水位自动控制装置.docx
《水位自动控制装置.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水位自动控制装置.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
水位自动控制装置
辽宁工业大学
时间：
2021.03.07
创作：
欧阳德
电子技术基础课程设计（论文）
题目：
水位自动控制装置
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
教师职称：
起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电子与信息工程学院教研室：
电子信息工程
学号
学生姓名
专业班级
课程设计（论文）题目
水位自动控制装置
课程设计（论文）任务
设计任务：
1、水位自动控制在一定范围内（如2-6米），当水位低至2米时使电机启动，带动水泵上水；当水位升至6米时，使电机停转。
2、因特殊情况水位超限（如高至7米、低至1米）报警器报警。
3、设有手动按键，便于随机控制。
4、由数码管直观显示当前水位。
设计要求：
1.分析设计要求，明确性能指标。
必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
2.确定合理的总体方案。
对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
3.设计各单元电路。
总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。
4.组成系统。
在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。
指导教师评语及成绩
成绩：
指导教师签字：
年月日
第1章水位自动控制装置设计方案论证
1.1水位自动控制装置的应用意义
水位控制器是近年来开发的一项新技术，它是传感器、硬件、软件等几项技术紧密结合的产物，作为水塔水位控制装置，其主要任务是保证水塔的安全、稳定、经济的运行，减轻工作人员的劳动强度。
采用集成电路，能对水塔水位进行自动检测、自动控制等多项功能。
由于我国水位测量操作水平落后，工作人员过多，但是现在水位控制器为水位控制开辟了广阔的前景。
1.2水位自动控制装置设计的要求及技术指标
1、水位自动控制在一定范围内（如2-6米），当水位低至2米时使电机启动，带动水泵上水；当水位升至6米时，使电机停转。
2、因特殊情况水位超限（如高至7米、低至1米）报警器报警。
3、设有手动按键，便于随机控制。
4、由数码管直观显示当前水位。
1.3总体设计方案框图及分析
每部分电力都有其相应的功能：
首先由信号产生部分产生整个电路的输入信号，该信号经过信号处理部分处理后输出其他电力的控制信号，控制其他电力工作：
电机控制电力部分接受到由信号处理电力输出的有效控制信号后正常工作驱动电机转动抽水，使水位上升，而水位的变化又直接关系到信号的产生，因此有一个循环的过程，即使水位保持在一定范围内；水位显示电路接受到有效信号后驱动显示器工作使其显示该时刻的水位；水位超限时输出为报警电路的有效控制信号使报警电路工作驱动报警器报警。
由“信号产生信号处理电机控制电机信号产生”这个循环就能使水塔具有自动控制水位的能力。
由任务分析可知，该设计电路主要有三个功能：
水位控制、水位显示与报警。
而要有这些功能就必须要有使其工作的控制信号，所以首先就必须要有输入信号，因为任务要求是自动控制所以输入信号也必须由电路自己产生而不能人为加入。
水位控制器主要由水位传感器、电源电路和控制电路三部分构成。
整体电路框架如图①所示：
图①总体设计框图
第2章水位自动控制装置各单元电路设计
2.1信号产生部分
该部分的目的是产生有效的输入信号。
主要原理是利用水的弱导电性。
水属于弱导电质，即使这样也可以通过水来传递微弱的电信号。
鉴于此原理，初步将该部分设计成由水面的上升与下降来控制电信号的接通与断开：
当水位上升时接通电信号；当水位下降时断开电信号。
按此析，只要在水塔里放上用来传递电信号的探头，则水位上升到探头位置时接通电信号；水位低于探头位置时断开电信号。
把电信号接通时设为有效信号即当作控制信号。
在水塔的不同放置几个探头时就可以根据水位的高低接通某些探头和断开某些探头。
因此只要知道每个探头的具体位置，在根据其输出电信号的情况就能大致确定水位的位置，将探头输出的电信号当作输入信号经过处理后成为电路的控制信号。
设计该部分主要在于探头个数的选择与探头放置位置的选择。
因为探头的个数直接关系到水位检测的精确度：
探头个数越多检测点也就越多检测水位就越准确。
但如果探头太多就会给其他电力设计带来麻烦：
一个是信号处理的输入端要多，一个是水位显示也要相应的增加，加大了工作量。
根据任务设计的要求，假设一水塔高8米，令该水塔水位到达7米或低于1米时报警，也就是说水塔最起码要有7米深，因此可以将探头个数设计为八个，分别检测八个点的水位，原理图如下图②所示。
a—h为八个检测探头，其中a探头到水箱底部的高度为1米，其他探头一次放置在相差一米的位置上，即只能检测到1—8米的水位。
COM为公共电极，接+5V。
为了提高精确度，将公共电极尽可能的靠近探头，即使电极与探头的距离尽量小，有利于电信号的传递。
当水位上升到套头位置时，+5V电信号经过介质水接通到所在的探头；而当水位下降时断开，因此只要测出哪些探头接通电信号时，就大概可以确定水位的高度。
比如说只有abcd有电信号输出，而efgh都没信号（或者说输出低电平）输出时，就基本上可以确定水位在探头d以上e以下，即在4—5米之间，再将该电信号输入到信号处理部分进行处理输出相应的控制信号即可。
图②探头原理图
2.2信号处理部分
该部分主要是对输入信号进行处理输出其他电路的控制信号。
由于水的导电性十微弱，由公共端通过探头的电信号会很小，不一定能够成为满足电路工作的控制信号，因此有必要先对输入信号进行放大处理。
根据元器件的功能可知，晶体管具有放大、饱和和截止三种工作状态，可选用一种状态输入信号进行处理。
图③信号处理电路
由探头出来的电信号输入到信号输入端，由信号输出端输出。
当有电流从公共电极流入探头时，经过电阻R到达晶体管Q的基极，此时三极管的发射结合集电结电压都正偏。
当发射结电压超过三极管的导通电压时，由晶体管的工作条件可知此时其处于饱和状态，即相当于开关的闭合状态，接通集电极与发射极，使集电极输出低电平。
只要涉及电阻R的阻值合理，就能比较稳定地使晶体管工作。
经过三极管处理的信号还只是一个低电平的信号，没有控制其他电路工作的能力，还必须经过编码处理。
由以上电路的设计与分析，该编码电路最少应有八个输入端，作为八个探头输出信号的输入端，而且有效电平为低电平，因此应设计成具有优先编码功能的编码电路，所谓“优先”编码即多个输入端同时满足编码条件时，只对最高位编码。
根据要求该电路设计成以编码器为核心的编码电路，具体设计的电路图如图④所示：
图④信号编码电路
a-h为信号输入端，DCBA为信号输出端。
元器件选择：
编码器74147，反相器7404。
芯片介绍：
74147为10-4线BCD优先编码器，编码输入有效电平为低电平，编码输出为BCD反码，即当输入端有“0”输入时，输出端就输出与之对应的BCD反码。
如“2”，“4”同时输入“0”，则按“4”进行编码，内部编码成BCD码0100，输出则为BCD反码1011,74147的真值表如表①所示：
表①74147真值表
2.3水位显示电路
该部分主要是用七段数码显示器显示水位。
七段数码显示器一般有两种接法：
一种是共阴极接法；一种是共阳极接法。
无论哪种接法，其都是由七组发光二极管构成。
当其为共阴极接法时则对高电平有效，即要输入高电平时才能使其点亮；当其为共阳极接法时对低电平有效，只有输入低电平时才会显示，显示器原理图如下图⑤中（a）、（b）、（c）所示。
图⑤七段数码管显示器原理图
由原理图可知，该显示器有七个发光二极管分别用a、b、c、d、e、f、g，因此只要点亮相应的发光二极管，就能使其显示特定的数字，比如说对于共阴极接法的显示器同事对a、b、c输入高电平时使a、b、c段二极管点亮而其他的都灭即显示出数字“7”。
该部分电路直接由显示译码器对编码信号译码后驱动显示器工作，电路图如图⑥所示：
图⑥显示器原理图
DCBA为二进制码信号输入端，a—g为译码后信号的输出端。
信号输出后经过限流电阻直接接到显示器输入端，驱动显示器工作。
元器件选择：
经过分析，译码器选用BCD-7段译码显示器驱动器7448；显示器为共阴极七段数码显示器；R阻值220欧姆。
7448译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器，其功能表如表②所示:
表②7448功能表
由功能表可以知道，当输入信号DCBA为二进制码0000，即相当于十进制的“0”时，输出abcdefg为1111110，接到显示器上的相应输入端即显示数字“0”；当DCBA为0101，即相当于十进制的“5”时，abcdefg输出为1011011，接到显示器时点亮a、c、d、f、g即显示出“5”。
2.4电机控制电路
该部分为整个设计电路的重点部分，也是难点部分。
主要目的即是要靠那个值电机的工作通过控制电机的工作来控制水位，这也就是本实验的主要设计目的。
由任务的设计要求：
要将水塔的水位控制在2-6米。
即水位低于2米时使电机工作升到6米时使电机停止工作。
而由信号产生部分设计可知：
当水位低于2米时只有探头a接通电信号。
因此要将该电信号设计为控制电机转动的控制信号。
而该电信号通过编码处理后输出为四位二进制码0001，所以就是要使输出信号为0001时使电机工作。
而水位上升到6米时要控制电机停止工作。
因此时水位在6米时有六个探头接通电信号，为a、b、c、d、e、f。
根据编码器的工作原理，只有探头f的电信号才为有效信号，即只对f的电信号编码处理。
此时才为有效信号，即只对f的电信号编码处理。
此时由f引进来的信号经过编码后成为二进制码0110，因此要将0110设计为电机停止工作的控制信号，即当输入到电机驱动的信号为0110时使电机停止。
根据分析将该部分电路设计成如图⑦所示：
图⑦电机控制电路
DCBA为信号输入端。
IC7420为四输入与非门，手动开关为三路选择开关。
由电路图可知，该电路主要由四个部分组成：
四输入与非门、继电器、手动开关、电机。
当DCBA输入为0001信号时经反相器后接到四输入与非门输入端为1111则输出为低电平0，接到与门一端使其锁住；当DCBA输入为0110时经反相器接到四输入与非门输入端为1111亦输出低电平0，经过反相器后输出高电平1接到或门一端。
电路工作原理：
假设刚开始水塔的水位在2米以下，则先将手动开关拨向3使电机接通AC220V工作抽水，当水位上升到2米以上6米以下时，再将其拨向1，则此时由继电器控制电机。
因为这时经过编码处理输出的BCD码DCBA不是为0001或0110，所以四输入与非门的两个输出端Y1与Y2都输出为高电平1。
由于而输入与门的另一个输入端为低电平，则输出为低电平；而Y2输出经过反相器后亦为低电平，因此三极管处于截止状态，继电器没有工作，即放开铁片。
则此时电机任由继电器的第二通道接通220V工作。
当水位继续上升到6米时输入信号DCBA为0110，此时Y2输出低电平0，经反相器后为高电平1，通过逻辑或门接到三极管的基极使三极管导通工作，即接通发射极与集电极，使继电器通电工作吸合铁片。
从而断开电机与220V使电机停止工作，也就使水位停止在6米处。
因此时继电器吸合铁片，是+5V的电源由继电器的第一通道接到与门，与Y1同为高电平则使逻辑与门输出为高电平，这样即使水位下降，Y2接到三极管的基极为低电平时也能使三极管工作在导通状态，是继电器工作吸合铁片不让电机工作。
而当水位下降到低于2米时，输入端DCBA变为0001，Y1输出低电平0，锁住与门，即使与门输出为低电平0，因此时没有电流流到三极管基极而使其处于截止状态，从而断开继电器的电源使其放开铁片，这样又将电机由继电器的第二通道接通到电源，转动抽水，既能将水位控制在2米以上。
2.5报警控制电路
根据任务设计要求只要将编码处理输出的信号DCBA为0000或0111时设为报警电路的控制信号即可。
由555定时器和三极管构成的报警电路如图⑧所示。
其中555构成谐振荡器，振荡频率
其输出信号经三极管推动扬声器发声。
PR为控制信号当PR为高电平时多谢振荡器工作；反之则停止工作。
PR信号是由74LS20产生的。
该电路主要由四输入与非门、反相器、或门、报警器构成。
当水位低于1米或升到7米时编码器编码输出的信号DCBA为0000或0111，再经过反相器输入到四输入或非门输入端后输出为低电平再经过反相器后变为高电平。
该高电平通过或门后再经过限流电阻驱动报警器工作。
因此可以通过报警器来判断整个控制电路的工作是否正常。
四输入与非门选用7430，反相器为7404，或门为4071，报警器用石英晶体振荡器来代替。
图⑧水位报警电路
由理论分析A点可接一非门连接一喇叭，低于A点时，非门的作用，喇叭变会响；C点可直接接一喇叭，高于C点时，喇叭变会响。
这就够成了简单的报警电路。
第3章水位自动控制装置整体电路设计
设计总结
通过这次课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来的发展方向，使自己的专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
通过这次亲手设计水位自动控制装置我又一次复习了一学期来所学的知识，同时我也意识到自己所学的不足，在今后的学习中我将继续努力。
参考文献
[1]康华光,《电子技术基础》数字部分（第五版）高等教育出版社，2006.01
[2]毕满清《电子技术实验与课程设计》（第3版）机械工业出版社，2005.07
[3]付家才《电子工程实践技术》2009.10
[4]毛期俭《数字电路与逻辑设计实验及应用》人民邮电出版社，2005.12
[5]《电子技术实验指导书》西华大学主编
[6]陈日耀．金属切削原理[M]．北京：
机械工业出版社，1985.33－36
[7]张宪、何宇斌．电子电路制作指导[M]．北京：
化学工业出版社，2006.317－319
[8]刘福太．蓝版电子电路495例[M]．北京：
科学出版社，2007.123－124
时间：
2021.03.07
创作：
欧阳德
升级会员 