简易水塔水位控制电路课程设计要点.pdf

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1、简易水塔水位控制电路 电子技术课程设计 题目简易水塔水位控制电路 学生姓名 专业班级自动化 11 级 02 班 学号 院 （系 ) 电气信息工程学院 指导老师 完成时间2013 年 06 月 30 日 简易水塔水位控制电路 II 课程设计任务书 题目简易水塔水位控制电路 专业自动化 11 级学号姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 主要内容 1阅读相关科技文献。 2学习 protel软件的使用。 3学会整理和总结设计文档报告。 4学习如何查找器件手册及相关参数。 技术要求 1.要求电路能够通过控制两个水泵实现对水位的控制。假定水位范围是S1S2（S1S2） ，S为实际水位。 当 SS1时

2、，两个水泵都放水；当S1SS2时，仅一个水泵放水；当SS2时，两个水泵都关闭。 2.要求电路在S1、S2处不能出现跳闸现象，即水泵不能在短时间内反复在放水和关闭的状态之间转换。 3.要求电路能够显示出水泵的状态。 4.要求电路能够手动调节水位控制的范围。 主要参考资料 1何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001 年 6 月 2姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001 年 10 月 3王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999 年 10 月 4李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005 年 6 月 5康华光，电子技术基础，高教出版社，2003

3、完成期限： 2013年 6 月 30 日 指 导 教 师 签 章 ： 专业负责人签章： 2013 年 6 月 22 日 简易水塔水位控制电路 III 简易水塔水位控制电路 摘要 本方案的主要目的是制作一个简易的水塔水位控制器。该电路主要由电源电路、水位监 测和水位范围测量电路以及水泵开关和显示电路三部分构成。 电源电路由电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路来实现；电阻 型水压传感器监测水位；用迟滞比较器测量水位范围；利用可变电阻来做到手动调节水位控 制范围；显示路用继电器和发光二极管来实现。 水位监测电路的功能是利用水压传感器的特性监测水位的变化，同时将水压信号转化为 电信号

4、。水位范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水位范围的确定，同时利用迟滞 比较器的迟滞特性避免跳闸现象。水泵开关电路的功能是完成控制电路和水泵电路的开关。 显示电路的功能是利用发光二极管将水泵通电与否显示出来。电源电路的功能是为上述电路 提供直流电源。 关键词比较器 / 二极管 / 控制电路 / 水位监测 简易水塔水位控制电路 目录 摘要 1 方案的提出 1 2 简易水位控制电路的基本组成.2 2.1系统的组成框图. .2 2.2各单元电路的工作原理. 2 2.2.1电源电路.2 2.2.2水位监测和水位范围测量电路.3 3 主要元器件的工作原理及参数.5 3.1变压器5 3.2普通二极管.

5、6 3.3发光二极管.6 3.4三极管7 3.5桥式整流电路.9 3.6稳压二极管. .10 3.7集成运算放大器10 4设计个人心得体会 .12 致谢 13 主要参考文献 .14 附录 1 .15 附录 2.16 简易水塔水位控制电路 1 1 方案的提出 该方案电源电路采用电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电 网中的 220V交流电转换成直流12V电压。稳压电路由三端稳压器实现， 用它来组成稳压电源 只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。水位测量和水位监测电路主要由电阻型 水压传感器和迟滞比较器组成。电阻型水压传感器是最典型也是最简单的一种压力传感器。 迟滞比较

6、器不仅可以测量水位的范围，还可以防止跳闸现象的出现，并且通过可变电阻实现 了手动调节水位范围的功能。水泵开关电路和显示电路主要由电流放大电路和继电器组成。 继电器作为水泵的开关可以控制其工作与否。电流放大电路是由三极管组成，是一种比较典 型和简单的电路。用发光二极管构成显示电路更容易观察水泵工作情况。 综上所述，此方案电路图构成简单易懂，元器件的价格便宜，性能较稳定，操作简单， 具有经济前景。 简易水塔水位控制电路 2 2 简易水位控制电路的基本组成 2.1 系统的组成框图 简易水塔水位控制电路的总体框图如图2-1 所示。它是由水位监测电路、水位范围测量 电路、水泵开关电路、显示电路和电源电路

7、5 部分组成。 图 2-1简易水塔水位控制电路的总体框图 2.2 各单元电路的工作原理 该电路能够检测出水塔的水位，并且能够在不同的水位下通过两个水泵控制。当SS2时，两个水泵都关闭。并且通 过调节可变电阻 R1和 R2可以改变水位 S1,S2 的范围，该电路还能通过发光二极管显示水泵 放水的各种状态。 2.2.1 电源电路 电源电路的原理图如图2-2 所示。电路直接从电网供电，通过变压器、整流电路、滤波 电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成 +12V的直流电压。电路中变压器采用常规的 电 源 电 路 水位检测电路 水 位 范 围 测 量 电 路 水泵开关电路 显示电路 简易水塔水位控

8、制电路 3 铁心变压器， 电源变压器将交流电网电压220V变为合适的交流电压13V。整流电路采用二极 管桥式整流电路，整流电路将交流电压13V变为脉动的直流电压13V。C1 、C2、C3完成滤波 功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。稳压电路清除电网波动及负载变化的影响, 保持输出电压 12V的稳定。 图 2-2电源电路图 2.2.1.1 变压器： 采用常规的铁心变压器，将高压转变为低压。 整流电路： 采用二极管桥式电路，任务是将交流电换成直流电，这主要靠二极管的单向导电作用， T 为电源变压器， 作用是将交流电网电压变成整流电路要求的电压价。其优点是输出电压高， 纹波电压小，管子所承受的

9、最大反向电压底。 2.2.1.2 滤波电路： 由 C1，C2 ，C3，C4 构成，用于滤去整流输出电压中的纹波，本电路采用电容输入式， 电容具有平波作用。使纹波较小，适用于负载电压较高，负载变动不大的电路。 2.2.1.3 稳压电路： 采用三端稳压集成电路，有输入，输出和接地端，内部由启动电路，基准电压电路，取 样比较放大电路，调整电路和保护电路组成。电路中接入电容用来实现频率补偿防止稳压器 自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，另一方面以减少稳压电源输出端由输出电源引入的低 干扰。 2.2.2 水位监测和水位范围测量电路 简易水塔水位控制电路 4 如图 2-3 是水位监测和水位范围测量电路图。

10、图 2-3水位监测和水位范围测量电路图 水位范围测量电路由两部分组成, 第一部分是由电阻R1，R2 和稳压管 D1，D2构成的参 考电压的电路；第二部分是迟滞比较器构成的水位范围测量电路。 参考电压产生电路的功能是产生两个稳定的电压，这两个电压代表水位范围的上限值 VS2 和下限值 VS1 。电路采用电阻和稳压管结合的方式是由于参考电源残生电路的输出端接 入稳压管的输入端，以防止输出电流导致电源不稳定，其中稳压管的稳压电压为8V，而输出 VREF1=+8V ，VREF2=+4V 。 水位范围测量电路的功能有两个： 第一：是确定实际水位和水位控制范围的大小关系： VREF1和 VREF2 分别输

11、入到两个运 算放大器的同相输入端， VY则输入到反相输入端，它为 Y点的电位（ VP代表运算放大器同 相输入端的电位） 当 VTVP1 时，V1和 V2输出都为低电平。 其中可以通过判断VT、VREF1 、VREF2 的电位高低来确定水位的高低及范围大小。 第二： 本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来防止跳闸现象的出现。 2.2.3 水泵开关及显示电路 简易水塔水位控制电路 5 水泵开关及显示电路如图2-4 所示。 图 2-4水泵开关和显示电路图 如图 2-4 中电路所示，水泵的开关电路是由三极管电路和继电器电路构成的。电路的输 入即为图 2-4 的输出，由于水泵启动时的电流过大，致使直流电

12、流源无法提供大电流，因此 水泵需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须采用继电器电路。而一般的运算放大器的 输出电无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。其中R11和 R12为限流电阻，防止输 入电流过大烧毁三极管。三极管接为共射极电路，当输入为高电平时，三极管导通饱和，可 以将输入电流放大 倍；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接三 极管集电极，当有电流驱动时，开关吸合，对应的水泵工作；当无电流驱动时，开关断开， 对应的水泵不工作，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。可通过发光二极管亮灭来表 示水泵是否工作，同时由于继电器的驱动电流过大，需加入限流电阻（可用负载起到限

13、流的 作用） 。 3 主要元器件的工作原理及参数 3.1 变压器 变压器是电路中用来升压降压的电力变压器，变压器的原理是电磁感应技术, 变压器有 简易水塔水位控制电路 6 两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。分别叫做变压器的次级线圈和初级线圈。 电流的方向和大小随时间变化的, 变压器初级通上交流电时, 变压器的铁芯中产生了交 变的磁场（其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈），在次级就感应出频率 相同的交流电压 . 变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压, 不能 改变直流电压 , 因为直流电流是不会变化的, 电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级 线圈只能在直

14、接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。 变压器的主要参数： 电压比 n=U1/U2=N1/N2 效 率=P2/P1*100% 额定功率 PN 3.2 普通二极管 二极管为一个由p 型半导体和 n 型半导体形成的 p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷 层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流 和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和 自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置 时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的 反向饱和电流 I

15、0 。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n 结空间电荷层中的电场强度达到 临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称 为二极管的击穿现象。 p-n 结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。 图 3-1 二极管实物图 3.3 发光二极管 发光二极管简称为LED 。由镓（ Ga ）与砷（ AS ） 、磷（ P）的化合物制成的二极管，当电 简易水塔水位控制电路 7 子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示 灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化钾二极管发绿光，碳化硅二极 管发黄光。 它是半导体二极管的一种，

16、可以把电能转化成光能；常简写为LED 。发光二极管与普通 二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P 区注入到 N区的空穴和由 N区注入到 P区的电子，在 PN结附近数微米内分别与N区的电子 和 P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态 不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长 越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 发光二极管的核心部分是由P型半导体和 N型半导体组成的晶片， 在 P型半导体和 N 半 导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少

17、数载流子与多 数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN结加 反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫 发光二极管，通称LED 。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 LED阳 极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。发 光二极管的主要参数： 反向饱和电流 IS 额定正向电压 1.6 2.4V 正常工作电流 10mA 图 3-2发光二极管的实物图 3.4 三极管 半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功 能是电流放大和开关作用

18、。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的， 简易水塔水位控制电路 8 而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极( 用字母 b 表示)。其他的两 个电极成为集电极 ( 用字母 c 表示)和发射极 (用字母 e 表示) 。由于不同的组合方式，形成了 一种是 NPN 型的三极管，另一种是PNP型的三极管。 三极管的种类很多， 并且不同型号各有不同的用途。 三极管大都是塑料封装或金属封装， 常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN 型三极管，而箭头朝内 的是 PNP 型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。 图 3-3 NPN 型三极管符号 BJT的

19、开关作用对应于触点开关的“断开“ 和“闭合“ 。 如图 3-4(a) 所示为一个共发射极 晶体三极管开关电路。 (a) 电路(b) 工作状态图解 图 3-4 BJT 的开关工作状态 图 3-4(a) 中 BJT为 NPN 型硅管。电阻 Rb为基极电阻，电阻 Rc为集电极电阻，晶体三极 管 T的基极 b起控制的作用，通过它来控制开关开闭动作，集电极c 及发射极 e 形成开关两 个端点，由 b极来控制其开闭， c.e 两端的电压即为开关电路的输出电压vO。当输入电压 vI 为高电平时，晶体管导通，相当于开关闭合，所以集电极电压vc0，即输出低电平，而集 电极电流 iCVCC/RC。当输入电压vI为

20、低电平时，由图可见，晶体管截止，相当于开关断开， 所以得集电极电流iC0，而集电极电压vc V CC，即输出为高电平。这就是晶体三极管的理 简易水塔水位控制电路 9 想稳态开关特性。晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。晶体三极管输出特性 三个工作区，即截止区、放大区、饱和区, 如图 3-4(b) 所示。 如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态，就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极 管工作于开关的断开状态，就应该使之工作于截止区，发射极电流iE=0，这时晶体三极管处 于截止状态，相当于开关断开。集电结加有反向电压， 集电极电流 iC =I CBO， 而基极电流 iB =-I CBO。

21、说明三极管截止时， iB并不是为 0，而等于 - ICBO。 基极开路时， 外加电源电压 VCC使集电结反向偏置， 发射结正向偏置晶体三极管基极电流 iB=0时，晶体管并未进入截止状态，这时iE =i C =I CEO还是较大的。 晶体管进入截止状态，晶体管基极与发射极之间加反向电压，这时只存在集电极反向饱 和电流 ICBO，iB =- ICBO，iE=0，为临界截止状态。进一步加大基极电压的绝对值，当大于VBO 时，发射结处于反向偏置而截止，流过发射结的电流为反向饱和电流 IEBO，这时晶体管进入 截止状态 iB = -(I CBO + I EBO) ，iC = I CBO。 发射结外加正向

22、电压不断升高，集电极电流不断增加。同时基极电流也增加，随着基极 电流 iB的增加基极电位 vB升高，而随着集电极电流iC的增加，集电极电位vC却下降。当基 极电流 iB增大到一定值时，将出现 vBE =v CE的情况。这时集电结为零偏，晶体管出现临界饱 和。如果进一步增大iB，iB增大，使得集电结由零偏变为正向偏置，集电结位垒降低，集电 区电子也将注入基区， 从而使集电极电流 iC随基极电流 i B的增大而增大的速度减小。 这时在 基区存储大量多余电子 -空穴对，当 iB继续增大时，iC基本维持不变，即iB失去对iC的控制 作用，或者说这时晶体管的放大能力大大减弱了。这时称晶体管工作于饱和状态

23、。 一般地说， 在饱和状态时饱和压降VBE(sat) 近似等于 0.7 V，VCE(sat) 近似等于 0.3 V。由图 3-4 (a)可看 出，集电极电流 iC的增加受外电路的限制。由电路可得出 iC的最大值为 ICM = V CC / R C。晶体管 进入饱和状态，基极电流增大，集电极电流变化很小，iC=ICS=(VCC- VBE(sat)/R C晶体管临界饱 和时的基极电流 IBS =I CS/ =(VCC - V BE(sat)/RC.。 3.5 桥式整流电路 桥式整流电路由四个二极管组成，如图3-5 所示。 简易水塔水位控制电路 10 图 3-5桥式整流电路 工作原理： U2正半周时

24、 : D1、D3导通， D2、D4截止 U2负半周时： D2、D4 导通， D1 、D3截止 主要参数： 输出电压平均值： UL=0.9U2 输出电流平均值 :IL= UL/RL =0.9U2/ RL 流过二极管的平均电流：ID=IL/2 二极管承受的最大反向电压：25V100V 3.6 稳压二极管 稳压器二极管也叫齐纳二极管，稳压原理：给稳压二极管施加反向电压并使其值增大， 当反向电压之值达到稳压二极管的稳定电压时，其正常雪崩击穿，若在此情况下，一定范围 内改变电源电压的波动或改变负载电流的大小，齐纳电流IZ和动态电阻随之而改变，然而， 齐纳电压 UZ 却稳定不变。稳压二极管串联一个电阻来提

25、供一个稳定的参考电压VREF ，其中稳压 二极管选用 1N4735 ，其稳定电压为 6.2V，限流电阻 R13选用 1K。稳压二极管 1N4735的重要 参数： 最大工作电流 IZM 稳定电压 UZ=6.2V 动态电阻 RZ 3.7 集成运算放大器 简易水塔水位控制电路 11 集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级直接耦合放大 电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，如下图3-6 表示集成运放的内 部电路组成的原理框图。 图 3-6 集成运放的内部电路组成的原理框图 如图 3-6 集成运放的输入级一般是由BIT、JFET或 MOSFET 组成的差分式放大

26、电路，利 用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端构成整 个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或 多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻， 提高带负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。 其代表符号和输入输出传输特性如3-7 图所示。 图 3-7集成运放的输入输出特性 电压放大级输出级 偏置电流 差分输入级 VO VI VT+ VT- 简易水塔水位控制电路 12 4 设计个人心得体会 经历了这几天的课程设计终于算是完成了。这是我们第一次做课程设计，给我留下了很 深的印象。虽

27、然只是一个简单的设计，却让我感触颇深也使我受益匪浅。通过本周的课程设 计，我认识到自己的知识是如此的少，自己还要掌握的东西太多了，这激发了学习兴趣，增 强了思考和解决实际问题的能力。因为以前没有做过类似的设计，开始感觉无从下手，有许 多的地方不是很符合要求，等做过这次课程设计之后对以后的类似的课程设计以及毕业论文 都有很大得帮助。在最初拿到题目的时候感到有些无所适从，不知道从哪下手。但是经过查 阅一些资料和看一些相关的例子，还有同学们的帮助使我的思路逐渐的清晰起来，虽然在设 计过程中出现了很多的困难，但是通过自己的努力解决了一部分，剩下的也通过和同学讨论 以及上网查资料一一解决了。 虽然其中走

28、了很多的弯路， 但是我在这几天的时间里是充实的， 在这几天里使我对电工和电子课程有了更深一步的了解和掌握。这次的课程设计不仅丰富了 课本的理论知识，而且锻炼了自己的能力。 通过这次课程设计我意识到基础知识是如此的重要，悔恨自己以前没有认真的学习。因 此在今后的学习中我要牢固掌握基础知识，并且深入进去提出疑问可困惑，这样才能有所提 升。另一方面，因为我们是学电气的自认为有课本就行了，这次课程设计让我认识到我的眼 光是多么的短浅，课程设计让我不得不查找资料，但是，这反而激发了我的兴趣，每弄懂一 个知识点就让我感到很自豪。最后这次课程设计让我知道自己的动手能力和设计创新是如此 的欠缺。 简易水塔水位

29、控制电路 13 致谢 这次课程设计对于我来说可为困难重重，还好有同学的帮助和老师的指导。在这里我要 衷心的感谢那些帮忙的同学和和蔼可亲的方老师，没有你们的帮助这次设计不知结果会如 何，是你们的帮助让我了解更多的知识，同时也增加了我的自信， 在实际设计中越来越顺手。 在此衷心的感谢同学的热心帮助，尤要感谢老师的耐心指导，是他的指导才让我们的设计更 加完善合理，并让我们从中学到很多实践知识。 简易水塔水位控制电路 14 主要参考文献 1 李 银 华 , 电 子 线 路 设 计 指 导 . 北 京 ： 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ， 2005,89-101. 2 康 华 光 , 电

30、子 技 术 基 础 : 模 拟 部 分 . 北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ,2003,64-122. 3 康 华 光 , 电 子 技 术 基 础 : 数 字 部 分 . 北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ， 2000,28-58. 4 姚福安 , 电子电路设计与实践. 山东科学技术出版社，2001，14-23. 5 张 庆 双 等 , 实 用 电 子 电 路 . 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 2003,35-47. 6于 安 红 , 简 明 电 子 原 器 体 手 册 . 上 海 ： 上 海 交 通 大 学 出 版 社 ， 2005,12-18. 简易水塔水位控制

31、电路 15 附录（ 1） 元件清单表 符 号类 别数 目 R3， R4 可 变 电 阻 箱2 R1 ， R2 ， R5 ， R6 ， R9,R10,R11,R12 10 k 8 R7,R8 ， R13 ，R14 1 k 4 D1 ， D2 稳 压 管2 D3 ， D4 发 光 二 极 管2 D5, D6 普 通 二 极 管2 T1 ， T2 三 极 管2 K1 ， K2 继 电 器2 g,a,b 探 针3 T 变 速 箱1 C1 电 容 470 F 1 C2， C4 电 容 0.1 F 2 C3 电 容 47 F 1 U1 ， U2 LM324 2 U3 MC78L12CP 1 简易水塔水位控制电路 16 附录（ 2） 简易水塔水位控制原理总电路图