水位自動控制裝置

1、貞眉內(nèi)容遼寧工業(yè)大學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）目：水位自動控制裝置院（系人專業(yè)班級：學(xué) 號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：教師職稱：起止時間：12貞眉內(nèi)容課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電子與信息工程學(xué)院教研室：電子信息工程號學(xué)S 一課e 一課程設(shè)計(論文)任務(wù)人電至 怖亂宿臓確 4zrtIt 勻|* o 、,、 fi-2E NV 設(shè) 1 動 2 3 4 設(shè) 1 環(huán) 2bk3 設(shè)4.H指導(dǎo)教師評語及成績?nèi)赵?: 年 成頁腳內(nèi)【0貞眉內(nèi)容目錄第1章水位自動控制裝置設(shè)計方案論證1.1水位自動控制裝置的應(yīng)用意義11. 2水位自動控制裝置設(shè)計的要求及技術(shù)指標(biāo)213總體設(shè)計方案框圖及分析2第2章水位自動控制

2、裝置各單元電路設(shè)計2. 1信號產(chǎn)生部分32.2 信號處理部分42. 3水位顯示電路62.4電機(jī)控制電路82.5報警控制電路9第3章水位自動控制裝置整體電路設(shè)計11設(shè)計總結(jié)12參考文獻(xiàn)12第1章水位自動控制裝置設(shè)計方案論證1.1水位自動控制裝置的應(yīng)用意義水位控制器是近年來開發(fā)的一項新技術(shù)，它是傳感器、硬件、軟件等兒項技術(shù)緊密12貞眉內(nèi)容結(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 等多項功能。山于我國水位測量操作水平落后，工作人員過多，但是現(xiàn)在水位控制器為 水位控制開辟了廣闊的前景。1.

3、 2水位自動控制裝置設(shè)計的要求及技術(shù)指標(biāo)1、水位自動控制在一定范圍內(nèi)（如2-6米），當(dāng)水位低至2米時使電機(jī)啟動, 帶動水泵上水；當(dāng)水位升至6米時，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。2、因特殊情況水位超限（如高至7米、低至1米）報警器報警。3、設(shè)有手動按鍵，便于隨機(jī)控制。4、由數(shù)碼管直觀顯示當(dāng)前水位。1. 3總體設(shè)計方案框圖及分析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 電力部分接受到山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，而水位的變化乂直接關(guān)系到信號的產(chǎn)生，因此有一個循環(huán)的

4、過程，即使水位 保持在一定范圉內(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刻的 水位；水位超限時輸出為報警電路的有效控制信號使報警電路工作驅(qū)動報警器報警。由“信號產(chǎn)生F言號處理f電機(jī)控制T電機(jī)T信號產(chǎn)生”這個循環(huán)就能使水塔具有 自動控制水位的能力。由任務(wù)分析可知，該設(shè)計電路主要有三個功能：水位控制、水位顯示與報警。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，因為任務(wù) 要求是自動控制所以輸入信號也必須山電路自己產(chǎn)主而不能人為加入。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。整體電路框架如圖所示：報警器報警控制信號處理12貞眉內(nèi)容顯示器圖

5、總體設(shè)計框圖第2章水位自動控制裝置各單元電路設(shè)計2.1信號產(chǎn)生部分該部分的LI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。鑒于此原理，初步將該部分設(shè)計成 山水面的上升與下降來控制電信號的接通與斷開：當(dāng)水位上升時接通電信號；當(dāng)水位下 降時斷開電信號。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 頭位置時接通電信號；水位低于探頭位置時斷開電信號。把電信號接通時設(shè)為有效信號 即當(dāng)作控制信號。在水塔的不同放置兒個探頭時就可以根據(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

6、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。因為探頭的個數(shù)直接 關(guān)系到水位檢測的精確度：探頭個數(shù)越多檢測點也就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)計的要求，假設(shè)一水塔高8米，令該水塔水位到達(dá)7米或低于1米時報 警，也就是說水塔最起碼要有7米深，因此可以將探頭個數(shù)設(shè)計為八個，分別檢測八個 點的水位，原理圖如下圖所示。a-h為八個檢測探頭，其中&探頭到水箱底部的高度為1米，其他探頭一次放置

7、在 相差一米的位置上，即只能檢測到18米的水位。COM為公共電極，接+5V。為了提高 精確度，將公共電極盡可能的靠近探頭，即使電極與探頭的距離盡量小，有利于電信號 的傳遞。當(dāng)水位上升到套頭位置時，+5V電信號經(jīng)過介質(zhì)水接通到所在的探頭；而當(dāng)水 位下降時斷開，因此只要測出哪些探頭接通電信號時，就大概可以確定水位的高度。比12貞眉內(nèi)容如說只有abed有電信號輸出，而efgh都沒信號（或者說輸出低電平）輸出時，就基本上 可以確定水位在探頭d以上e以下，即在4-5米之間，再將該電信號輸入到信號處理部 分進(jìn)行處理輸出相應(yīng)的控制信號即可。COM公共電扱+5Vhofedeba ils水面水培圖探頭原理圖2.

8、 2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。山于水的導(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。T1 !NPN信號輸入R1 !Ck信號輪出呂5=圖信號處理電路山探頭出來的電信號輸入到信號輸入端，山信號輸出端輸出。當(dāng)有電流從公共電極 流入探頭時，經(jīng)過電阻R到達(dá)晶體管Q的基極，此時三極管的發(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)通電圧時，山晶體管的工作條件可知此時其處于飽和 狀態(tài)，即相

9、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。12貞眉內(nèi)容經(jīng)過三極管處理的信號還只是一個低電平的信號，沒有控制其他電路工作的能力， 還必須經(jīng)過編碼處理。由以上電路的設(shè)計與分析，該編碼電路最少應(yīng)有八個輸入端，作為八個探頭輸出信 號的輸入端，而且有效電平為低電平，因此應(yīng)設(shè)計成具有優(yōu)先編碼功能的編碼電路，所 謂“優(yōu)先”編碼即多個輸入端同時滿足編碼條件時，只對最高位編碼。根據(jù)要求該電路設(shè)計成以編碼器為核心的編碼電路，具體設(shè)計的電路圖如圖所示:a34SbCCD3219ACNVD4567BCBI3N1615141312109圖信號編碼電

10、路a-h為信號輸入端，DCBA為信號輸出端。元器件選擇：編碼器74147,反相器7404o芯片介紹：74147為10-4線BCD優(yōu)先編碼器，編碼輸入有效電平為低電平，編碼輸 出為BCD反碼，即當(dāng)輸入端有“0”輸入時，輸出端就輸出與之對應(yīng)的BCD反碼。如“2”， “4”同時輸入“0” ,則按“4”進(jìn)行編碼,內(nèi)部編碼成BCD碼0100,輸出則為BCD反 碼1011, 74147的真值表如表所示：表74147真值表12貞眉內(nèi)容輸入輸岀123456789DcBA1111111111110111111111110X011111111101XX0111111iQ0XXX0I11111011XXXX0111

11、10i0XXXXX0111601XXXXXX0111000XXXXXXX00i112.3水位顯示電路該部分主要是用七段數(shù)碼顯示器顯示水位。七段數(shù)碼顯示器一般有兩種接法：一種是共陰極接法；一種是共陽極接法。無論哪 種接法，其都是111七組發(fā)光二極管構(gòu)成。當(dāng)其為共陰極接法時則對高電平有效，即要輸 入高電平時才能使其點亮；當(dāng)其為共陽極接法時對低電平有效，只有輸入低電平時才會 顯示，顯示器原理圖如下圖中(a)、(b)、(c)所示。(h)共陰極接法(門井陽療接法” J A1 2 J 4 5I 5W地 g f I a b III, 109 8 76(d)緒構(gòu)和引腳圖七段數(shù)碼管顯示器原理圖由原理圖可知，該顯

12、示器有七個發(fā)光二極管分別用a. b、c、d、e、f、g,因此只12貞眉內(nèi)容要點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，就能使其顯示特定的數(shù)字，比如說對于共陰極接法的顯示器 同事對a、b、c輸入高電平時使a、b、c段二極管點亮而其他的都滅即顯示出數(shù)字“7”。該部分電路直接山顯示譯碼器對編碼信號譯碼后驅(qū)動顯示器工作，電路圖如圖所 示：DCBA為二進(jìn)制碼信號輸入端，a-g為譯碼后信號的輸出端。信號輸出后經(jīng)過限流電 阻直接接到顯示器輸入端，驅(qū)動顯示器工作。元器件選擇：經(jīng)過分析，譯碼器選用BCD-7段譯碼顯示器驅(qū)動器7448；顯示器為共陰極七段數(shù)碼 顯示器；R阻值220歐姆。7448譯碼器輸出高電平有效，用以驅(qū)動共陰極顯示

13、器，其功能表如表所示：表7448功能表十進(jìn)釗輸入B7/RBO輸出LTRBIDCBAabcder80HHL1.L1HFTHHHHHL1HKLLLHLHHLLLL2HXLLHLHFTnLHHLHHXLbHHHffHHHL1.H4HXLLLHLHHLLHH5HXL穽L衛(wèi)IIULHHLH6HXLHHLHLLHHHHH7HXLHHHHHHHLLLLAHXHLLLHKHHHHKR山功能表可以知道，當(dāng)輸入信號DCBA為二進(jìn)制碼0000,即相當(dāng)于十進(jìn)制的“0”時,12貞眉內(nèi)容輸出abcdefg為1111110,接到顯示器上的相應(yīng)輸入端即顯示數(shù)字“0” ；當(dāng)DCBA為0101, 即相當(dāng)于十進(jìn)制的5時，abcde

14、fg輸岀為1011011,接到顯示器時點亮a、c、d、f、g即 顯示出“5”。2.4電機(jī)控制電路該部分為整個設(shè)計電路的重點部分，也是難點部分。主要tl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，這也就是本實驗的主要設(shè)計目的。山任務(wù)的設(shè)計要求：要將水塔的水位控制在2-6米。即水位低于2米時使電機(jī)工作 升到6米時使電機(jī)停止工作。而由信號產(chǎn)生部分設(shè)計可知：當(dāng)水位低于2米時只有探頭 a接通電信號。因此要將該電信號設(shè)計為控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的控制信號。而該電信號通過編 碼處理后輸出為四位二進(jìn)制碼0001,所以就是要使輸出信號為0001時使電機(jī)工作。而 水位上升到6米時要控制電機(jī)停止工作。因此時水位

15、在6米時有六個探頭接通電信號， 為&、b、c、d、e、f。根據(jù)編碼器的工作原理，只有探頭f的電信號才為有效信號，即 只對f的電信號編碼處理。此時才為有效信號，即只對f的電信號編碼處理。此時由f 引進(jìn)來的信號經(jīng)過編碼后成為二進(jìn)制碼0110,因此要將0110設(shè)計為電機(jī)停止工作的控 制信號，即當(dāng)輸入到電機(jī)驅(qū)動的信號為0110時使電機(jī)停止。根據(jù)分析將該部分電路設(shè)計成如圖所示：DCBA為信號輸入端。IC7420為四輸入與非門，手動開關(guān)為三路選擇開關(guān)。由電路圖可知，該電路主要由四個部分組成：四輸入與非門、繼電器、手動開關(guān)、 電機(jī)。當(dāng)DCBA輸入為0001信號時經(jīng)反相器后接到四輸入與非門輸入端為1111則輸

16、出為 低電平0,接到與門一端使其鎖?。划?dāng)DCBA輸入為0110時經(jīng)反相器接到四輸入與非門 輸入端為1111亦輸出低電平0,經(jīng)過反相器后輸出高電平1接到或門一端。12貞眉內(nèi)容電路匸作原理：假設(shè)剛開始水塔的水位在2米以下，則先將手動開關(guān)撥向3使電機(jī) 接通AC220V工作抽水，當(dāng)水位上升到2米以上6米以下時，再將其撥向1,則此時由繼 電器控制電機(jī)。因為這時經(jīng)過編碼處理輸出的BCD碼DCBA不是為0001或0110,所以四 輸入與非門的兩個輸出端Y：與Y,都輸出為高電平1。111于而輸入與門的另一個輸入端為 低電平，則輸出為低電平；而輸出經(jīng)過反相器后亦為低電平，因此三極管處于截止?fàn)?態(tài)，繼電器沒有工作

17、，即放開鐵片。則此時電機(jī)任山繼電器的第二通道接通220V工作。 當(dāng)水位繼續(xù)上升到6米時輸入信號DCBA為0110,此時Y,輸出低電平0,經(jīng)反相器后為 高電平1,通過邏輯或門接到三極管的基極使三極管導(dǎo)通工作，即接通發(fā)射極與集電極, 使繼電器通電工作吸合鐵片。從而斷開電機(jī)與220V使電機(jī)停止工作，也就使水位停止在 6米處。因此時繼電器吸合鐵片，是+5V的電源由繼電器的第一通道接到與門，與同 為高電平則使邏輯與門輸出為高電平，這樣即使水位下降，Y：接到三極管的基極為低電 平時也能使三極管工作在導(dǎo)通狀態(tài)，是繼電器匸作吸合鐵片不讓電機(jī)工作。而當(dāng)水位下 降到低于2米時，輸入端DCBA變?yōu)?001, 輸出低

18、電平0,鎖住與門，即使與門輸出為 低電平0,因此時沒有電流流到三極管基極而使其處于截止?fàn)顟B(tài)，從而斷開繼電器的電 源使其放開鐵片，這樣乂將電機(jī)山繼電器的第二通道接通到電源，轉(zhuǎn)動抽水，既能將水 位控制在2米以上。2.5報警控制電路根據(jù)任務(wù)設(shè)計要求只要將編碼處理輸出的信號DCBA為0000或0111時設(shè)為報警電路 的控制信號即可。山555定時器和三極管構(gòu)成的報警電路如圖所示。其中555構(gòu)成諧振蕩器，振蕩 頻率f=l-43/(Rl+2R2) C其輸出信號經(jīng)三極管推動揚(yáng)聲器發(fā)聲。pr為控制信號當(dāng)pr 為高電平時多謝振蕩器工作；反之則停止工作。PR信號是111 74LS20產(chǎn)生的。該電路主要由四輸入與非門、反相器、或門、報警器構(gòu)成。當(dāng)水位低于1米或升到7米時編碼器編碼輸出的信號DCBA為0000或0111,再經(jīng)過 反相器輸入到四輸入或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?平通過或門后再經(jīng)過限流電阻驅(qū)動報警器工作。因此可以通過報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7430,反相器為7404,或門為4071,報警器用 石英晶體振蕩器來代替。12貞眉內(nèi)容圖水位報警電路由理論分析A點可接一非門連接一喇叭，低于A點時，非門的作用，喇叭變會響；C點可直接接一喇叭，高于C點時，喇叭變會響。這就夠成了簡單的報