简易水塔供水系统.docx
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简易水塔供水系统
第一章系统基本设计
第一节引言
随着生活水平的提高,水塔自动供水系统在日常生活及工业领域中应用相当广泛，本设计应用于工厂备用水源方面使用自动供水系统,而以往水塔水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，而本设计的主要作用是能够很好的节省劳动力，免去了传统的供水的繁琐，自动供水，适用于节约型经济社会。
本系统摒去一往的设计理念，将水的特殊导电性做成的水位传感器作为芯片的输入量传给芯片，经芯片处理后由继电器控制水泵的启动和停止。
以确保给水、补水箱水位的平衡，并且还有指示灯来实现当前的工作状态。
第二节系统设计方案
1.2.1设计要求：
1、可以自动实现水位检测。
2、可以自动启动停止水泵。
3、有指示灯能够现实当前的工作状态。
1.2.2两种设计方案
方案一：
用单片机作为控制核心用六个液位传感器分别作为给水箱补水箱的上限位、中限位和下限位传感器，从而利用单片机采集信号、处理来控制电机起停实现补水与否和工作状态指示。
方案二：
系统以模拟，数字混合电路为核心，利用水的特殊导电性做成的水位传感器作为芯片的输入量。
通过逻辑门电路的组合来实现控制。
与非门电路组成给水箱控制电路实现给水箱的补水；用与门电路的组合实现补水箱控制电路，控制给给水箱补水与否；最后通过两个二极管的开通和关断来实现电机的启动与停止以及工作指示灯的指示。
对比以上两种方案都可以实现系统要求，但方案一成本高，电路复杂，并且还需要软件的调试。
考虑到系统的精度不需很高，确定选择方案二的设计。
第二章电源电路
电源采用三端稳压器结构。
电路有整流、滤波及三端稳压等环节组成，如图2-1
图2-1电源电路
第一节单相桥式整流
桥式整流电路由变压器、四个二极管组成的整流桥和滤波电容等器件组成，属于全桥整流电路。
整流过程如图2-1
当u2是正半周时，二极管VD1和VD3导通，而二极管VD2和VD4截止，负载上的电流自上而下流过负载，负载上得到与u2的正半周期相同的电压。
当在u2负半周时，u2的实际极性是下正上负，二极管VD2和VD4导通而VD1和VD3截止，负载上的电流仍然自上而下流过负载，负载上得到了与u2正半周相同的电压。
图2-2桥式整流波形图
单相桥式整流电路的指标
U0=0.9U2
第二节滤波电路
经过整流后，输出电压在方向上没有变化，但输出电压波形仍然保持输入正弦波的波形，输出电压起伏较大，为了输出平稳的直流电压必须采用滤波电路，以改善输出电压的波动性，本设计采用常用的电容滤波电路。
滤波过程如图2-1
当负载开路时，电容无能量存储，输出电压从0开始增大，电容开始充电，当u0=uc时，u0达到最大值，即
此后，由于u2下降，二极管处于反向偏置而截止，电容无放电回路，所以u0保持在
的数值上。
当接入负载后，前半部分和负载开路时相同从最大值下降时，电容通过负载RL放电。
u0按指数规律下降，当u2的值在增大后，电容再继续充电；同时也向负载提供电流，电容上的电压仍会不断上升，这样不断地进行，在负载上得到比无滤波整流电路平滑的直流电。
在实际应用当中，为了保证输出电压平滑，使用单项桥式整流，电容滤波时的直流电压一般为
u0≈1.2u2
如图
图2-3电容滤波波形图
第三节主要器件选择
设计电路须要12V直流电源，因此选用稳压芯片7812的范围大于15V。
所以u2的滤波输出不能低于15V，又因为
ud=1.1—1.2u2
所以u2=15V
所以交流变压器选择15V
7812主要特点：
输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。
它的工作是将一个高于12V的直流变成一个稳定的12V直流电,并且可输出一定的电流,可以带动一定的负载.
7812适用于电源稳压电路，是一种三端的集成稳压芯片，它一般是用在需要DC12V的电路中。
中间引脚是地，第1脚为输入，第3脚为输出。
一般是耦合变压器后级整流变直流后，要输出稳定的12V就有用到。
第三章电路控制原理
第一节水塔与补水箱控制电路
3.1.1总体工作原理
1.当地下水池和楼顶水塔都水满时：
即ABC都为高电平，DEF也都为高电平，在IC2b和IC2c的两个输入端都为高电平，则IC2c的输出端为低电平，从而使IC1a输出为低电平，则Q2不导通，灯LED2不亮，灯LED1亮。
2.当地下水池满水时，而楼顶水塔水位位于D、E之间时：
IC2b的9转为“1”，而D则是因为原来IC2a输出高电平保持不变，8输出也为“1”。
同理则Q2不导通，灯LED2不亮，灯LED1亮。
3.当地下水池水满时，而楼顶水塔水位位于F、E之间时：
IC2b的9输入“0”，则IC2b输出为“1”，则IC2a输出为“0”，则使IC2c输出为“1”，而IC1c两端全为高电平，则使IC1a两端高电平输入，从而使Q2导通。
则使继电器KA得电，水泵运行，而Q1不导通。
灯LED1不亮，灯LED2亮。
4.当地下水池水位位于A、B之间，而楼顶水塔水位位于E、F之间时：
同3所述，IC2c输出高电平，而IC1b的8输入端由于前面水满时输出高电平，使8脚保持“1”，从而使IC1c输出为“1”，而Q2导通，Q1不导通。
灯LED1不亮，灯LED2亮。
当楼顶水塔水位到达D、E之间后，使IC2b的9输入为“1”，但是由于水位在E、F之间时使得IC2a输出低电平，从而使Q2导通继续上水，直到水位超过D。
5.当地下水池水位位于B、C之间，而楼顶水塔水位位于E、F之间时：
此时IC2c输出高电平，但由于IC1c的两个输入端均为低电平，则IC1c输出端为低电平，从而使IC1a输出低电平。
Q2不导通，无法启动水泵给楼顶水塔供水。
灯LED1亮，灯LED2不亮。
3.1.2电机部分工作原理
1.当Q2导通，Q1截止的时候继电器KA得点吸合；当KA吸合后，电机的控制电路接通，KM得电，主电路KM的主触点接通，水泵（M）运转开始上水。
2.在电机的主电路中加入了热继电器，过载保护。
当过载时FR在控制电路中的常闭断开，水泵停止工作。
3.在控制电路中加入了急停开关K1，当电机异常工作时切断K1可以停止水泵工作。
如图：
图3-1电机控制图
第二节主要芯片介绍
3.2.14011芯片介绍
4011芯片
CMOS4011是有四个2端输入与非门的集成电路,其中:
或非门一——1、2脚为输入端，3脚为输出端；
或非门二——5、6脚为输入端，4脚为输出端；
或非门三——8、9脚为输入端，10脚为输出端；
或非门四——12、13脚为输入端，11脚为输出端。
第7脚为电源地；第14脚为电源接正极3-15V。
图3-24011引脚功能图
3.2.24081芯片介绍
4081引脚说明
1A
数据输入端
1B
数据输入端
1Y
数据输出端
2A
数据输入端
2B
数据输入端
2Y
数据输出端
3A
数据输入端
3B
数据输入端
3Y
数据输出端
4A
数据输入端
4B
数据输入端
4Y
数据输出端
VDD
正电源
VSS
地
-
-
引脚功能图如图
图3-34081引脚功能图
3.2.39014三极管介绍
9014为NPN低噪放大管，额定工作电压：
50V，额定工作电流：
0.1A，标称功率：
0.4W,额定工作频率：
150HMZ,放大倍数hFE：
100～1000（分段可选）
9014三极管参数
集电极最大耗散功率PCM＝0.4W（Tamb=25℃）
集电极最大允许电流ICM=0.1A
集电极基极击穿电压BVCBO=50V
集电极发射极击穿电压BVCEO=45V
发射极基极击穿电压BVEBO=5V
集电极发射极饱和压降VCE（sat）=0.3V（IC=100mA;IB=5mA）
基极发射极饱和压降VBE（sat）=1V（IC=100mA;IB=5mA）
特征频率fT=150MHz
3.2.4中间继电器介绍
中间继电器是由固定铁芯、动铁芯、弹簧、动触点、静触点、线圈、接线端子和外壳组成。
线圈通电，动铁芯在电磁力作用下动作吸合，带动动触点动作，使常闭触点分开，常开触点闭合；线圈断电，动铁芯在弹簧的作用下带动动触点复位。
常见的中间继电器也有主触头和辅助触头，主触头一般有四组，辅助触头有两组。
与接触器相比，它的主触头较小，承载能力低，主要用于传递控制信号。
一般的电路常分成主电路和控制电路两部分，继电器主要用于控制电路，接触器主要用于主电路；通过继电器可实现用一路控制信号控制另一路或几路信号的功能，完成启动、停止、联动等控制，主要控制对象是接触器；接触器的触头比较大，承载能力强，通过它来实现弱电到强电的控制，控制对象是用电器。
技术参数：
1、动作电压：
不大于70%额定值。
2、返回电压：
不小于5%额定值。
3、动作时间：
不大于0.02s（额定值下）。
4、返回时间：
不大于0.02s（额定值下）。
5、功率消耗：
直流回路不大于4W，交流回路不大于5VA。
第四章总结
本设计最终可以实现自动实现水位检测、自动启动停止水泵、指示灯显示当前的工作状态等功能。
电源部分采用三端稳压器结构，通过桥式整流、电容滤波、三端稳压最终实现对电路板输入12V直流电源。
控制电路部分以模数混合电路为核心利用水的特殊导电性做成的水位传感器作为芯片的输入量，通过逻辑门电路的组合来实现控制。
与非门电路组成给水箱控制电路实现给水箱的补水；用与门电路的组合实现补水箱控制电路，控制给给水箱补水与否；最后通过两个二极管的开通和关断来实现电机的启动与停止以及工作指示灯的指示。
本设计具有成本低、可以实现自动控制、电路简单、应用范围广泛等优点。
附录Ⅰ
参考文献
1.刘峰.电力电子技术.大连：
大连理工大学出版社，2005
2.付植桐.电子技术（第二版）.北京：
高等教育出版社，2004
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高等教育出版社,2001
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高等教育出版社，2002
6.余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].北京:
高等教育出版社,1999
7.何希才.常用集成电路应用实例.－北京：
电子工业出版社，2009
后记
在做毕业设计的短暂的时间里，我收获颇丰。
首先，非常感谢我的指导教师陈老师，在毕业设计的整个过程中，陈老师以其渊博的学识和独特有效的方法逐步启发式地指引我毕业设计的方向，使我从容地、有条不紊地完成了毕业设计的任务，并从始至终细心为我辅导，不辞辛劳地为我答疑解惑，使我的毕业设计能够顺利的完成。
陈老师为我提供了很多资料，让我在做毕业设计时节约了不少时间。
在设计之前我对这个电路有了一定的了解，通过老师的讲解，我对电路有了更进一步的了解。
然后通过查资料，对电路的基本组成部分有了一定的认识。
总之，经过一次毕业设计的洗礼，我学到了很多书本上学不到的东西。
在设计过程中我学到了很多知识，提高了思考的能力，也学会了如何运用已有的知识解决遇到的新问题，以及在遇到不懂的问题时如何去查阅相关资料。
最后，再一次衷心地感谢帮助我完成这次毕业设计的老师，以及在这次毕业设计中帮助过我的同学。
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