水位自動(dòng)控制裝置

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：水位自動(dòng)控制裝置院（系）： 專業(yè)班級(jí)：學(xué) 號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 教師職稱： 起止時(shí)間： 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：電子信息工程學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)（論文）題目水位自動(dòng)控制裝置課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：1 、水位自動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)（如 2 -6 米 ），當(dāng)水位低至 2 米 時(shí)使電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)水泵上水；當(dāng)水位升至 6 米 時(shí)，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(bào)警器報(bào)警。 3 、設(shè)有手動(dòng)按鍵，便于隨機(jī)控制。 4 、由數(shù)碼管直觀顯示當(dāng)前水位。設(shè)計(jì)要

2、求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。指導(dǎo)教師評語及成績成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目錄第1章 水位自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)方案論證21.1水位自動(dòng)控制裝置的應(yīng)用意義21.2水位

3、自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)21.3總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析2第2章 水位自動(dòng)控制裝置各單元電路設(shè)計(jì)32.1信號(hào)產(chǎn)生部分32.2 信號(hào)處理部分42.3 水位顯示電路62.4 電機(jī)控制電路82.5 報(bào)警控制電路9第3章 水位自動(dòng)控制裝置整體電路設(shè)計(jì)11設(shè)計(jì)總結(jié)12參考文獻(xiàn)12第1章 水位自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)方案論證1.1水位自動(dòng)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(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(dòng)強(qiáng)度。采用集成電路，能對水塔水位進(jìn)行自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。由于我國水位測量操作

4、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。1.2水位自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)1 、水位自動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)（如 2 -6 米 ），當(dāng)水位低至 2 米 時(shí)使電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)水泵上水；當(dāng)水位升至 6 米 時(shí)，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(bào)警器報(bào)警。 3 、設(shè)有手動(dòng)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(jì)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(hào)產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個(gè)電路的輸入信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理部分處理后輸出其他電力的控制信號(hào)，控制其他電力工作：電機(jī)控制電力部分接受到由信號(hào)處理電力輸

5、出的有效控制信號(hào)后正常工作驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，使水位上升，而水位的變化又直接關(guān)系到信號(hào)的產(chǎn)生，因此有一個(gè)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(hào)后驅(qū)動(dòng)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(hào)使報(bào)警電路工作驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。由“信號(hào)產(chǎn)生 信號(hào)處理 電機(jī)控制 電機(jī) 信號(hào)產(chǎn)生”這個(gè)循環(huán)就能使水塔具有自動(dòng)控制水位的能力。由任務(wù)分析可知，該設(shè)計(jì)電路主要有三個(gè)功能：水位控制、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(hào)，所以首先就必須要有輸入信號(hào)，因?yàn)槿蝿?wù)要求是自動(dòng)控制所以輸入信號(hào)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

6、、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(bào)警器報(bào)警控制信號(hào)處理信號(hào)產(chǎn)生顯示器水位顯示電路電路電路信號(hào)處理信號(hào)處理圖 總體設(shè)計(jì)框圖第2章 水位自動(dòng)控制裝置各單元電路設(shè)計(jì)2.1信號(hào)產(chǎn)生部分 該部分的目的是產(chǎn)生有效的輸入信號(hào)。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(hào)。鑒于此原理，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(hào)的接通與斷開：當(dāng)水位上升時(shí)接通電信號(hào)；當(dāng)水位下降時(shí)斷開電信號(hào)。按此析，只要在水塔里放上用來傳遞電信號(hào)的探頭，則水位上升到探頭位置時(shí)接通電信號(hào)；水位低于探頭位置時(shí)斷開電信號(hào)。把電信號(hào)接通時(shí)設(shè)為有效信號(hào)即當(dāng)作控制信號(hào)。在水塔的

7、不同放置幾個(gè)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(gè)探頭的具體位置，在根據(jù)其輸出電信號(hào)的情況就能大致確定水位的位置，將探頭輸出的電信號(hào)當(dāng)作輸入信號(hào)經(jīng)過處理后成為電路的控制信號(hào)。 設(shè)計(jì)該部分主要在于探頭個(gè)數(shù)的選擇與探頭放置位置的選擇。因?yàn)樘筋^的個(gè)數(shù)直接關(guān)系到水位檢測的精確度：探頭個(gè)數(shù)越多檢測點(diǎn)也就越多檢測水位就越準(zhǔn)確。但如果探頭太多就會(huì)給其他電力設(shè)計(jì)帶來麻煩：一個(gè)是信號(hào)處理的輸入端要多，一個(gè)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，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(shí)報(bào)警，也就是說水塔最起碼要有7米深，因此可以將探頭個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為八個(gè)，

8、分別檢測八個(gè)點(diǎn)的水位，原理圖如下圖所示。 ah為八個(gè)檢測探頭，其中a探頭到水箱底部的高度為1米，其他探頭一次放置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(hào)的傳遞。當(dāng)水位上升到套頭位置時(shí)，+5V電信號(hào)經(jīng)過介質(zhì)水接通到所在的探頭；而當(dāng)水位下降時(shí)斷開，因此只要測出哪些探頭接通電信號(hào)時(shí)，就大概可以確定水位的高度。比如說只有abcd有電信號(hào)輸出，而efgh都沒信號(hào)(或者說輸出低電平)輸出時(shí)，就基本上可以確定水位在探頭d以上e以下，即在45米之間，再將該電信號(hào)輸入到信號(hào)處理部分進(jìn)行處理輸出相

9、應(yīng)的控制信號(hào)即可。圖 探頭原理圖2.2 信號(hào)處理部分該部分主要是對輸入信號(hào)進(jìn)行處理輸出其他電路的控制信號(hào)。由于水的導(dǎo)電性十微弱，由公共端通過探頭的電信號(hào)會(huì)很小，不一定能夠成為滿足電路工作的控制信號(hào)，因此有必要先對輸入信號(hào)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(hào)進(jìn)行處理。 圖 信號(hào)處理電路 由探頭出來的電信號(hào)輸入到信號(hào)輸入端，由信號(hào)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)

10、，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。經(jīng)過三極管處理的信號(hào)還只是一個(gè)低電平的信號(hào)，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(jì)與分析，該編碼電路最少應(yīng)有八個(gè)輸入端，作為八個(gè)探頭輸出信號(hào)的輸入端，而且有效電平為低電平，因此應(yīng)設(shè)計(jì)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(gè)輸入端同時(shí)滿足編碼條件時(shí)，只對最高位編碼。根據(jù)要求該電路設(shè)計(jì)成以編碼器為核心的編碼電路，具體設(shè)計(jì)的電路圖如圖所示：圖 信號(hào)編碼電路a-h為信號(hào)輸入端，DCBA為信號(hào)輸出端。元器件選擇：編碼器74147，反相器7404。芯片介紹：74147為10

11、-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(shí)，輸出端就輸出與之對應(yīng)的BCD反碼。如“2”，“4”同時(shí)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2.3 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，其都是由七組發(fā)光二極管構(gòu)成。當(dāng)其為共陰極接法時(shí)則對高電平有效，即要輸入高電平時(shí)才能使其點(diǎn)亮；當(dāng)其為共陽極接法時(shí)對低電平有效，只有輸入低電平時(shí)才會(huì)顯示，顯示器原理圖如下圖中（a

12、）、（b）、（c）所示。圖 七段數(shù)碼管顯示器原理圖由原理圖可知，該顯示器有七個(gè)發(fā)光二極管分別用a、b、c、d、e、f、g，因此只要點(diǎn)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(shí)使a、b、c段二極管點(diǎn)亮而其他的都滅即顯示出數(shù)字“7”。該部分電路直接由顯示譯碼器對編碼信號(hào)譯碼后驅(qū)動(dòng)顯示器工作，電路圖如圖所示：圖 顯示器原理圖DCBA為二進(jìn)制碼信號(hào)輸入端，ag為譯碼后信號(hào)的輸出端。信號(hào)輸出后經(jīng)過限流電阻直接接到顯示器輸入端，驅(qū)動(dòng)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(dòng)器7448；顯示器為共陰極七段數(shù)碼顯示器；R

13、阻值220歐姆。7448譯碼器輸出高電平有效，用以驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器，其功能表如表所示:表 7448功能表由功能表可以知道，當(dāng)輸入信號(hào)DCBA為二進(jìn)制碼0000，即相當(dāng)于十進(jìn)制的“0”時(shí)，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(shí)，abcdefg輸出為1011011，接到顯示器時(shí)點(diǎn)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(gè)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(gè)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：要將水塔的水位控制在2-

14、6米。即水位低于2米時(shí)使電機(jī)工作升到6米時(shí)使電機(jī)停止工作。而由信號(hào)產(chǎn)生部分設(shè)計(jì)可知：當(dāng)水位低于2米時(shí)只有探頭a接通電信號(hào)。因此要將該電信號(hào)設(shè)計(jì)為控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制信號(hào)。而該電信號(hào)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(hào)為0001時(shí)使電機(jī)工作。而水位上升到6米時(shí)要控制電機(jī)停止工作。因此時(shí)水位在6米時(shí)有六個(gè)探頭接通電信號(hào)，為a、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(hào)才為有效信號(hào)，即只對f的電信號(hào)編碼處理。此時(shí)才為有效信號(hào)，即只對f的電信號(hào)編碼處理。此時(shí)由f引進(jìn)來的信號(hào)經(jīng)過編碼后成為二進(jìn)制碼0110，因此要將0110設(shè)計(jì)為電機(jī)停止工作的控制信號(hào)，即當(dāng)輸入到

15、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)為0110時(shí)使電機(jī)停止。根據(jù)分析將該部分電路設(shè)計(jì)成如圖所示：圖 電機(jī)控制電路 DCBA為信號(hào)輸入端。IC7420為四輸入與非門，手動(dòng)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(gè)部分組成：四輸入與非門、繼電器、手動(dòng)開關(guān)、電機(jī)。當(dāng)DCBA輸入為0001信號(hào)時(shí)經(jīng)反相器后接到四輸入與非門輸入端為1111則輸出為低電平0，接到與門一端使其鎖??；當(dāng)DCBA輸入為0110時(shí)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。電路工作原理：假設(shè)剛開始水塔的水位在2米以下，則先將手動(dòng)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

16、以下時(shí)，再將其撥向1，則此時(shí)由繼電器控制電機(jī)。因?yàn)檫@時(shí)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(gè)輸出端Y1與Y2都輸出為高電平1。由于而輸入與門的另一個(gè)輸入端為低電平，則輸出為低電平；而Y2輸出經(jīng)過反相器后亦為低電平，因此三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器沒有工作，即放開鐵片。則此時(shí)電機(jī)任由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(shí)輸入信號(hào)DCBA為0110，此時(shí)Y2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

17、6米處。因此時(shí)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Y1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，Y2接到三極管的基極為低電平時(shí)也能使三極管工作在導(dǎo)通狀態(tài)，是繼電器工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(shí)，輸入端DCBA變?yōu)?001，Y1輸出低電平0，鎖住與門，即使與門輸出為低電平0，因此時(shí)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，這樣又將電機(jī)由繼電器的第二通道接通到電源，轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，既能將水位控制在2米以上。2.5 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(hào)DCBA為0000或0111時(shí)設(shè)為報(bào)警電路的控制信

18、號(hào)即可。由555定時(shí)器和三極管構(gòu)成的報(bào)警電路如圖所示。其中555構(gòu)成諧振蕩器，振蕩頻率其輸出信號(hào)經(jīng)三極管推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。PR為控制信號(hào)當(dāng)PR為高電平時(shí)多謝振蕩器工作；反之則停止工作。PR信號(hào)是由74LS20產(chǎn)生的。 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米或升到7米時(shí)編碼器編碼輸出的信號(hào)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?。該高電平通過或門后再經(jīng)過限流電阻驅(qū)動(dòng)報(bào)警器工作。因此可以通過報(bào)警器來判斷整個(gè)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(bào)警器用石英晶體振蕩器來代替。 圖 水位報(bào)警電路由理論分析A點(diǎn)可接一非門連接一喇叭，低于A點(diǎn)時(shí)，非門的作用，喇叭變會(huì)響；C點(diǎn)可直接接一喇叭，高于C點(diǎn)時(shí)，喇叭變會(huì)響。這就夠成了簡單的報(bào)警電路。第3章 水位自動(dòng)控制裝置整體電路設(shè)計(jì)圖 整體電路圖設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，我不僅把知識(shí)融會(huì)貫通，而且豐富了大腦，同時(shí)在查找資料的過程中也了解了許多課外知識(shí)，開拓了視野，認(rèn)識(shí)了將來的發(fā)展方向，使自己的專業(yè)知識(shí)方面和動(dòng)手能力方面有了質(zhì)的飛躍。通過這次親手設(shè)計(jì)水位自動(dòng)控制裝置我又一次復(fù)習(xí)了一學(xué)期來所學(xué)