全自动水位控制器.docx
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全自动水位控制器
河北科技学院
学生毕业设计（论文）
题目：
自动水位控制器
作者：
芦琦
学号：
Z12132108
系别：
机电工程系
专业：
电气自动化
年级：
12级
指导教师：
完成日期：
2014年5月13日
摘要·································································Ⅱ
关键词································································Ⅱ
第一章水位控制器电路设计方案·····················································5
1.1绪论·····················································5
1.2水位控制器性能指标·····················································6
1.3水位控制器设计方案·····················································6
1.3.1水位检测电路·····················································6
1.3.2降压整流电路·····················································9
1.3.3浮力开关·····················································11
1.3.4电磁继电器的选择·····················································11
1.3.5输出控制·····················································12
第二章水位控制器电路设计·····················································12
2.1系统电路原理·····················································12
2.2元件参数·····················································14
第三章水位控制器实验·····················································15
3.1水位控制器实验·····························································15
总结····························································4
参考文献·····················································5
致谢·····················································6
摘要
水塔水位自动控制器主要用途是配合水泵，根据水塔水位高低的变化来启动及停止。
适用于工农业及民用自动供水。
本电路包括水位检测电路、水泵开关电路和电源电路3部分。
水位测量电路的功能是利用水的导电性检测水位的变化，水泵开关电路的功能是完成控制电路和水泵是否工作，显示电路的功能是显示水泵是否在工作。
电源电路则为以上电路提供直流电源。
基于对555芯片的了解和低压继电器的学习，本控制器利用555芯片设计而成，并在实验室进行了仿真实验。
本控制器适用于家庭住宅、学校、工厂、宾馆、办公、楼宇的自来水水塔（水池）式增压供水及江河井水控制，以及供水、消防、轻工、印染、化纤、造纸、化工、食品、饮料、酿造、制糖、养殖、工矿、农业、水处理等行业的给排水和其它生产用液体供给排放。
关键词：
水位控制NE555继电器浮力开关数字电子
Abstract
Watertowerwaterlevelautomaticcontrollerisprimarilyusedwithpumps,accordingtothechangeofthewatertowerwaterleveltostartandstop.Suitableforagriculturalandindustrialandcivilwatersupplyautomatically.Thiscircuitincludeswaterdetection,waterpumpswitchcircuitandpowercircuitthreeparts.Waterlevelmeasurementcircuitfunctionistheuseofwaterconductivitytestingthechangeofwaterlevel,waterpumpswitchcircuitfunctioniswhetherthecompletionofcontrolcircuitandthepumpwork,displaythefunctionofthecircuitisthewaterpumpisinthework.Powersupplycircuitistoprovidetheabovecircuitdcpowersupply.Basedontheunderstandingofthe555chipandlowvoltagerelay,thiscontrollerUSES555chipdesignandbecome,andhascarriedonthesimulationexperimentsinthelaboratory.Thiscontrollerissuitableforfamilyhomes,schools,factories,hotels,office,buildingwatertowers（pool）typepressurizationwaterandwellwatercontrolofriversandwatersupply,fireprotection,lightindustry,printinganddyeing,chemicalfiber,papermaking,chemicalindustry,food,beverage,brewing,sugar,farming,mining,agriculture,watertreatmentandotherindustriesofwatersupplyanddrainageandotherdischargefluidsupply.
Keywords:
waterlevelcontrol、NE555、relaybuoyancy、digitalelectronic、switch
水位控制器电路设计方案
绪论
水位控制器是指通过机械式或电子式的方法来进行高低水位的控制，可以控制电磁阀、水泵等，成为水位自动控制器或水位报警器，从而来实现半自动化或者全自动化。
目前在用的水位控制方式主要有以下种
1）电极式水位控制系统
使用多个电极线及水面接触探测水位
优点价格便宜
缺点属于开关量控制
无法给出实际水位探测电极容易腐蚀安装不便如有污物会粘附在电极上，使水位失控。
2）浮球水位控制器
分管式浮球及缆浮球。
管式浮球适合清水及粘度不大的液体。
缆浮球适合污水。
优点：
价格适中，可以做出高、低、超高、超低四点控制。
缺点：
属于开关量控制，无法给出实际水位。
浮球上易粘附污物，使浮球不能可靠动作，管式浮球容易卡滞，缆浮球容易缠绕，所有浮球都有触点接触不良现象。
结果都是系统失控。
调整控制点很不方便。
3）液位变送器
智能控制器方式
优点：
属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。
集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。
呆设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器上设定，极其方便。
智能控制器可及电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。
缺点：
：
价格高。
4）超声波液位控制器
优点：
属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。
集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。
可设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器上设定，极其方便。
智能控制器可及电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。
探头不及待测物质接触，适合污水及有毒有害液体的液位控制。
缺点：
价格高。
不适合水面有大量气泡的场合
应用范围：
水位控制器广泛应用于工业锅炉、民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造纸、食品、污水处理等行业内开口或密闭储罐，地下池槽中各种液体的液位测量，被检测的介质可分水、油、酸、碱、工业污水等各种导电及非导电液体。
及电动阀组成一套先进的液位显控设备，自动开、关电动阀。
1.2水位控制器性能指标
1．当水位低于下限水位时，电机自动开启，进行注水。
2．当水位高于上限水位时，电机自动关闭，停止注水。
3．可以人工控制电机的启动及关闭。
1.3水位控制器设计方案
利用简单的电子电路来控制水位的自动控制。
1、方案说明
图1方案框图
该方案由电源电路给各个电路提供直流电源。
通过水位检测电路利用水的导电性对水塔水位进行检测，并且通过显示电路显示出当前电动机是否工作。
利用555芯片3脚的输出从而控制继电器的开关实现对水泵在不同水位的工作或停止状态的控制，从而控制水塔的水位。
2、方案论证
本方案使用到了555芯片、晶体三极管和继电器，都是基础模电和电路知识的运用，原理易懂方便操作和理解。
而且原料简单且价格低廉，故所需成本低。
此外，本方案设计出的水塔水位控制器控制器体积小，便于安装和拆卸，占地面积小。
故方案可行性高。
1.3.1水位检测电路
水位检测部分是由3个水位测试点、555时基控制电路组成的。
它是把水位变化为555时基电路2脚和6脚的电位变化，从而控制555时基电路的输出，再通过继电器来控制水泵的启动和停止。
555时基电路内部电路组成部分工作过程分析
NE555系列芯片简介
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。
①NE555的特点有：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源电压范围极大，可及TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能及这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
②NE555引脚图和功能表
NE555芯片管脚图如图1所示。
各管脚的配置说明如表2所示。
图1图2
由图可知555电路由 电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、放电三极管和输出缓冲反相器5个部分组成。
555时基电路的引脚功能
1脚：
接地端。
2脚：
低电平触发端。
由此输入低电平触发脉冲。
6脚：
高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲。
4脚：
复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位。
5脚：
电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压。
不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰。
7脚：
放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管导通，外接电容元件通过放电管放电。
3脚：
输出端，输出高电压约低于电源电压1V~3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等。
8脚：
电源端，双极型时基电路的电源电压的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路的电源电压范围3~18V，
555时基电路工作过程分析：
8脚连接VCC，引脚2和6的比较电压为：
UR2=2/3VCC、UR6=1/3VCC。
当V6＞2/3VCC，V2＞1/3VCC时，555输出低电平，电磁继电器不工作，电机停止运行
当V6＜2/3VCC，V2＞1/3VCC时，555输出保持不变，无论电机是否在工作，电磁继电器的工作状态都不会改变。
当V2＜1/3VCC时，555输出高电平，电磁继电器开始工作，使电机开始工作往水塔里注水。
只有当水位达到高电平时，才会停止工作。
当水位从高变低时，绿灯发光。
到达低水位时，红灯变亮。
当水位从低到高是，红灯发光。
到达高水位时，绿灯变亮。
555元器件参数选择
NE555芯片参数功能特性：
①供应电压4.5-18V
②供应电流3-6mA
③输出电流225mA（max）
④上升/下降时间100ns
1.3.2降压整流电路
降压整流电路设计
该部分由降压一个变压器TF1、四个1N4002型的二极管构成桥式整流电路、一个电容C3组成。
其作用是为弱电部分的控制电路提供直流稳压电源。
电路图如图所示。
工作原理
原理如图2-2所示。
接通电源后，交流电流经降压整流部分，当输入交流电压为正半周时，对D1、D3加正方向电压，使得Dl、D3导通；对D2、D4加反方向电压，D2、D4截止。
电路中构成Es、Dl、U1、D3通电回路，在U1，上形成上正下负的半波整流电压。
Es为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。
电路中构成Es、D2、U2 、D4通电回路，同样在U2上形成上正下负的另外半波的整流电压。
由于整流后的直流实际是脉动的，也就是直流的波形不是平直的，因此使用大容量电容并联在电路中，在电压的波峰时储能，在波谷时放能，使脉动的直流电压波形接近平直。
2主要元器件参数选择
（1）降压变压器T1的选择
控制变压器一般用于降低控制部分电路电压，以保证控制电路的安全可靠。
本设计根据以下两个原则选用变压器容量。
1）根据控制电压的最大工作负荷时所需要的功率进行选择，以保证变压器在长期工作时不至于超过允许温升。
2）变压器的容量应能保证部分吸合的电器，在启动其他电器时，仍能可靠吸合，同时又能保证将要启动的电器也能启动吸合。
根据以上原则选择的变压器参数如表2-1所示
所选变压器参数表2-1
型号
输入电压
输出电压
输出电流
TF66×32
110V/220V
13V
3A
（2）滤波电容C4的选择
滤波电容的选择适合恰当直接影响到弱电部分电路能否正常运行。
常用的滤波电容为瓷介质电容，这里选择型号为X7R（稳定型）瓷介质电容，其大小为470
f。
1.3.3浮力开关
工作原理
为了能在相应水位触发控制电路的NE555芯片，浮力开关被安装在要求水位稍微低一些的水塔壁上，为了确保长期浸泡不会影响正常工作，设计中将及之相连接的导线外层包裹了抗腐蚀的树脂膜。
浮力开关的原理是：
水位淹没浮力开关→浮球上翘→带动内部连杆使得导线闭合→电路接通。
浮力开关两端及NE555芯片的2或6引脚和电源正极相连，当电路接通后，将给芯片的引脚输入数值为Vcc的电压信号。
浮力开关又称液位开关，常用的浮力开关有浮球式、静压（或差压）式、电容式、超声波式等。
本课程设计要求开关能够长期浸泡不影响正常工作。
此外，水塔中的水一般化学性质稳定，水压不大，而且测量精度不高，故这里选择浮球式浮力开关。
具体型号是上海质诺电子科技有限公司生产的SC-F系列浮力开关
SC-F系列浮力开关工作原理是：
侧装浮球液位开关侧装式浮球开关是利用液体浮力原理，当浮球因浮力作用而上下运动时，接线盒内的磁簧开关（或微动开关）受到臂端磁铁影响，而作“NC”接点及“NO”接点之互换。
具体元件参数的选择见下表
本设计所选浮力开关参数
型号
材质
安装方式
牙口规格
最高耐压
接线壳保护等级
SC-F75
PVDF、PP
侧装、上装
1-1/2、BSP
50kg/cm
IP-65
1.3.4电磁继电器的选择
为了满足控制电路的要求，本设计在综合考虑了控制电路的电压等级、触点数量、种类等因素后，选择封闭式小功率小型继电器，具体型号参数如下表所示。
中间继电器参数表
型号
线圈电源
线圈功率
触点额定电流
触点额定电压
JRX-13F-1
6-110V
0.5W
5A
250V
1.3.5输出控制
水位控制器控制输出（电磁继电器）接于12V直流电源下。
由自动/手动开关控制。
手动开关由操作人员自主控制，可自由控制电机的启动及关闭，从而控制水位的高低。
水位控制器电路设计
2.1系统电路原理
水位控制器电路原理图如
当自动/手动开关（K2）处于自动状态时
（1）水位在探针C以下：
此时探针A、B、C均不导通，555电路的2脚电平低于1/3VCC，6引脚电平低于2/3VCC。
3脚输出高电平，这时电磁继电器开始工作使电机开始工作，同时使得LED2处于导通状态，发出红光。
当水位慢慢升高，高于C探针时。
2脚电平高于1/3VCC，6引脚电平低于2/3VCC，3脚输出不变使得电机继续工作，红灯继续发光。
当水位到达A探针时，2引脚电平高于1/3VCC，6引脚电平高于2/3VCC，3引脚输出低电平，电磁继电器停止工作，使电机停止工作。
同时使得LED1处于导通状态，发出绿光。
（2）水位探针在A以上：
此时A、B、C均导通，2脚电平高于1/3VCC，6引脚电平高于2/3VCC，3脚输出低电平，电磁继电器不工作，使电机不会工作。
同时使得LED1处于导通状态，发出绿光。
当用水使得水位低于A时，2脚电平高于1/3VCC，6引脚电平低于2/3VCC，3脚输出不变，电磁继电器不会工作，电机也不会工作，LED1继续导通，发出绿光。
当水位低于C探针时2脚电平低于1/3VCC，6引脚电平低于2/3VCC。
3脚输出高电平，这时电磁继电器开始工作使电机开始工作，同时使得LED2处于导通状态，发出红光。
当自动/手动开关（K2）处于手动状态时
控制开关K3的闭合和断开即可控制电机的启动及关闭，实时的控制水位的高低。
2.2元件参数
1、整流器1个2、IC5551个
3、10K电阻2个4、100K变阻器2个
5、0.01μf电容3个6、470μf电容1个
7、发光二极管2个（红、绿）8、1N4001二极管2个
9、PNP9014三极管3个10、水位探针3个
11、12V电磁继电器1个12、变压器1个
13、电机1个14、单刀双掷开关1个
15、单刀单掷开关1个
水位控制器实验
3.1水位控制器实验
按照电路原理图连接好电路，其中水位探测针用是否接地来代替。
提供12V电压的部分直接用12V直流电源代替。
连接好电路后，按照“水位”从高到低，从高到低变化，观察3引脚的输出。
改变A、B、C的是否接地来观察3引脚的输出是否按照设计的变化。
运行结果
按照电路原理运行电路基本符合预期结果
故障及排除
1、555的5引脚和6引脚接反了。
重新接好了。
2、一个1N4001二极管接反了，导致一个指示灯不亮。
重新接好了。
总结
在此次的水位控制器的设计过程中，我们进一步地熟悉了NE555集成电路的结构及功能，掌握了各元件的工作原理及其使用方法。
水箱水位控制器具有独特的设计思想和简单可靠的控制电路。
在电路元器件正确安装完毕以后，只需稍做调整即可正常运行。
实践表明，系统运行以后工作稳定可靠，抗干扰能力强，在完全无需人工干预的情况下，能有效地进行水箱水位自动控制，节省了劳动力，减少了用电量，降低了成本。
该控制器具有小巧、经济、可靠、实用和节能降耗的特点，是一种值得推广的新型的自动控制装置。
在把NE555集成片，继电器，电位器接入电路中时，要求熟悉逻辑电路及其各引脚的功能，那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了。
在连接实物图时，看起来电路不是很复杂，可是一到连接的时候，才知道并不是看起来那么简单。
有时接一接线就接混了，例如应把接到NE555的6脚上的线，接到了NE555的5脚上，还有在还有一些连接上的错误，从而给我带来了很多麻烦。
在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和电路板的接触不良以及接线的错误所引起的。
回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论及实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识及实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故
参考文献
[1]赵保经主编．中国集成电路大全．北京：
国防工业出版社1985
[2]康华光等编．《模拟电子技术》第五版．高等教育出版社
[3]张庆双《实用电子电路200例》机械工业出版社2005
[4]赵世强、许杰等．《电子电路EDA技术》西安电子科技大学出版社，2000
[5]郝宏安、徐红媛．《555集成电路实用大全》上海科学普及出版社2003年9月
[6]陈光梦．《模拟电子学基础》复旦大学出版社2005年3月
[7]陈永甫《多功能集成电路555经典应用实例》电子工业出版社
致谢
感谢学校给了我们这次实习的机会，让我们有机会得到这次锻炼自己的机会。
次实习不仅锻炼了我们的动手和动脑能力，同时也使我们复习和学到了许多的知识。
是我们的学习得到了很大的提高。
这次实践的机会这是来之不易，感谢学院对我们的教导和支持。
感谢黄建春老师的细心指导，每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。
从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了黄师很多的宝贵时间和精力，在此向老表示衷心地感谢！
老严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生！
还要感谢和我几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。
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