自來水塔水位自動控制設計畢業(yè)設計說明書

1、 信息職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計說明書(論文) 設計題目: 自來水塔水位自動控制設計 專 業(yè): 應用電子技術 班 級: 學 號: 姓 名: 指導教師: 2009 年 12 月 12 日 息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）任務書息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）任務書 學 生 姓 名 學號班級 應電 07-2 專業(yè)應用電子技術 設計（或論文）題目自來水塔水位自動控制 指導教師姓名職 稱工作單位及所從事專業(yè)聯(lián)系方式備 注 高講工程系 設計（論文）內(nèi)容： 1、查閱 ne555 的相關資料，了解此方面的發(fā)展狀況； 2、掌握相關方面的技術 3、設計、實現(xiàn)該系統(tǒng)； 4、撰寫設計報告 進度安排： 37 周：根據(jù)要求設計

2、出方框圖和原理電路圖。根據(jù)電路分析其工作原理。 810 周：根據(jù)電路準備電子元件. 1114 周：制作出電路板,安裝并調(diào)試，測試出相應的技術指標； 1518 周：根據(jù)調(diào)試分析其優(yōu)缺點和提出整改措施，完成論文； 主要參考文獻、資料(寫清楚參考文獻名稱、作者、出版單位)： 1 高吉祥電子技術基礎實驗與課程設計北京：電子工業(yè)出版社，2002 年 2 彭介華電子技術課程設計指導北京：高等教育出版社，1997 年 3 畢滿清電子技術實驗與課程設計北京：機械工業(yè)出版社，2001 年 審 批 意 見 教研室負責人： 年 月 日 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) - - 目目 錄錄 摘要摘要.1 第

3、第 1 章章 緒論緒論.2 第第 2 章章 設計框圖及電路系統(tǒng)概述設計框圖及電路系統(tǒng)概述.3 2.1 目的.3 2.2 設計框圖.3 2.2.1 設計方框圖.3 2.3 元器件簡介.4 2.3.1 ne555 介紹.4 第第 3 章章 電路工作原電路工作原.10 3.1 總體電路圖.10 3.2 電路工作原理分析.10 第第 4 章章 ewb 軟件仿真軟件仿真.12 4.1 上水過程.12 4.1.1 電路仿真現(xiàn)象.12 4.1.2 電路工作原理.12 4.2 水滿時.13 4.2.1 電路仿真現(xiàn)象.13 4.2.2 電路工作原理.13 4.3 水下降時.14 4.3.1 電路仿真現(xiàn)象.14

4、4.3.2 電路工作原理.14 4.4 水低于最低點.15 4.4.1 電路仿真現(xiàn)象.15 4.4.2 電路工作原理.15 總總 結結.16 致致 謝謝.17 參考文獻參考文獻.18 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) - i - 附錄一：整機電路圖附錄一：整機電路圖.19 附錄二：元件明細表附錄二：元件明細表.20 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 0 頁 摘 要 本文設計了自來水自動控制電路。其理論依據(jù)是以 ne555 的工作特性為核心。 缺水時自動上水，水滿時自動斷水等功能。本電路工作原理簡單，組成結構簡單、 制造成本低、使用方便、使用壽命長等特點。本例電路專門用于

5、自來水塔水位的 自動控制。當水位低于最低水位時，自動將供水泵啟動上水；當水位達到最高 水位時；自動停止上水，不用人工控制。該電路的特點是通過一只中間繼電器來 接通大功率的交流接觸器，控制上水 水泵電動機的啟動。這是由于 555 電路的 輸出功率較小，不能驅動大功率的交流接觸器。 關鍵詞： 三極管 繼電器 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 1 頁 第 1 章 緒論 自來水塔在的發(fā)展越來越快，自來水塔有很多類型，按建筑材料分為鋼 筋混凝土水塔、鋼水塔、磚石支筒與鋼筋混凝土水柜組合的水塔。水柜也可用鋼 絲網(wǎng)水泥、玻璃鋼和木材建造。過去歐洲曾建造過一些具有城堡式外形的水塔。 法國有一座多

6、功能的水塔，在最高處設置水柜，中部為辦公用房，底層是商場。 中國也有煙囪和水塔合建在一起的雙功能構筑物。按水柜形式分為圓柱殼式和倒 錐殼式。在中國這兩種形式應用最多，此外還有球形、箱形、碗形和水珠形等多 種。支筒一般用鋼筋混凝土或磚石做成圓筒形。支架多數(shù)用鋼筋混凝土剛架或鋼 構架。水塔基礎有鋼筋混凝土圓板基礎、環(huán)板基礎、單個錐殼與組合錐殼基礎和 樁基礎。當水塔容量較小、高度不大時，也可用磚石材料砌筑的剛性基礎。 本例電路專門用于自來水塔水位的自動控制。當水位低于最低水位時，自 動將供水泵啟動上水；當水位達到最高水位時；自動停止上水，不用人工控制。 該電路的特點是通過一只中間繼電器來接通大功率的

7、交流接觸器，控制上水 水泵電動機的啟動。這是由于 555 電路的輸出功率較小，不能驅動大功率的交 流接觸器。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 2 頁 第 2 章 設計框圖及電路系統(tǒng)概述 2.1 目的 1掌握振蕩器 555 的工作原理和各管腳的功能。 2掌握自己實際操作動手能力的形成和進一步提高。 3鍛煉自己對所學理論知識和技能的綜合運用能力。 4提高自己對文獻資料的搜索和信息處理能力。 5培養(yǎng)自己對社會普通科學知識的了解。 6增強自身的知識見解和設計論文的方法。 2.2 設計框圖 2.2.1 設計方框圖 根據(jù)電路所要完成的功能和達到的效果。我們得到下面的電路框圖。 1.方框圖

8、2.方框圖的功能 水塔里的水位決定控制電路的工作狀態(tài)，控制電路決定電動機工作與否，電動機 工作上水決定水塔里的水位，電源給控制電路和電動機供電。 圖 2-1 設計框圖 電動機 電 源 供 電 水塔 控制電路 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 3 頁 2.3 元器件簡介 2.3.1 ne555 介紹 ne555 (timer ic)大約在 1971由 signetics corporation 發(fā)布，在當時是 唯一非常快速且商業(yè)化的 timer ic，在往后的 30非常普遍被使用，且延伸 出許多的應用電 ，盡管近來 cmos 技術版本的 timer ic 如 motorola 的

9、mc1455 已被大量的使用，但原規(guī)格的 ne555 依然正常的在市場上供應，盡管 新版 ic 在功能上有部份的改善，但其腳位勁能并沒變化，所以到目前都可直 接的代用。 ne555 是屬于 555 系列的計時 ic 的其中的一種型號， 555 系列 ic 的接腳 功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生 的振蕩頻率也不大相同；而555 是一個用途很廣且相當普遍的計時ic，只需 少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號。 1. ne555 的特點有： （1）.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時 范圍極廣，可由幾微秒至幾

10、小時之久。 （2）.它的操作電源范圍極大，可與ttl，cmos 等邏輯閘配合，也就是它 的輸出準位及輸入觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 （3）.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。 （4）.它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。 2.內(nèi)部方框圖 圖 2-2 555 內(nèi)部電路圖圖 2-3 555 管腳排列圖 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 4 頁 3. ne555 引腳位配置說明下： 腳(接地) -地線(或共同接地 ) ，通常被連接到電路共同接地。 腳(觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā) ne555 使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號 上緣電壓須大于 2/

11、3 vcc，下緣須低于 1/3 vcc 。 腳(輸出) -當時間周期開始 555 的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7 伏的高電位。周期的結束輸出回到o 伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出 電流大約 200 ma 。 腳(重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一 個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 腳(控制) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計時器經(jīng)營 在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下 ,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 腳(重置鎖定 ) -重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從1/3 vcc 電壓以下移至 2/3 vcc 以上時啟動這個動作。 腳(

12、放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為 on 時為 low，對地為低阻抗，當輸出為off 時為 high，對地為高阻抗。 腳(v +) -這是 555 個計時器 ic 的正電源電壓端。供應電壓的范圍是 +4.5 伏特(最小值)至+16 伏特(最大值)。 ic1 選用 555 振蕩器，它的內(nèi)部電路如圖 2-2 所示，管腳排列圖如圖 2-3 所示。 4.555 振蕩器的工作原理： 電阻分壓器由三個阻值都是 5k 電阻構成，其作用是為電壓比較器 a1、a2提供 基準電壓。a1、a2組成電壓比較器，當控制電壓輸入端 cont 懸空時，a1、a2的基 準電壓分別為 2/3vcc

13、 和 1/3vcc。a1的反相輸入端 thres 稱為 555 振蕩器的高觸發(fā) 端， a2的同相輸入端 trig 稱為 555 振蕩器的低觸發(fā)端。比較器 a1的輸出作為置 0 輸入端，比較器 a2的輸出作為置 1 輸入端。reset 是驅動脈沖發(fā)生器的復位輸入 端 vr 是集電極開路的三極管，vr 的集電極作為定時器的引出端 disch，非門是緩 沖器，其作用是提高電路的負載能力。 利用 555 定時器可以構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 5 頁 圖 2-4 用 555 定時器接成的施密特觸發(fā)器 圖 2-5 電路的電壓傳輸特性 四川信

14、息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 6 頁 只要將 555 定時器的 2 號腳和 6 號腳接在一起，就可以構成施密特觸發(fā)器圖 2- 4。我們簡記為“二六一搭” 。這個施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是反相的圖 2-5。 5 號腳接控制電壓 vco時，正向閾值電壓和負向閾值電壓分別為 vco和。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 7 頁 將 555 定時器的 6 號腳和 7 號腳接在一起，并添加一個電容 c 和一個電阻 r， 就可以構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖 2-6。電容接在電源與 6 號腳之間，電阻接在 7 號腳和 地之間。我們簡記為“七六一搭，下 c 上 r。這個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是負脈沖觸

15、發(fā)的。 穩(wěn)態(tài)時，這個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平。暫穩(wěn)態(tài)時，這個觸發(fā)器輸出高電平。5 號 腳懸空時，輸出脈沖寬度為 rcln3。5 號腳接控制電壓 vco時，輸出脈沖寬度為 （2-2） cocc cc vv v rc ln 圖 2-7 用施密特觸發(fā)器構成的多諧振蕩器 圖 2-6 用 555 定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 8 頁 我們知道，利用施密特觸發(fā)器可以構成多諧振蕩器 圖 2-7。理論上，我們只 需要添加一個電阻和一個電容即可。 電阻和電容構成一個 rc 積分電路，其輸入端接施密特觸發(fā)器的輸出端，其輸 出端接施密特觸發(fā)器的輸入端。用 555 定時器構成

16、多諧振蕩器就是用的這個思路。 于是，我們先用 555 定時器構成一個施密特觸發(fā)器，然后再把這個施密特觸發(fā)器改 接成多諧 振蕩器圖 2-8。不過，我們這個施密特觸發(fā)器稍微復雜一些，除了“二六一搭”以 外，又增加了一個電阻 r1。r1 與 555 定時器內(nèi)部的放電管 td 構成了一個反相器。 邏輯上，這個反相器的輸出與 555 定時器的輸出完全相同。因此，這個施密特觸發(fā) 器有兩個輸出端，分別為 555 定時器的 3 號腳和 7 號腳。我們看到，電阻 r2 和電容 c 構成了 rc 積分電路，施密特觸發(fā)器的一個輸出端（7 號腳）接 rc 積分電路的輸 入端，rc 積分電路的輸出端接施密特觸發(fā)器的輸入

17、端。這樣，一個多諧振蕩器就成 圖 2-8 用 555 定時器接成的多諧振蕩器 圖 2-10 cd4017 管腳排列 圖 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 9 頁 了。也許有人會問，為什么要用兩個輸出端的施密特觸發(fā)器呢？一個輸出端的施密 特觸發(fā)器也可以呀！因為施密特觸發(fā)器的另外一個輸出端（3 號腳）專門作為多諧 振蕩器的輸出，所以我們可以最大限度地保證多諧振蕩器的帶負載能力。這個多諧 振蕩器可以驅動小型繼電器！ 信號由 555 時基電路 7 腳輸出，經(jīng)過 r2 和電容 c 構成的 rc 積分電路，由 vc2 的正極輸入在 rs 觸發(fā)器內(nèi)部處理后經(jīng)過非門對低平信號反向放大輸出高電平，

18、 形成延時電路，本電路大約延長時間 1 分鐘。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 10 頁 第 3 章 電路工作原 3.1 總體電路圖 3.2 電路工作原理分析 本例電路專門用于自來水塔水位的自動控制。當水位低于最低水位時，自動將 供水泵啟動上水；當水位達到最高水位時；自動停止上水，不用人工控制。該電路 的特點是通過一只中間繼電器來接通大功率的交流接觸器，控制上水水泵電動機的 啟動。這是由于 555 電路的輸出功率較小，不能驅動大功率的交流接觸器。 電路中，ne555 組成 r-s 觸發(fā)器，作為主控電路。r1、r3 與 r4 組成輸入端分 壓偏置電路，它將 r-s 觸發(fā)器的 r

19、端與 s 端分別偏置在既不大于 2v/3，也不小于 vdd/3 的中間狀態(tài)。三個探測電極 a、b、c 在水塔中的位置如圖 3-1 所示。 3-1 整機電路圖 4 3 ne555 8 2 6 51 c2 0.01uf c3 0.01uf c1 100uf vd1vd4 in4001 d k2 k1 a c b t 水塔 220v r1 10k r3 30k r4 30k vd5 r2 20k 12v jqx-4 k1-1 -12v 零線 380v + 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 11 頁 當水塔中的水處于滿水位置時，電源電極 a 通過水電阻與 b、c 電極相連，使 r-s 觸

20、發(fā)器的 r、s 端均為高電平，r-s 觸發(fā)器輸出端為低電平，繼電器 k 通電吸合， 通過常閉觸點 k1-1 將交流接觸器 k2 的電源斷開，上水水泵處于停歇狀態(tài)。 當水位下降使電極 c 脫離水位后，雖然 ne555腳電壓下降了，但它對電路不 起觸發(fā)作用，電路仍保持原輸入狀態(tài)。 當水位繼續(xù)下降使電極 b 脫離水位后，由于 ne555 的、腳均被懸空，腳 上的電壓遠遠小于 vdd/3。r-s 觸發(fā)器翻轉，輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?，繼電器 k 斷電釋放，它的常閉觸點 k1-1 將交流接觸器 k2 的電源接通。交流接觸器通電吸合， 接通了上水泵的工作電源，水泵運轉進入送水過程。 在上水過程中，當水位上

21、升使電極 a、b 接觸后，通過水電阻與 r2 將電源電壓 加至腳，使 r-s 觸發(fā)器的 s 端出現(xiàn)高電平，但這一高電平對電路不起觸發(fā)作用。 電路保持原狀態(tài)，上水過程繼續(xù)。當水位進一步上升使電極 a、c 連通后，電源電 壓通過水電阻與 r1 加至腳，使 r-s 觸發(fā)器的 r 端出現(xiàn)高電平。這一高電平作為 r-s 觸發(fā)器的復位電平，使電路復位，輸出端輸出低電平，繼電器 k 通電吸合，通 過常閉觸點 k1-1 將交流接觸器的電源斷開，接觸器斷開水泵工作電源，上水停止。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 12 頁 第 4 章 ewb 軟件仿真 4.1 上水過程 4.1.1 電路仿真現(xiàn)象

22、switch 1 key 閉合，switch 2 key 斷開，燈泡亮。 4.1.2 電路工作原理 switch 1 key 閉合，switch 2 key 斷開，就相當于水塔中的水高于 b 點低于 c 點， 此時燈泡亮，相當于水泵工作，水塔上水。電極 a、b 接觸后，通過水電阻與 r2 將 電源電壓加至腳，使 r-s 觸發(fā)器的 s 端出現(xiàn)高電平。 圖 4-1 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 13 頁 4.2 水滿時 4.2.1 電路仿真現(xiàn)象 switch 1 key 和 switch 2 key 都閉合，燈泡熄滅。 4.2.2 電路工作原理 把 switch 1 key 和

23、switch 2 key 都閉合，此時燈泡熄滅，相當于水泵停止工作， 水塔不再上水；上水過程完畢，水滿了。水塔中的水處于滿水位置時，電源電極 a 通過水電阻與 b、c 電極相連，使 r-s 觸發(fā)器的 r、s 端均為高電平，r-s 觸發(fā)器輸 出端為低電平。 圖 4-2 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 14 頁 4.3 水下降時 圖 4-3 4.3.1 電路仿真現(xiàn)象 斷開 switch 2 key，switch 1 key 任閉合，燈泡不亮。 4.3.2 電路工作原理 若又斷開 switch 2 key，switch 1 key 任閉合，燈泡不會亮，這相當于水塔中的 水下降至 c

24、點以下 b 點以上，水泵不工作。電極 c 脫離水位后，雖然 ne555腳電 壓下降了，但它對電路不起觸發(fā)作用，電路仍保持原輸入狀態(tài)。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 15 頁 4.4 水低于最低點 4.4.1 電路仿真現(xiàn)象 switch 1 key 和 switch 2 key 都斷開，燈泡亮。 4.4.2 電路工作原理 把 switch 1 key 和 switch 2 key 都斷開，就相當于水塔中的水低于水塔中的 b 點，此時燈泡亮，相當于水泵工作，水塔在上水。電極 b 脫離水位后，由于 ne555 的、腳均被懸空，腳上的電壓遠遠小于 vdd/3。r-s 觸發(fā)器翻轉，輸出

25、端由低 電平變?yōu)楦唠娖健?圖 4-4 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 16 頁 總 結 這次我的畢業(yè)設計是自來水塔自動控制電路的設計，設計比較突出的特點是控 制。通過這次設計使我對自來水自動控制電路的組成與工作原理有了更深的認識。 設計花費了我大量的時間與精力，這是我們大學三年學習的重要成果，設計具有系 統(tǒng)性它將我們所學到的知識有機的結合起來，涉及到多方面的知識，所以我們必須 認真對待，專心完成每個任務要求，通過反復檢查、修改和調(diào)試，最終設計如期的 完成。從理論和實踐上我都得到了很大的提高，這次任務的完成使我學到了很多東 西。首先，豐富了自己的知識面，學到了以前沒能學通的東西，

26、具體了解了怎樣去 完成一個電路的設計：從流程圖、電路圖、制作與焊接電路板、檢查電路板、仿真 到測試。知道怎樣選擇這種電子線路中的元器件、怎樣確定其相關參數(shù)；鞏固了電 子線路的基礎知識與 ewb 軟件的使用能力提高了自己動手的能力；學到了很多經(jīng)驗 并且提高了自己分析問題的能力和創(chuàng)新能力；得到了理論聯(lián)系實際的機會。使自己 在實際設計方面樹立了信心，為以后從事這方面的工作打好了基礎，這也是這次畢 業(yè)設計的最大收獲。以及學習到圖書室查閱相關書籍獲取有用的信息這種好的方法， 在今后的學習、工作中是很重要的，只有不斷地學習才會有進步。 這次的畢業(yè)設計總的來說還是很成功的，自己從中學到很多，也發(fā)現(xiàn)了不少問

27、題，為自己以后的學習進步打下了不錯的基礎。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文) 第 17 頁 致 謝 在畢業(yè)設計接近尾聲之時，我要衷心地感謝我的指導老師趙文宣老師，在我整 個畢業(yè)設計過程中，趙老師給了我很大的幫助和細心的指導，在遇到問題時，趙老 師總是細心給我解答。趙老師的言傳身教，讓我們學會了以前在課堂上沒有的東西。 同時還要感謝在我的整個畢業(yè)設計中所有幫助過我的老師，感謝曾經(jīng)教育過我的老 師。是你們給與了我最基礎的知識使我在此時得以綜合利用。正是因為有各位老師 的幫助和指導才使我的畢業(yè)設計能夠順利的完成。在此，對你們表示衷心的感謝！ 祝愿你們工作順利，心想事成。 趙老師，在我整個畢

28、業(yè)設計過程中給了我很大的幫助和細心的指導，在遇到問 題時，向老師總是細心給我解答；在我失敗時，他給我打氣；在我咬牙堅持時，他 給我加油。讓我們學會了以前在課堂上沒有的東西。同時還要感謝所有教導過我的 老師，在校期間對我的幫助與教誨，我永遠不會忘。你們的音容笑貌仍舊不時浮現(xiàn) 在我的眼前。各位老師鮮明地個性特點和人格魅力將是我回憶中的大學生涯重要的 組成部分。“不積跬步無以至千里”，這次畢業(yè)論文能夠最終順利完成，歸功于各位 老師的認真負責，使我能夠很好的掌握專業(yè)知識，并在畢業(yè)論文中得以體現(xiàn)。也正 是你們長期不懈的支持和幫助才使得我的畢業(yè)論文最終順利完成。最后，再次表示 衷心感謝：謝謝你們，謝謝你們的辛勤栽培。 衷心的感謝我的指導趙老師給予了精心的指導和熱情的幫助，尤其在課題設計 的前期準備階段和本人的數(shù)據(jù)庫的設計階段，趙老師提出許多寶貴的設計意見，在 最后的測試修改階段趙老師在百忙之中抽出時間為我們提供了必要的幫助，這樣使 得我們得以順利的完成畢業(yè)設計開發(fā)工作，在短暫的一個月的相處時間里，老師淵 博的知識、敏銳的思路和實事求是的工作作風給我留下了深刻的印象，這將使得我 終身受益，謹此向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。 四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明