水塔水位控制器的課程設(shè)計(jì).doc

1、xxxxx學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 教學(xué)院部： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： xx 指導(dǎo)教師： xx 完成時(shí)間： 2011 年6月24日 報(bào)告成績： 評閱意見： 評閱老師： 日期： 目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求42方案比較與論證421各種方案比較與選擇422方案證論53總體設(shè)計(jì)框圖54選擇器件65單元模塊設(shè)計(jì)851信號產(chǎn)生部分852信號處理部分953水位顯示電路954 電機(jī)控制電路1055 報(bào)警控制電路116最終電路137結(jié)論148設(shè)計(jì)總結(jié)14 9. 謝辭. 15參考文獻(xiàn)16附錄17水塔水位控制器設(shè)計(jì)摘 要在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對水位進(jìn)行測量與監(jiān)控。水位控制在日常生活中的應(yīng)用也相當(dāng)

2、的廣泛，比如水塔，地下水，水電站等情況下的水位控制。而實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測可以有多種方法實(shí)現(xiàn)，比如機(jī)械控制，邏輯電路控制，機(jī)電控制等。本文采用數(shù)字電路進(jìn)行主控制。在水塔上安裝一個自動測水裝置。利用水的導(dǎo)電性能，連續(xù)地全天候地對水位進(jìn)行監(jiān)測，把測得的水位變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電平信號，主控電路根據(jù)電平信號經(jīng)74LS147編碼器編碼后，對電機(jī)進(jìn)行控制。以完成相應(yīng)水位顯示、故障報(bào)警等一些任務(wù)。完成對水塔水位的控制。關(guān)鍵詞： 水位控制 數(shù)字電路 74LS147 編碼器 In the industrial and agricultural production process, often need to measu

3、re and monitor the water level. Water level control in the daily life of the applications are very widely, such as water tower, groundwater, hydropower station of water level control. And to realize water level can have DuoZhong monitoring method, such as mechanical control, logic circuit, the mecha

4、nical and electrical control control and so on. This paper USES the digital circuit master control. In the installation of a water tower on automatic measurement device. Water Use water conductivity, continuously round-the-clock monitoring of water level, and the measurement of water level converted

5、 into the changes of the signal, the main control circuit according to level by level signal LS147 encoder coding, 74 after on the motor control. In order to complete the corresponding level display, fault alarm and so on some task. Complete control of the water level of water tower. Keywords: water

6、 level control digital circuit 74 LS147 encoder 1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求11設(shè)計(jì)并制作一個水塔水位控制器該控制器具有四個水位檢測輸入，由低到高分別為H1、H2、H3、H4；功率為10KW的水泵電動機(jī)分別為M1、M2；控制器根據(jù)水位狀態(tài)控制水泵工作。12控制要求1水位檢測，要求不受長期水泡工作環(huán)境影響；2當(dāng)水位低于H1時(shí)，M1與M2同時(shí)工作；當(dāng)水位高于H4時(shí)，M1與M2同時(shí)停機(jī)；3當(dāng)水位由H1上升到H3時(shí)，關(guān)掉M1；4當(dāng)水位由H4上升到H2時(shí)，打開M1；13備用泵控制要求當(dāng)兩臺工作水泵任一臺發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能檢測出故障，并使備用水泵投入工作，備用水泵投入后，

7、對故障水泵有相應(yīng)指示14題目評析該題目的選取充分考慮到水位控制器在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用，結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)以及所學(xué)知識。利用74LS147編碼器實(shí)現(xiàn)了對水位的監(jiān)控和電機(jī)控制。該電路簡單明了，難點(diǎn)在于邏輯電平信號的產(chǎn)生，以及編碼器邏輯電路的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有使用簡單，性能可靠，制作成本低廉，便于實(shí)現(xiàn)自動化等一系列優(yōu)點(diǎn)。該控制器適用性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2方案比較與論證21各種方案比較與選擇方案一：通過浮球開關(guān)來控制水位。利用電纜式浮球開關(guān)，通過一彈性電線與水泵連接。該控制器浮球易受外界雜物影響其穩(wěn)定性，特別是纖維狀的雜物纏繞而有失誤，同一小水箱里不宜使用多個，否則會相纏繞。使用壽命相對短些，而且多數(shù)

8、直接接220V,存在一定的安全隱患終有一天因?yàn)殡娋€破損而漏電傷人。方案二：采用555電路的電子水位控制器，該控制器采用555定時(shí)器作為主控電路的核心，該方案在555定時(shí)器的設(shè)計(jì)上比較難以實(shí)現(xiàn)。方案三：基于74LS147編碼器電路實(shí)現(xiàn)水位控制。該電路在實(shí)現(xiàn)過程中，相對簡單，成本低，可靠性高，安全便捷。因此將該方案確定為最終方案。22方案證論該方案是基于74LS147編碼器電路實(shí)現(xiàn)水位控制。當(dāng)水位處于不同水位時(shí)，把測得的水位變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電平信號，主控電路根據(jù)電平信號經(jīng)74LS147編碼器編碼后，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行控制。以完成相應(yīng)水位顯示，故障報(bào)警等一些任務(wù)。完成對水塔水位的控制。方案電路簡單，實(shí)現(xiàn)

9、簡單，在同類功能的控制器中，成本低廉，可靠性也能滿足一般用戶的基本要求。每部分電力都有其相應(yīng)的功能：首先由信號產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個電路的輸入信號，該信號經(jīng)過信號處理部分處理后輸出其他電力的控制信號，控制其他電力工作：電機(jī)控制電力部分接受到由信號處理電力輸出的有效控制信號后正常工作驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動抽水，使水位上升，而水位的變化又直接關(guān)系到信號的產(chǎn)生，因此有一個循環(huán)的過程，即使水位保持在一定范圍內(nèi)；水位顯示電路接受到有效信號后驅(qū)動顯示器工作使其顯示該時(shí)刻的水位；水位超限時(shí)輸出為報(bào)警電路的有效控制信號使報(bào)警電路工作驅(qū)動報(bào)警器報(bào)警。由“信號產(chǎn)生、信號處理、電機(jī)控制 、電機(jī)、信號產(chǎn)生”這個循環(huán)就能使水塔具有自動

10、控制水位的能力。3總體設(shè)計(jì)框圖由任務(wù)分析可知，該設(shè)計(jì)電路主要有三個功能：電機(jī)控制、水位顯示與報(bào)警。而要有這些功能就必須要有使其工作的控制信號，所以首先就必須要有輸入信號，因?yàn)槿蝿?wù)要求是自動控制所以輸入信號也必須由電路自己產(chǎn)生而不能人為加入。水位控制器主要由水位傳感器、電源電路和控制電路三部分構(gòu)成。整體電路框架如下圖所示。 圖 3.1電路設(shè)計(jì)圖4選擇器件1）本次課程設(shè)計(jì)所用器件如下表： 表4.1 元器件型號名稱數(shù)目74LS04非門474LS08兩輸入與門274LS20四輸入與非門274LS147優(yōu)先編碼器274LS32兩輸入與門2圖4.2 74LS147邏輯符號2) 74LS147為優(yōu)先編碼器，

11、在同時(shí)輸入多個數(shù)字時(shí)，只對最大數(shù)字進(jìn)行編碼其功能表如下圖。表4.3 功能表3）非門的應(yīng)用當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出等于低電平，而輸入為低電平時(shí)輸出等于高電平。因此輸出與輸入的電平之間是反向關(guān)系。 4）或門的應(yīng)用 或門是實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算的門電路，當(dāng)輸入中有高電平時(shí)輸出等于高電平，而輸入中全為低電平時(shí)輸出等于低電平。 5）與門的應(yīng)用與門是實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算的門電路，當(dāng)輸入中有低電平時(shí)輸出等于低電平，而輸入中全為高電平時(shí)輸出等于高電平。5單元模塊設(shè)計(jì)各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)51信號產(chǎn)生部分 該部分的目的是產(chǎn)生有效的輸入信號。主要原理是利用水的弱導(dǎo)電性。水屬于弱導(dǎo)電質(zhì)，即使這樣也可以通過水來傳遞微弱的電信號。鑒于此原

12、理，初步將該部分設(shè)計(jì)成由水面的上升與下降來控制電信號的接通與斷開：當(dāng)水位上升時(shí)接通電信號；當(dāng)水位下降時(shí)斷開電信號。按此析，只要在水塔里放上用來傳遞電信號的探頭，則水位上升到探頭位置時(shí)接通電信號；水位低于探頭位置時(shí)斷開電信號。把電信號接通時(shí)設(shè)為有效信號即當(dāng)作控制信號。在水塔的不同放置幾個探頭時(shí)就可以根據(jù)水位的高低接通某些探頭和斷開某些探頭。因此只要知道每個探頭的具體位置，在根據(jù)其輸出電信號的情況就能大致確定水位的位置，將探頭輸出的電信號當(dāng)作輸入信號經(jīng)過處理后成為電路的控制信號。 設(shè)計(jì)該部分主要在于探頭個數(shù)的選擇與探頭放置位置的選擇。因?yàn)樘筋^的個數(shù)直接關(guān)系到水位檢測的精確度：探頭個數(shù)越多檢測點(diǎn)也就

13、越多檢測水位就越準(zhǔn)確。但如果探頭太多就會給其他電力設(shè)計(jì)帶來麻煩：一個是信號處理的輸入端要多，一個是水位顯示也要相應(yīng)的增加，加大了工作量。根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)的要求，一水塔有四水位，令該水塔水位低于1時(shí)報(bào)警，因此可以將探頭個數(shù)設(shè)計(jì)為4個，分別檢測4個點(diǎn)的水位。 圖 5.1 信號發(fā)生器52信號處理部分該部分主要是對輸入信號進(jìn)行處理輸出其他電路的控制信號。由于水的導(dǎo)電性十微弱，由公共端通過探頭的電信號會很小，不一定能夠成為滿足電路工作的控制信號，因此有必要先對輸入信號進(jìn)行放大處理。根據(jù)元器件的功能可知，晶體管具有放大、飽和和截止三種工作狀態(tài)，可選用一種狀態(tài)輸入信號進(jìn)行處理。圖5.2信號處理電路由探頭出來的電

14、信號輸入到信號輸入端，由信號輸出端輸出。當(dāng)有電流從公共電極流入探頭時(shí)，經(jīng)過電阻R到達(dá)晶體管Q的基極，此時(shí)三極管的發(fā)射結(jié)合集電結(jié)電壓都正偏。當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓超過三極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，由晶體管的工作條件可知此時(shí)其處于飽和狀態(tài)，即相當(dāng)于開關(guān)的閉合狀態(tài)，接通集電極與發(fā)射極，使集電極輸出低電平。只要涉及電阻R的阻值合理，就能比較穩(wěn)定地使晶體管工作。53水位顯示電路該部分主要是用74LS147將信號編為四水位由數(shù)碼管顯示出來其電路圖如下54 電機(jī)控制電路該部分為整個設(shè)計(jì)電路的重點(diǎn)部分，也是難點(diǎn)部分。主要目的即是要靠那個值電機(jī)的工作通過控制電機(jī)的工作來控制水位，這也就是本實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)目的。由任務(wù)的設(shè)計(jì)要求：要將

15、水塔的水位控制在1-4水位。即水位低于1時(shí)使兩臺電機(jī)工作升到3時(shí)使一臺電機(jī)停止工作，水位升到4時(shí)兩臺電機(jī)停止。而由信號產(chǎn)生部分設(shè)計(jì)可知，要將電信號1，3和4設(shè)計(jì)為控制電機(jī)轉(zhuǎn)動和停止的控制信號。而該電信號通過編碼處理后輸出為四位二進(jìn)制碼0001，0011和0100所以就是要使輸出信號為0001，0011和0100時(shí)控制電機(jī)工作。表5.4.1電機(jī)控制邏輯電平真值表ABCM1M20001110011010111100100100圖5.4.2 水位數(shù)碼管顯電路仿真圖圖5.4.3電機(jī)控制電路由電路圖可知，該電路主要由三個部分組成：兩輸入與門、或門、電機(jī)。電機(jī), 電路工作原理：假設(shè)剛開始水塔的水位在1時(shí)，

16、使兩臺電機(jī)接通工作抽水，當(dāng)水位上升到3時(shí)，關(guān)掉一臺電機(jī)，當(dāng)水位上到4時(shí)關(guān)掉兩臺電機(jī)，當(dāng)為0001,0000,0010，時(shí)兩或門輸出均為一，兩電機(jī)工作，當(dāng)信號變?yōu)?011時(shí)上邊或門輸出為0，下邊或門輸出為1，一臺電機(jī)停止工作，當(dāng)信號變?yōu)?100時(shí)，兩或門輸出0，電機(jī)全部停止工作。該電路所用的元器件已經(jīng)標(biāo)在圖上。反相器7404，或門為071，與門為7400。55 報(bào)警控制電路 根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)要求只要將編碼處理輸出的信號DCBA為0000時(shí)設(shè)為報(bào)警電路的控制信號即可。該電路主要由四輸入與非門、反相器、或門、報(bào)警器構(gòu)成。 當(dāng)水位低于1時(shí)編碼器編碼輸出的信號DCBA為0000 ，再經(jīng)過反相器輸入到四輸入或

17、非門輸入端后輸出為低電平再經(jīng)過反相器后變?yōu)楦唠娖?。該高電平通過或門后驅(qū)動報(bào)警器工作，報(bào)警時(shí)備用電機(jī)開始工作，損壞電機(jī)支路指示燈熄滅。因此可以通過報(bào)警器來判斷整個控制電路的工作是否正常。四輸入與非門選用7420，反相器為7404，或門為4071，報(bào)警器用小燈泡來代替。圖5.5水位報(bào)警電路6最終電路圖6.1水位控制最終電路仿真圖7結(jié)論水位控制器是近年來開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是傳感器、硬件、軟件等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，作為水塔水位控制裝置，其主要任務(wù)是保證水塔的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，減輕工作人員的勞動強(qiáng)度。采用集成電路，能對水塔水位進(jìn)行自動檢測、自動控制等多項(xiàng)功能。從而來實(shí)現(xiàn)半自動化或者全自動化。

18、該水位控制器在設(shè)計(jì)中由于作者水平有限，其電路設(shè)計(jì)方面還存在許多的不足，有待改進(jìn)，所使用芯片也較多，不利于二次開發(fā)，維護(hù)比較困難。8設(shè)計(jì)總結(jié)在這次水位控制器的課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了許多的知識，知道了做好一件事是并非想象中那么簡單，不是了解了老師教的東西和書本里的知識就可以做好，事實(shí)不是想象中那樣的完美，做事也不能想當(dāng)然，在現(xiàn)實(shí)生活中有許多未知的困難在等著我們，有時(shí)會令人煩躁，有些時(shí)候像無頭的蒼蠅到處瞎撞，不過也磨練了我的意志，讓我學(xué)會了堅(jiān)持。通過此次課程設(shè)計(jì)，把模電和數(shù)電的知識都融進(jìn)了水位控制器的設(shè)計(jì)中，讓零碎的東西整合了一個有機(jī)的整體。在這次課程設(shè)計(jì)中,我了解到了實(shí)際動手操作和理論相結(jié)合的重要性

19、,知道凡事不能想當(dāng)然，得以科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性去對待課程設(shè)計(jì)，在李老師的耐心幫助下,自己的認(rèn)真努力下,最終得到圓滿。經(jīng)過這次的課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺！其一，我們必須掌握一些必備的常識，比如，電容引腳的判定。這就要求我們熟練課本。其二，我們必須用科學(xué)的態(tài)度對待我們在實(shí)驗(yàn)中所遇到的問題。應(yīng)該以作為一個工程人員應(yīng)用的素質(zhì)去面對，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持冷靜，測試有條理。遵循物質(zhì)客觀規(guī)律，不隨便改寫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其三，自己平時(shí)要多動手、多動腦，這樣當(dāng)問題來臨時(shí)你就不會手忙腳亂。該多畫就多畫些，以便能增加你對該軟件的熟練度。用起來稱心如意，這樣就不會浪費(fèi)時(shí)間。 其四，要注意試驗(yàn)安全，不要輕易地嘗試不安全接法。在做設(shè)計(jì)時(shí)必須講求產(chǎn)品的實(shí)用性及美觀性。這就要求我們對所需器件進(jìn)行合