簡易水塔水位控制電路課程設計論文

1、鄭州輕工業(yè)學院本科課程設計（論文） 題 目 簡易水塔水位控制電路 專業(yè)班級 電信11-01 院 （系） 電氣信息工程學院 完成時間 2013年6月25日 鄭州輕工業(yè)學院課程設計任務書題目 簡易水塔水位控制電路 專業(yè) 電信工程11-01 學號 541101030143 姓名 楊二兵 主要內容、基本要求、主要參考資料等：主要內容1閱讀相關科技文獻。2學習protel軟件的使用。3學會整理和總結設計文檔報告。4學習如何查找器件手冊及相關參數(shù)。技術要求1. 要求電路能夠通過控制兩個水泵實現(xiàn)對水位的控制。假定水位范圍是s1s2（s1s2），s為實際水位。當ss1時，兩個水泵都放水；當s1ss2時，僅一個

2、水泵放水；當ss2時，兩個水泵都關閉。2. 要求電路在s1、s2處不能出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，即水泵不能在短時間內反復在放水和關閉的狀態(tài)之間轉換。3. 要求電路能夠顯示出水泵的狀態(tài)。4. 要求電路能夠手動調節(jié)水位控制的范圍。主要參考資料1何小艇，電子系統(tǒng)設計，浙江大學出版社，2001年6月2姚福安，電子電路設計與實踐，山東科學技術出版社，2001年10月3王澄非，電路與數(shù)字邏輯設計實踐，東南大學出版社，1999年10月4李銀華，電子線路設計指導，北京航空航天大學出版社，2005年6月5康華光，電子技術基礎，高教出版社，2003完 成 期 限： 2013年6月30日 指導教師簽章： 專業(yè)負責人簽章： 20

3、13 年 6 月 22日簡易水塔水位控制電路摘 要隨著科技的發(fā)展人們對水位控制的需求越來越多，它不僅要具有控制水位的功能，而且要能自動控制，從而能解放人力，在不需要人為控制的同時它還要能夠調節(jié)控制水位的范圍，我設計的這個電路由電源電路，水位監(jiān)測電路，水位范圍測量電路，水泵開關電路和顯示電路組成。它采用了水壓傳感器、74ls00、74139、二極管、三極管、穩(wěn)壓管、繼電器、三端穩(wěn)壓電路等多種電子元件來實現(xiàn)各部分電路。水位范圍測量電路的功能是利用比較器的原理實現(xiàn)水位范圍的確定，同時利用遲滯比較器的遲滯特性避免跳閘現(xiàn)象。水泵開關電路的功能是完成控制電路和水泵是否工作，顯示電路的功能是顯示水泵是否在工

4、作，有三種顏色不同的發(fā)光二極管實現(xiàn)對水位狀態(tài)的顯示。電源電路則為以上電路提供直流電源。關鍵詞 電源/水壓傳感器/比較器/74ls00/繼電器/74139目錄簡易水塔水位控制電路2摘 要21 電路綜合設計方案及原理41.1 綜合設計圖41.2 電路設計原理41.2.1 電源電路41.2.2 水位檢測及范圍測量電路51.2.3 水位狀態(tài)顯示電路61.2.4 電動機控制電路82 本實驗所用器件清單及說明82.1 水壓傳感器82.2 遲滯比較器92.2.1 電路組成92.2.2 門限電壓的估算102.2.3 傳輸特性112.3 穩(wěn)壓二極管112.4 發(fā)光二極管122.5 三極管132.6 電磁繼電器1

5、52.7 74ls20016致 謝17參考文獻18附錄1:元器件清單19繼電器19附錄2:總設計原理圖20 1 電路綜合設計方案及原理1.1 綜合設計圖 顯示電路水泵開關電路水位范圍測量電路水位檢測電路電源電路圖1.1綜合構架圖如圖1.1所示，該電路每部分相應的功能：首先有水位檢測電路產生整個電路的輸入信號，該信號傳至范圍測量電路，輸出其他電路的控制信號，控制其他電路的工作，電機控制電路部分接收到有信號處理電路輸出的有效控制信號后正常工作驅動電機轉動抽水，使水位上升，而水位的變化直接關系到信號的產生，水位顯示電路接收到有效信號后驅動顯示器工作，使其顯示該時刻的水位狀態(tài)，因此有個循環(huán)過程：由“信

6、號產生信號處理電機控制電機信號處理”這個循環(huán)就能使該水塔具有自動控制水位的能力。本設計圖由電源電路給各個電路提供直流電源。 1.2 電路設計原理1.2.1 電源電路圖1.2.1 電源電路如圖1.2.1為電源電路直接可以從電網供電，通過變壓器電路，整流電路，濾波電路，和穩(wěn)壓電路直接將電網中的220v交流電轉換成+12v的支流電壓。采用常規(guī)的鐵心變壓器，將高壓轉變?yōu)榈蛪骸６O管橋式電路，任務是將交流電換成直流電。由c1，c2，c3，c4構成，用于濾去整流輸出電壓中的紋波，本電路采用電容輸入式，電容具有平波作用。使紋波較小，適用于負載電壓較高，負載變動不大的電路。采用三端穩(wěn)壓集成電路，有輸入，輸出和

7、接地端，內部由啟動電路，基準電壓電路，取樣比較放大電路，調整電路和保護電路組成。電路中接入電容用來實現(xiàn)頻率補償防止穩(wěn)壓器自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，另一方面以減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸出電源引入的低干擾。1.2.2 水位檢測及范圍測量電路圖1.2.2 水位檢測電路及范圍測量電路水位監(jiān)測電路由可變電阻r3r4和一個電阻型水壓傳感器構成。電阻型水壓傳感器是最簡單也最典型的一種水壓傳感器，它的工作原理是通過阻抗的變化來表示水壓的變化，同時將水壓信號轉化為電信號vs，即vs代表了實際水位s。本電路采用的電阻型水壓傳感器型號為pt500-501，是水壓傳感器，即傳感器的阻抗隨水壓的增加而增加?？勺冸娮?/p>

8、r3和r4的作用是通過調節(jié)可變電阻的阻值，就可以調vs的范圍，也就可以調節(jié)水位控制范圍。水位范圍測量電路由兩部分構成：第一部分是由電阻r1、r2和穩(wěn)壓管d1、d2構成的參考電壓產生電路；第二部分是由遲滯比較器構成的水位范圍測量電路。參考電源產生電路的功能是產生一個穩(wěn)定的電壓，由于參考電源產生電路輸出端介入比較器的輸入，為了防止出現(xiàn)輸出電流導致參考電源不穩(wěn)定的情況，電路采用電阻和穩(wěn)壓管相結合的方式構成。其中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電壓為8v，而輸出vref1=+8v，vref2=+4v。水位范圍測量電路的功能有兩個：第一是確定實際水位和水位控制范圍的大小關系；第二是防止出現(xiàn)跳閘的現(xiàn)象。首先，vs1和vs2分

9、別輸入到運算放大器的同相輸入端，而vs則同時輸入到這兩個運算放大器的反相輸入端。當水位低于s1時，vs< vref2，vo1和vo2輸出都為高電平；當水位高于s1低于s2時，vref2<vs< vref1，vo2輸出為高電平，vo1輸出為低電平；當水位高于s2時，vs> vref1，vo1和vo2輸出都為低電平。本電路通過遲滯比較器代替單門限比較器來防止跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。遲滯比較器u1的特性表達式為遲滯比較器u1b的特性表達式為：=r10*vs1/(r10+r8)+r8*v1/(r10+r8)=(7.3+1.1)v=8.4(v)= r10*vs1/(r10+r8)+0=7

10、.3(v)由此可得到回差范圍=()-()=1.1（v）從高電平轉換為低電平和從低電平轉換為高電平的分界點電壓值有1.1v的回差范圍，從而就可以防止跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。同理遲滯比較器u2的特性表達式為=()-()=1.1（v）1.2.3 水位狀態(tài)顯示電路本原理圖用三個發(fā)光二極管表示水位的狀態(tài)，紅色二極管表示正常水位低于s1水位，即缺水狀態(tài)，黃色二極管亮表明水位在s1和s2之間，綠色二極管亮表明水滿狀態(tài)。圖1.2.3 顯示電路本原理圖用三個發(fā)光二極管表示水位的狀態(tài)。由電路輸出可列出二極管驅動真值表：表1.2.3 二極管驅動真值表水位ab綠燈d7黃燈d8紅燈d9s<s111100s1<s&l

11、t;s210010s>s200100有真值表可以得出d7=a”b”,d8=a”b,d9=ab,(注：a”表示a非)此電路有74ls00來實現(xiàn)，其擁有四個兩輸入端與非門，再配合反相器，就能實現(xiàn)這個電路。1.2.4 電動機控制電路圖1.2.4 電動機控制電路及水泵狀態(tài)電路水泵開關電路時由三極管電路和繼電器電路構成的。由于水泵中通過的都是大電流，產生大功率，而直流電源無法提供大電流和大功率，因此水泵需要交流供電，這樣一來，電路中的開關必須采用繼電器電路。而一般運算放大器的輸出電流無法驅動繼電器，因此需要加入電流放大電路。三極管接為共射極電路，當輸入電壓為高電平時，三機管導通飽和，可以將輸入電流

12、放大倍；當輸入電壓為低電平時，三極管截止，無電流通過。繼電器連接三極管的集電極，當有電流驅動時，開關吸合，對應的水泵通電；當無電流啟動時，開關斷開，對應的水泵不通電，同時在繼電器兩端并聯(lián)入二極管進行保護。顯示電路由發(fā)光二極管構成。通過發(fā)光二極管亮滅來表示水泵是否通電，同時由于繼電器的驅動電流過大，需要加入限流電阻。2 本實驗所用器件清單及說明2.1 水壓傳感器本電路采用的電阻型水壓傳感器型號為pt500-501，是水壓傳感器，即傳感器的阻抗隨水壓的增加而增加。如圖：圖2.1 水壓傳感器產品基本特性：pt500-500系列壓力變送器采用高精度高穩(wěn)定性電阻應變計/擴散硅晶體/陶瓷晶體等做為變壓器的

13、感壓芯片，選進的貼片工藝，配套帶有零點、滿量程補償，溫度補償?shù)母呔群透叻€(wěn)定性放大集成電路，將被測量介質的壓力轉換成420ma、05vdc、010vdc、0.54.5vdc等標準電信號。產品結構采用全封焊結構，使之產品的抗沖擊能力、過載能力、產品密封性等性能有了較大提高，產品最高壓力可達150mpa。產品過程連接部分和電氣連接部分有多種方式，能夠最大限度的滿足用戶的需求。2.2 遲滯比較器2.2.1 電路組成遲滯比較器是一個具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器。在反相輸入單門限電壓比較器的基礎上引入正反饋網絡，就組成了具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器。由于反饋的作用這種比較器的門限電壓是隨輸出電壓的變

14、化而變化的。它的靈敏度低一些，但抗干擾能力卻大大提高。圖2.2.1遲滯比較器電路 圖2.2.3傳輸特性圖2.2.2 vi及vo波形圖2.2.2 門限電壓的估算由于比較器中的運放處于開環(huán)狀態(tài)或正反饋狀態(tài)，因此一般情況下，輸出電壓vo與輸入電壓vi不成線性關系，只有在輸出電壓發(fā)生跳變瞬間，集成運放兩個輸入端之間的電壓才可近似認為等于零，即或 （1）設運放是理想的并利用疊加原理，則有（2）根據(jù)輸出電壓vo的不同值（voh或vol），可求出上門限電壓vt+和下門限電壓vt分別為（3）（4） 門限寬度或回差電壓為 （5）設電路參數(shù)如圖xx_02a所示，且 ，則由式(3)(5)可求得 ， 和 。2.2.3

15、 傳輸特性設從 ， 和 開始討論。當vi由零向正方向增加到接近 前，vo一直保持 不變。當vi增加到略大于 ，則vo由voh下跳到vol，同時使vp下跳到 。vi再增加，vo保持 不變。若減小vi，只要 ，則vo將始終保持 不變，只有當 時， 才由 跳到voh。其傳輸特性如圖xx_02b所示。由以上分析可以看出，遲滯比較器的門限電壓是隨輸出電壓vo的變化而改變的。它的靈敏度低一些，但抗干擾能力卻大大提高了。2.3 穩(wěn)壓二極管二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場

16、引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流i0。當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程，產生大量電子空穴對，產生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。p-n結的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，它是利用pn結的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的。穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓設備和一些電子電路中獲得廣泛的應用。我們把這種類型的二

17、極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向導電場合的二極管。穩(wěn)壓二極管的特點就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。 這樣，當把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負載兩端的電壓將基本保持不變。如圖畫出了穩(wěn)壓管的伏安特性及其符號。輸入電壓為整流濾波后的電壓，穩(wěn)壓管與負載并聯(lián)，穩(wěn)壓管反向工作，使流過穩(wěn)壓管的電流不超過最大極限，同時當電網電壓波動時，通過r上的壓將調節(jié)，使輸出電壓基本不變。圖2.3穩(wěn)壓管的特性曲線2.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱為led。由鎵（ga）與砷（as）、磷（p）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用

18、來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鉀二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能；常簡寫為led。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個pn結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴和由n區(qū)注入到p區(qū)的電子，在pn結附近數(shù)微米內分別與n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴復合，產生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。發(fā)光二極管的核心部分是由p型

19、半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n 半導體之間有一個過渡層，稱為pn結。在某些半導體材料的pn結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。pn結加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱led。 當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從led陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。 圖2.4 發(fā)光二極管的實物圖2.5 三極管半導體三極管也稱為晶體三極管，可以說它是電子電路中最重要的器件。它最主要的功能是電流放大和開關作用

20、。三極管顧名思義具有三個電極。二極管是由一個pn結構成的，而三極管由兩個pn結構成，共用的一個電極成為三極管的基極(用字母b表示)。其他的兩個電極成為集電極(用字母c表示)和發(fā)射極(用字母e表示)。由于不同的組合方式，形成了一種是npn型的三極管，另一種是pnp型的三極管。三極管的種類很多，并且不同型號各有不同的用途。三極管大都是塑料封裝或金屬封裝，常見三極管的外觀，有一個箭頭的電極是發(fā)射極，箭頭朝外的是npn型三極管，而箭頭朝內的是pnp型。實際上箭頭所指的方向是電流的方向。   圖2.5 npn型三極管符號bjt的開關作用對應于觸點開關的"斷開"和&

21、quot;閉合"。 如圖2.5所示為一個共發(fā)射極晶體三極管開關電路。 (a)電路(b)工作狀態(tài)圖解圖2.5.1 bjt的開關工作狀態(tài)  圖2.5.1 (a)中bjt為npn型硅管。電阻rb為基極電阻，電阻rc為集電極電阻，晶體三極管t的基極b起控制的作用，通過它來控制開關開閉動作，集電極c及發(fā)射極e形成開關兩個端點，由b極來控制其開閉，c.e兩端的電壓即為開關電路的輸出電壓vo。當輸入電壓vi為高電平時，晶體管導通，相當于開關閉合，所以集電極電壓vc0，即輸出低電平，而集電極電流icvcc/rc。當輸入電壓vi為低電平時，由圖可見，晶體管截止，相當于開關斷開，所以

22、得集電極電流ic0，而集電極電壓vcvcc，即輸出為高電平。這就是晶體三極管的理想穩(wěn)態(tài)開關特性。晶體三極管的實際開關特性決定于管子的工作狀態(tài)。晶體三極管輸出特性三個工作區(qū)，即截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū),如圖2.5.1 (b)所示。如果要使晶體三極管工作于開關的接通狀態(tài)，就應該使之工作于飽和區(qū)；要使晶體三極管工作于開關的斷開狀態(tài)，就應該使之工作于截止區(qū)，發(fā)射極電流ie=0，這時晶體三極管處于截止狀態(tài)，相當于開關斷開。集電結加有反向電壓，集電極電流ic=icbo，而基極電流ib=-icbo。說明三極管截止時，ib并不是為0，而等于-icbo。基極開路時，外加電源電壓vcc使集電結反向偏置，發(fā)射結正向偏

23、置晶體三極管基極電流ib=0時，晶體管并未進入截止狀態(tài)，這時ie=ic =iceo還是較大的。晶體管進入截止狀態(tài)，晶體管基極與發(fā)射極之間加反向電壓，這時只存在集電極反向飽和電流icbo，ib =-icbo，ie=0，為臨界截止狀態(tài)。進一步加大基極電壓的絕對值，當大于vbo時，發(fā)射結處于反向偏置而截止，流過發(fā)射結的電流為反向飽和電流iebo，這時晶體管進入截止狀態(tài)ib = -(icbo+ iebo)，ic= icbo。  發(fā)射結外加正向電壓不斷升高，集電極電流不斷增加。同時基極電流也增加，隨著基極電流ib 的增加基極電位vb升高，而隨著集電極電流ic的增加，集電極電位vc卻下

24、降。當基極電流ib增大到一定值時，將出現(xiàn)vbe =vce的情況。這時集電結為零偏，晶體管出現(xiàn)臨界飽和。如果進一步增大ib ，ib增大，使得集電結由零偏變?yōu)檎蚱?，集電結位壘降低，集電區(qū)電子也將注入基區(qū)，從而使集電極電流ic隨基極電流ib的增大而增大的速度減小。這時在基區(qū)存儲大量多余電子-空穴對，當ib繼續(xù)增大時，ic基本維持不變，即ib失去對ic的控制作用，或者說這時晶體管的放大能力大大減弱了。這時稱晶體管工作于飽和狀態(tài)。一般地說，在飽和狀態(tài)時飽和壓降vbe(sat)近似等于0.7v，vce(sat)近似等于0.3v。由圖2.5.1 (a)可看出，集電極電流ic的增加受外電路的限制。由電路可

25、得出ic的最大值為icm= vcc/ rc。晶體管進入飽和狀態(tài)，基極電流增大，集電極電流變化很小，ic=ics=(vcc-vbe(sat)/rc晶體管臨界飽和時的基極電流ibs=ics/=(vcc-vbe(sat)/rc 。2.6 電磁繼電器電磁繼電器的工作原理和特性 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（

26、常閉觸點）釋放。這樣吸合、，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。圖2.7 74ls20074ls200是常用的2輸入端與非門集成電路。 圖2.71 74ls00內部結構圖工作真值表：74ls00真值表： 圖2.72 74ls00真值表及引腳圖2.8 2-4譯碼器2-4譯碼器有2個輸入端，4個輸出端和一個使能端。在使能端為有效電平時，對應每一組輸入代碼，只有其中一個輸出端為有效電平，其余輸出端則為相反電平。輸出信號可以是高電平有效，也可以是低電平有效。具體來說，2輸入變量，a1 ，a0共有4種不同狀態(tài)組合，因而譯碼器有4個輸出信號𝑌0𝑌   3 并且輸出為低電平有效，其真值表如表1所示3系統(tǒng)硬件總圖致 謝在這次課程設計的過程中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我