大型水塔水位保持電路的設(shè)計

1、大型水塔水位保持電路的設(shè)計“大型水塔水位保持電路”設(shè)計結(jié)合了包括電力電子技術(shù)知識在內(nèi)的多學(xué)科多領(lǐng)域的 知識，具有接線簡單、運行靈活的特點。從方案的選取到元件的選擇做到了最大程度的保 證電路系統(tǒng)的可靠性和精確性。整個電路設(shè)計共分為5個部分，分別為水位監(jiān)測電路、水位范圍測量電路、水泵開關(guān)電路、顯示電路和電源電路。各部分電路相互配合、穩(wěn)定運行，能夠保證水塔的水位穩(wěn)定在期望的水位范圍之內(nèi)，整體設(shè)計具有很高的應(yīng)用價值。-10 -1 .方案的選取該方案電源電路采用電網(wǎng)供電，通過變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路將 電網(wǎng)中的220v交流電轉(zhuǎn)換成12v的直流電。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓器實現(xiàn)，用它來組成穩(wěn) 壓

2、電源只需很少的外圍元件，電路非常簡單，且安全可靠。水位測量和水位監(jiān)測電路主要 由電阻型水壓傳感器和遲滯比較器組成。電阻型水壓傳感器是最典型也是最簡單的一種壓 力傳感器。遲滯比較器不僅可以測量水位的范圍，還可以防止跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。水泵開關(guān) 電路和顯示電路主要由電流放大電路和繼電器組成。繼電器可以提供水泵所需要的交流 電，而電流放大電路是由三極管組成，是一種比較典型的和簡單的電路。用發(fā)光二極管構(gòu) 成顯示電路更容易觀察。綜上所述，此方案電路圖構(gòu)成簡單易懂，元器件的價格便宜，性能較穩(wěn)定，操作簡單, 具有經(jīng)濟前景。2 .簡易水位控制電路的基本組成及原理2.1 系統(tǒng)的組成框圖簡易水塔水位控制電路的總體框圖

3、如圖 2-1所示。它是由水位監(jiān)測電路、水位范圍測 量電路、水泵開關(guān)電路、顯示電路和電源電路5部分組成。圖2-1簡易水塔水位控制電路的總體框圖水位監(jiān)測電路的功能是利用水壓傳感器的特性監(jiān)測水壓的變化，同時將水壓信號轉(zhuǎn)化 為電信號。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(guān)電路的功能是完成控制水泵電路。顯示電 路的功能是利用發(fā)光二極管將水泵通電與否顯示出來。電源電路的功能是為上述電路提供 直流電源。2.2 各單元電路的工作原理該電路能夠檢測出水塔的水位，并且能夠在不同的水位下通過兩個水泵控制。當(dāng)s<s1時，兩個水泵都放水，s

4、1<s<s2時，只有一個水泵工作，s>s2時，兩個水泵都關(guān)閉。并且 通過調(diào)節(jié)可變電阻r1、r2可以改變水位s1、s2的范圍，該電路還能通過發(fā)光二極管顯示 水泵放水的各種狀態(tài)。電源電路電源電路的原理圖如圖2-2所示。電路直接從電網(wǎng)供電，通過變壓器、整流電路、濾 波電路和穩(wěn)壓電路將電網(wǎng)中的220v交流電轉(zhuǎn)換成+12v的直流電壓。電路中變壓器采用常 規(guī)的鐵心變壓器，電源變壓器將交流電網(wǎng)電壓220v變?yōu)楹线m的交流電壓12v。整流電路采用二極管橋式整流電路，整流電路將交流電壓12v變?yōu)槊}動的直流電壓12v。c1、c2、c3和c4完成濾波功能，穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成電路來實現(xiàn)。穩(wěn)壓電路

5、清除電網(wǎng)波動d7及負(fù)載變化的影響，保持輸出電壓12v的穩(wěn)定。圖2-2電源電路水位監(jiān)測和水位范圍測量電路如圖2-3是水位監(jiān)測和水位范圍測量電路圖圖2-3水位監(jiān)測和水位范圍測量電路水位監(jiān)測電路由可變電阻 r1、r2和兩個電阻型水壓傳感器構(gòu)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，即傳感器的阻抗隨水壓的增加而增加。同時將水壓信號轉(zhuǎn)化為電信號vs,即vs代表了實際水位so本電路采用的電阻型水壓傳感器型號為 pt500-501的水壓傳感器。可變電 阻r1和r2的作用是通過調(diào)節(jié)可變電阻的阻值，就可以調(diào)節(jié)vs1和vs2的范圍，也就可以調(diào)節(jié)水位控制

6、范圍。水位范圍測量電路由兩部分構(gòu)成：第一部分是由電阻r13和穩(wěn)壓管d1構(gòu)成的參考電壓產(chǎn)生電路；第二部分是由遲滯比較器構(gòu)成的水位范圍測量電路。參考電壓產(chǎn)生電路的功 能是產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓，由于參考電壓產(chǎn)生電路輸出端連接比較器的輸入，為了防止出 現(xiàn)輸出電流導(dǎo)致參考電壓不穩(wěn)定的情況，電路采用電阻和穩(wěn)壓管相結(jié)合的方式構(gòu)成。其中 穩(wěn)壓管d1的穩(wěn)定電壓均為+6v,輸出vref=+6v。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(guān)系； 第二是防止跳閘現(xiàn)象的產(chǎn)生。首先，vref連接到兩個運算放大器的同相輸入端，而 vs1和vs2則同時分別輸入到 這兩個運算放大器的反相輸入端。這樣，當(dāng)

7、vs1<vref時，v1輸出是高電平；當(dāng)vs1>vref 時，v1輸出為低電平；當(dāng) vs2<vref時，v2輸出為高電平；當(dāng) vs2>vref時，v2輸出 為低電平。由于vs1、vs2、vref分別代表s1、s2和s,實際水位和水位控制范圍的大 小關(guān)系就確定了。其次，本電路通過遲滯比較器代替單門限比較器來實現(xiàn)跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。遲滯比較器 a1的特性表達式為v1t+ = vp1=r7* vref/ (r3+r7) +r3*v1 (r3+r7)=(5+2) v=7v(1)v1t- = vp1=r7* vref/ (r3+r7) +0=5v(2)由式(1)和式(2)可得到回差范

8、圍 vt = v1t+ - v1t- =7v-5v=2v ,即v1從高電 平轉(zhuǎn)換為低電平和從低電平轉(zhuǎn)換為高電平的分界點電壓值有了 2v的差別，從而就可以防 止跳閘現(xiàn)象的出像。同理，遲滯比較器 a2的特性表達式為v2t+ = vp2=r8* vref/ (r5+r8) +r5*v2 (r5+r8)=(5+2) v=7v(3)v2t- = vp2=r8* vref2/ (r5+r8) +0=5v(4)由式(3)和(4)可求得遲滯比較器 a2的v2t+ -v2t-之差(7v5v)同樣具有2v 的回差范圍，由此可以防止跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。水泵開關(guān)及顯示電路水泵開關(guān)及顯示電路如圖2-4所示圖2-4水泵開關(guān)和

9、顯示電路水泵開關(guān)電路時由三極管電路和繼電器電路構(gòu)成的。電路的輸入即為圖 2-3電路中的 輸出，即當(dāng) vs1< vref且vs2< vref時，v1和v2輸出都為高電平；當(dāng) vs1<vref而 vs2>vref時，v1輸出為高電平，而v2輸出為低電平；當(dāng)vs1> vref且vs2> vref時, v1和v2輸出都為低電平。由于水泵中通過的都是大電流，產(chǎn)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(guān)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(qū)動繼電器，因此需要加入電流放大電路。由三極管電路構(gòu)成的電流放 大電路

10、是一種比較典型的和簡單的電路。其中r9和r10為限流電阻，防止輸入電流過大燒毀三極管。三極管接為共集電極電路，當(dāng)輸入電壓為高電平時，三機管導(dǎo)通飽和，可以 將輸入電流放大b倍；當(dāng)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 極管的發(fā)射極，當(dāng)有電流驅(qū)動時，開關(guān)吸合，對應(yīng)的水泵通電；當(dāng)無電流啟動時，開關(guān)斷 開，對應(yīng)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(gòu)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(qū)動電流過大，需要加入限流電阻。3.主要元器件的工作原理及參數(shù)3.1 變壓器變壓器是電子電路，用來升壓降壓的電力變壓器，變壓器的原理是電磁感應(yīng)技

11、術(shù)，變壓器有兩個分別獨立的共用一個鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級線圈和初級線圈，其 中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。電流的方向和大小隨時間變化的，變壓器初級通上交流電時，變壓器的鐵芯中產(chǎn)生了 交變的磁場，在次級就感應(yīng)出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級線圈的匝數(shù)比等于電 壓比。變壓器只能改變交流電壓，不能改變直流電壓，因為直流電流是不會變化的，電流通 過變壓器不會產(chǎn)生交變的磁場，所以次級線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個瞬間電流 和電壓。變壓器的主要參數(shù)：電壓比 n=u1/u2=n1/n2效率4=p2/p1*100%額定功率p3.2 橋式整流電路橋式整流電路由四個二極管組成，

12、如圖3-1所示圖3-1橋式整流電路圖工作原理：u2正半周時：d1、d3導(dǎo)通，d2、d4截止u2負(fù)半周時：d2、d4導(dǎo)通，d1、d3截止主要參數(shù)：輸出電壓平均值：ul=0.9u2輸出電流平均值：il= ul/rl =0.9u2/ rl流過二極管的平均電流：id=il/2二極管承受的最大反向電壓：25v - 1000v3.3 三端穩(wěn)壓器該穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)有電流過流、過熱和調(diào)整管安全區(qū)保護電路，以防止過載而損壞，用 它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路簡單，且安全可靠。3.4 繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱 輸出回路），通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實

13、際上是用較小的電流去控制較大電流的一 種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。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(chǎn)生電磁效應(yīng)，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(dāng)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（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)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

14、點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”3.5 發(fā)光二極管發(fā)光二極管原理：發(fā)光二極管是由m-iv族化合物，如gaas（神化錢）、gap（磷化錢）、 gaasp （磷神化錢）等半導(dǎo)體制成的，其核心是 pn結(jié)。因此它具有一般p-n結(jié)的i-n特 性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。止匕外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正 向電壓下，電子由n區(qū)注入p區(qū)，空穴由p區(qū)注入n區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子 （少 子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，假設(shè)發(fā)光是在p區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這 種發(fā)光復(fù)合外，還有些

15、電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而 后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù) 合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近 pn結(jié)面數(shù)pm以內(nèi)產(chǎn)生。發(fā)光二極管的主要參數(shù)：反向飽和電流is額定整流電壓if最大反向工作電壓urm3.6 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓器二極管也叫齊納二極管，穩(wěn)壓原理：給穩(wěn)壓二極管施加反向電壓并使其值增大， 當(dāng)反向電壓之值達到穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓時，其正常雪崩擊穿，若在此情況下，一定范 圍內(nèi)改變電源電壓的波動或改變負(fù)載電流的大小，齊納電流iz和動態(tài)電阻隨之而改變，然而，齊納電壓uz卻穩(wěn)定不

16、變。穩(wěn)壓二極管串聯(lián)一個電阻來提供一個穩(wěn)定的參考電壓vref,其中穩(wěn)壓二極管選用1n4735,其穩(wěn)定電壓為6.2v,限流電阻r13選用1k。穩(wěn)壓二極管 1n4735的重要參數(shù)：最大工作電流izm穩(wěn)定電壓uz動態(tài)電阻rz3.7 集成運算放大器集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻的多級直接耦合放大電路，它的種類很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，如下圖3-2表示集成運放的內(nèi)部電路組成的原理框圖。圖3-2集成運放的內(nèi)部電路組成的原理框圖如圖3-3是集成運放的輸入級一般是由 bit、jfet或mosfet組成的差分式放大電 路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他

17、方面的性能。它的兩個輸入 端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它 可由一級或多級放大電路組成。輸出級一股由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降 低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為個級提供合適的工作電流。其代表符號和輸 入輸出傳卒&特性如3-4圖所示。vivt-v t+圖3-3圖3-4大型水塔水位保持電路的設(shè)計- ii -4.總電路圖大型水塔水位保持電路的設(shè)計“大型水塔水位保持電路”是電力電子技術(shù)的一個實際應(yīng)用，該電路中包括了水位監(jiān)測電路、水位范圍測量電路、水泵開關(guān)電路、顯示電路和電源電路。系統(tǒng)由電網(wǎng)220v交流電供電，經(jīng)電源電路的變壓、整

18、流、穩(wěn)壓后變成 +12v的直流電壓為各部分供電。水位 監(jiān)測電路應(yīng)用了傳感器原理實現(xiàn)水位信號和電信號之間的轉(zhuǎn)化，使用時可根據(jù)需要調(diào)節(jié)水 位范圍。水位測量電路利用集成運放的比較器原理通過比較實際水位電信號與規(guī)定的水位 范圍電信號決定水泵的操作。若實際水位高于水位范圍最大值，則令兩水泵關(guān)閉；若實際 水位處于水位范圍之間，則令其中的一個水泵開通，另一個水泵關(guān)閉；若實際水位低于水 位范圍的最小值，則令兩水泵均開通放水。這樣一來可以保證實際水位穩(wěn)定時始終保持在 規(guī)定的水位范圍之間。-15 -設(shè)計體會匆匆的幾天時間就這樣過去了，留給我的是一段充實而愉快的記憶。這次的課程設(shè)計 要求自擬題目并查閱資料完成設(shè)計，這對于我來說是一個很大的考驗。一直以來我都是在 分析課本的基礎(chǔ)知識，并能夠處理一些原理上的問題，但要是拿到實踐中來真的不知道可 以應(yīng)用在哪里又該怎么用。可以說是課設(shè)讓我真正的學(xué)習(xí)到了些什么吧，不再是紙上談兵 而是真正的去設(shè)計、去實踐，在考驗的同時令我提高了應(yīng)用能力。通過查閱有關(guān)資料我發(fā) 現(xiàn)電力電子電路廣泛的應(yīng)用于控制領(lǐng)域和直流領(lǐng)域中。于是我將自動控制原