陕西科技大学数字电路课程设计任艳涛(上交).doc

职业技术学院 学生课程设计报告课程名称：水塔自动供水装置数字控制电路设计 专业班级： 职教机电101 姓 名： 任艳涛 学 号： 20100312101 学 期： 2011年第二学期 陕 西 科 技 大 学 数字电路 课程设计任务书 职业技术学院 机械设计制造及其自动化 专业 班级 学生： 任艳涛 题目： 水塔自动供水装置数字控制电路设计 课程设计从 2012 年 6 月 25 日起到 2012 年 6 月29日1、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：l 电路具有自动给水功能：当水塔水位低于低水位时，发出给水塔加水控制信号，自动启动水泵抽水。l 电路具有自动停止给水控制功能，即直至水塔水位至高水位时，停止给水塔加水控制信号，自动关闭水泵。 l 具有指示灯led1、led2指示当前水塔水位数字控制电路运行状态。 2、对课程设计成果的要求包括图表、实物等硬件要求： 撰写课程设计报告，需包含以下内容： 1) 设计题目；设计内容及工作原理详细说明; 心得体会；参考文献等。 2) 进行详细的方案选择、电路原理。 3) 绘制相应原理示意图及完整电路原理设计图。 4) 列出元件清单。 3、课程设计工作进度计划：时间设计任务及要求6月13日需求分析、方案选择与确定6月14日电路详细设计6月15日电路详细设计，元件参数确定6月16日撰写课程设计报告6月17日总结及成绩评定 指导教师： 日期： 教研室主任： 日期： 陕西科技大学 课程设计成绩考核表课程设计名称：水塔自动供水装置数字控制电路设计专业：机械设计制造及其自动化班级：机电101 学号： 20010312101 姓名 任艳涛 下表由指导教师按实际情况进行填写：考核内容所占比例得分设计方案15说明书15图纸、程序、计算、作品等的完成质量30创新与发挥情况10答辩（口试）情况20出勤率10指导教师评语总评成绩评定等级成绩与等级对应表优90100良8089中等7079及格6069不及格59分以下指导教师签字： 教研室主任签字： 200 年 月 日 目录一设计目的- 6 -二课程设计题目描述和要求- 6 -三课程设计报告内容- 6 -四结论- 15 -五结束语- 15 -六参 考 文 献- 16 -引言日常生活和工业生产中，水位控制装置有着广泛的应用，如水塔、楼房水箱、锅炉等。水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式，电节点式，压力式，电子式，微机式等。这些装置或多或少的存在着一些缺点：浮子开关式采用机械结构，维护起来不方便；微机式控制装置，虽然操作方便，但造价较贵本位从实用型和经济型出发，设计了一种水位控制装置，该装置结构简单维护方便，工作可靠性能价格比优良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺点。简单易行，有很多场合下均可采用。一 设计目的 通过这次设计熟练对电子设计的动手技能，提高电子设计的能力，同时也培养学生收集、整理、分析和刷选利用资料及各类信息的能力，也使得学生通过这次的设计对所学的数电和模电知识及各种电路、电路元件的功能更好的理解和运用。二、课程设计题目描述和要求 1电路具有自动给水功能：当水塔水位低于低水位时，发出给水塔加水控制信号，自动启动水泵抽水。2电路具有自动停止给水控制功能，即直至水塔水位至高水位时，停止给水塔加水控制信号，自动关闭水泵。 3具有指示灯led1、led2指示当前水塔水位数字控制电路运行状态。 三、课程设计报告内容 1、设计思路每部分电路都有其相应功能：首先有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之后，输出其他电路的控制信号，控制其他电路工作，电机控制电路部分接收到有信号处理电路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，而水位的变化有直接关系到信号的产生，因此有个循环的过程，即使水位保持在一定范围内：水位显示电路接收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。2.现有设计方案的分析 （1）继电器式自动上水控制装置 继电器式自动上水控制装置工作原理是通过接入220v继电器控制电路的3个探测电极来检测水位高低，使继电器闭合或开启，控制水泵电动机的开停，达到控制水位的目的，控制电路较简单，但要注意以下几点:1)在维修水塔中的水位探测电极时，须断开主回路和控制回路电源开关，以防止n线回路由于零电位漂移而带电，或从控制回路线圈回路串过来使n线带电，造成维修人员的触电危险。2)在水塔的低水位探测电极c的引线端，必须进行n线的重复接地。接地电阻要求小于4，使c点水位探测电极保持良好的零电位，以利于继电器的可靠吸合，使自控电路运行稳定。3)在水泵向水塔供水时，由于水流的冲击，使水塔内的水位波动起伏，容易导致继电器吸合、断开的频繁跳动，影响自控电路的正常稳定运行。为了解决这个问题，我们可以在水塔中放置一木排浮漂，使水塔的水位上升平衡稳定。（2）晶体管式自动上水控制装置晶体管式自动上水控制装置工作原理是水位高低控制串接探测电极的2支晶体三极管的导通、关断，从而控制继电器回路，达到自动(可手动)启停水泵电动机的目的，以控制水位。设计与使用中应注意以下问题:1)自制电子式自控装置所选用的电子电器元件必须是正规产品，并应对元器件的主要技术参数逐项检测。对装配好的整机要进行电老化及热老化的试验，并在电气试验室作额定工作状态的频繁动作100次以上的传动试验，以及绝缘耐压试验等。2)由于三极管输出信号较小，需通过中间继电器来控制主回路接触器，以延长器件寿命，增加可靠性。3)水位探测电极，至少要用6mm2的铜芯塑料线，如用30mm3mm或40mm4mm铜排则更好。其端部要用电烙铁加热搪锡，以防止探测电极氧化锈蚀，降低电极的导电性能。4)定期对整个控制电路检修维护和探测电极的清扫除垢。5）选用方案555定时器组成的水位自动控制器3、总体设计框图 有任务分析可知该设计电路有三个功能：水位控制、水位显示。而要有这些功能就必须要有使其工作的控制信号，所以首先即必须要有输入信号，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，因此可以将整个电路设计为以下部分：信号产生、信号处理、电机控制和水位显示电路。整体电路框架如下图1所示。显示器水位显示信号产生信号处理电机电机控制 图1总体设计框图4、各部分电路设计4.1、信号产生部分 该电路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，初步将该电路设计成由水面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。按此分析，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做输入信号，而断开时设为无效信号，因此可以由电信号的接通与断开之间的变化产生信号当做控制信号。在水塔的不同位置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具体位置，再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做输入信号经过处理后成为电路的控制信号。根据设计的要求，设水塔分水满、不足、两者之间三部分，因此可用探头个数设计为三个点的水位，原理图如下：a-c为三个检测探头，其中a探头表示水箱底部水不足的临界点，b表示在水满和水不足之间，c探头表示水满的触点。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。 图2 探头原理图4.2、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，由于水的导电性十分微弱，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，因此可以接一个反相器对输入信号进行处理。 图3所示即为用反相器对信号处理的原理图。4.3、水位显示部分 由以上电路的设计，可选用74ls147的优先编码器，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。先用优先编码器把所输入信号进行编码，编码后由于输出低电平信号有效所以用反相器进行校正，校正后驱动显示器进行工作。用开关的通断来分别表示水满、不足、中等这几个信号，水满时显示器可显示3，水不足时显示1。根据要求该电路设计以编码器为核心的编码电路，具有设计的电路如下图示：图4信号编码电路a、 b、c为信号输入端，d、c、b、a为编码器信号输出端。元件选择：编码器74ls147，反相器7407，显示器。4.4、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。主要目的就是要控制电机的工作，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。现用灯泡的亮灭代替电机的运转。由于任务要求：当水位低时要自动进水，满时要及时断电停水。也就是说只有a开关闭合时电机运转，现在用灯泡来表示即为灯灭;当3个开关都闭合是即显示3灯亮。图5 电机控制电路由于当dcba为0011是灯亮，dcba为0001是灯灭，故上图开关a闭合表示b=1，a打开表示b=0. 其原理为：a1和a2是两个555时基集成电路，其中，a1及r1、r2、c2组成自激多谐振荡器，a1的3脚每50s输出一个宽度仅为0.1s的低电平脉冲。a2与r4、c3组成延迟约为70s的单稳态触发器。 当水池中水位最低时即显示器显示1时，上面开关断开，此时a2的2脚为低电平，3脚为高电平，灯不亮。当水位上升最高点时，开关闭合，a2的2脚仍为高电平，a2的3脚变为低电平，灯亮。优先编码器的输出信号与灯的状态之间的关系：dcba灯0001灭0010保持0011亮4.5、元器件的选用及其参数在这里选择的555单稳态触发器，是由555定时器的基础上发展而来的。先对555定时器做个简单的介绍。图6 555定时器原理图下表是555定时器的功能表，充分说明了它的特性。如表（2）表（2）555功能表555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。在这里用到的555单稳态触发器其工作特性是没有触发信号时，电路只有一种稳定状态一直保持低电平不变，有触发信号时，先会进入暂稳态再回到稳定状态。555时基电路(ic)接成单稳态触发器形式，继电器接在ic输出端3脚与地之间，2脚为触发信号输入端。平时3脚输出信号v=0，单稳态触发器为稳态。当有一负触发脉冲vi作用于2脚时，单稳态触发器翻转为暂稳态，3脚输出信号vo=vcc。单稳态触发器驱动电路的特点是每触发一次555时基电路便驱动负载工作一个固定的时间，该工作时间等于单稳态触发器的输出脉宽丁(t=1.1rc)。在这里主要发挥了它的三大特点:其一，触发电流仅为0.5a，特别适用于电极式水位触发导通电流越小越好的关键技术特性；其二，输出负载电流大，最大可达200ma，可直接驱动继电器；其三，可利用单稳态电路的延时特性避免由于水流冲击导致水塔内水面波动起伏而影响输出继电器频繁跳动的不良现象，以使自控电路工作更加稳定可靠。图7 555单稳态触发电路图5、整体电路图图8 电气原理图四、结论4.1设计过程中遇到的问题及解决方法在本次课程设计中，我的一个最大失误就是电路设计这方面，一方面是网上可供查阅的资料很少，我得自己探索着做，另一方面就是对基础知识掌握的不牢，很多基本的东西都不记得了，导致出现重大的设计失误，所幸我对这个设计还算比较熟悉，最后能够及时弥补设计失误带来的时间和人力物力上的浪费。所以说以后需要认真学习，踏实实践，及时复习，才能将一门课学好。4.2设计体会 通过一周的课程设计，使我对数字逻辑电路这门课又有了新的认识和收获。这让我深深地体会到了实践与理论相结合的重要性，过去学了数字逻辑电路的知识之后就放在一边了，等到用的时候才发现自己学的很浅，使用仿真软件一段时间以后，对以前所学的知识进行了复习和巩固，这对以后的学习是大有裨益的。4.3问题所在本次设计基本上完成了设计任务，但是，如果投入到实际的应用中可能会出现大大小小的问题，希望在以后的设计中不断地想出新的设计思路，不断的模拟仿真。当然，还要不断的和老师交流，探讨五结束语1.学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的数电水平还可以。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。 2.多和老师讨论。在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我可以尽可能的纠正自己思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了把自己错误想法及时打消。讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。3.多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。4.在设计过程中得到老师和同学的帮助，再次表示感谢。 六参考文献 1 康华光.电子技术基础（数字部分）m. 华中科技大学电子技术课程组编.高等教育出版社 2006年1月第5版. 2008年12月第6次印刷. page 203-2302 卿太全，李箫，郭明琼.