 7404 7404 7404 7404 VCC 7400 1 2 3 4071 12 R16 2k NPN3 9 4 5 10 36 81 27 d1 D1 DJ 1 2 220 VCC VCC 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND2Y 2A 2B NC 2C 2D VCC 7420 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 7420 VCC 7404 7404 1 2 1k 1 2 15k 1 2 68k 0.51k 0.51k VCC VCC 0.1uf NPN3 1mf BELL 7404.A 7404 7404.B 7404 7404C 7404 7404D 7404 7404F 7404 89 1 0 4071 GND TRI OUT RES VCC DIS THR CON 555 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 555 555 shui ta 附录 2