毕业论文-自来水塔水位自动控制设计.doc

四川信息职业技术学院 毕业设计说明书 论文 设计题目 自来水塔水位自动控制设计 专 业 应用电子技术 班 级 应用 07 2 班 学 号 姓 名 指导教师 2009 年 12 月 12 日 四川信息职业技术学院毕业设计 论文 任务书四川信息职业技术学院毕业设计 论文 任务书 学 生 姓 名 专业应用电子技术 设计 或论文 题目自来水塔水位自动控制 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 赵文宣 设计 论文 内容 1 查阅 NE555 的相关资料 了解此方面的发展状况 2 掌握相关方面的技术 3 设计 实现该系统 4 撰写设计报告 进度安排 3 7 周 根据要求设计出方框图和原理电路图 根据电路分析其工作原理 8 10 周 根据电路准备电子元件 11 14 周 制作出电路板 安装并调试 测试出相应的技术指标 15 18 周 根据调试分析其优缺点和提出整改措施 完成论文 主要参考文献 资料 写清楚参考文献名称 作者 出版单位 1 高吉祥 电子技术基础实验与课程设计 北京 电子工业出版社 2002 年 2 彭介华 电子技术课程设计指导 北京 高等教育出版社 1997 年 3 毕满清 电子技术实验与课程设计 北京 机械工业出版社 2001 年 审 批 意 见 教研室负责人 年 月 日 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 I 目目 录录 摘要摘要 1 第第 1 章章 绪论绪论 2 第第 2 章章 设计框图及电路系统概述设计框图及电路系统概述 3 2 1 目的 3 2 2 设计框图 3 2 2 1 设计方框图 3 2 3 元器件简介 4 2 3 1 NE555 介绍 4 第第 3 章章 电路工作原电路工作原 10 3 1 总体电路图 10 3 2 电路工作原理分析 10 第第 4 章章 EWB 软件仿真软件仿真 12 4 1 上水过程 12 4 1 1 电路仿真现象 12 4 1 2 电路工作原理 12 4 2 水满时 13 4 2 1 电路仿真现象 13 4 2 2 电路工作原理 13 4 3 水下降时 14 4 3 1 电路仿真现象 14 4 3 2 电路工作原理 14 4 4 水低于最低点 15 4 4 1 电路仿真现象 15 4 4 2 电路工作原理 15 总总 结结 16 致致 谢谢 17 参考文献参考文献 18 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 II 附录一 整机电路图附录一 整机电路图 19 附录二 元件明细表附录二 元件明细表 20 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 1 页 摘 要 本文设计了自来水自动控制电路 其理论依据是以 NE555 的工作特性为核心 缺水时自动上水 水满时自动断水等功能 本电路工作原理简单 组成结构简单 制造成本低 使用方便 使用寿命长等特点 本例电路专门用于自来水塔水位的 自动控制 当水位低于最低水位时 自动将供水泵启动上水 当水位达到最高 水位时 自动停止上水 不用人工控制 该电路的特点是通过一只中间继电器来 接通大功率的交流接触器 控制上水 水泵电动机的启动 这是由于 555 电路的 输出功率较小 不能驱动大功率的交流接触器 关键词 三极管 继电器 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 2 页 第 1 章 绪论 自来水塔在的发展越来越快 自来水塔有很多类型 按建筑材料分为钢 筋混凝土水塔 钢水塔 砖石支筒与钢筋混凝土水柜组合的水塔 水柜也可用钢 丝网水泥 玻璃钢和木材建造 过去欧洲曾建造过一些具有城堡式外形的水塔 法国有一座多功能的水塔 在最高处设置水柜 中部为办公用房 底层是商场 中国也有烟囱和水塔合建在一起的双功能构筑物 按水柜形式分为圆柱壳式和倒 锥壳式 在中国这两种形式应用最多 此外还有球形 箱形 碗形和水珠形等多 种 支筒一般用钢筋混凝土或砖石做成圆筒形 支架多数用钢筋混凝土刚架或钢 构架 水塔基础有钢筋混凝土圆板基础 环板基础 单个锥壳与组合锥壳基础和 桩基础 当水塔容量较小 高度不大时 也可用砖石材料砌筑的刚性基础 本例电路专门用于自来水塔水位的自动控制 当水位低于最低水位时 自 动将供水泵启动上水 当水位达到最高水位时 自动停止上水 不用人工控制 该电路的特点是通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器 控制上水 水泵电动机的启动 这是由于 555 电路的输出功率较小 不能驱动大功率的交 流接触器 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 3 页 第 2 章 设计框图及电路系统概述 2 1 目的 1 掌握振荡器 555 的工作原理和各管脚的功能 2 掌握自己实际操作动手能力的形成和进一步提高 3 锻炼自己对所学理论知识和技能的综合运用能力 4 提高自己对文献资料的搜索和信息处理能力 5 培养自己对社会普通科学知识的了解 6 增强自身的知识见解和设计论文的方法 2 2 设计框图 2 2 1 设计方框图 根据电路所要完成的功能和达到的效果 我们得到下面的电路框图 1 方框图 2 方框图的功能 水塔里的水位决定控制电路的工作状态 控制电路决定电动机工作与否 电动机 工作上水决定水塔里的水位 电源给控制电路和电动机供电 图 2 1 设计框图 电动机 电 源 供 电 水塔 控制电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 4 页 2 3 元器件简介 2 3 1 NE555 介绍 NE555 Timer IC 大约在 1971 由 Signetics Corporation 发布 在当时是 唯一非常快速且商业化的 Timer IC 在往后的 30 非常普遍被使用 且延伸 出许多的应用电 尽管近来 CMOS 技术版本的 Timer IC 如 MOTOROLA 的 MC1455 已被大量的使用 但原规格的 NE555 依然正常的在市场上供应 尽管 新版 IC 在功能上有部份的改善 但其脚位劲能并没变化 所以到目前都可直 接的代用 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波讯号 1 NE555 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 它的操作电源范围极大 可与TTL CMOS 等逻辑闸配合 也就是它 的输出准位及输入触发准位 均能与这些逻辑系列的高 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 2 内部方框图 图 2 2 555 内部电路图图 2 3 555 管脚排列图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 5 页 3 NE555 引脚位配置说明下 脚 接地 地线 或共同接地 通常被连接到电路共同接地 脚 触发点 这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期 触发信号 上缘电压须大于 2 3 VCC 下缘须低于 1 3 VCC 脚 输出 当时间周期开始 555 的输出输出脚位 移至比电源电压少1 7 伏的高电位 周期的结束输出回到O 伏左右的低电位 于高电位时的最大输出 电流大约 200 mA 脚 重置 一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一 个低电位 它通常被接到正电源或忽略不用 脚 控制 这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压 当计时器经营 在稳定或振荡的运作方式下 这输入能用来改变或调整输出频率 脚 重置锁定 重置锁定并使输出呈低态 当这个接脚的电压从1 3 VCC 电压以下移至 2 3 VCC 以上时启动这个动作 脚 放电 这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力 当输出为 ON 时为 LOW 对地为低阻抗 当输出为OFF 时为 HIGH 对地为高阻抗 脚 V 这是 555 个计时器 IC 的正电源电压端 供应电压的范围是 4 5 伏特 最小值 至 16 伏特 最大值 IC1 选用 555 振荡器 它的内部电路如图 2 2 所示 管脚排列图如图 2 3 所示 4 555 振荡器的工作原理 电阻分压器由三个阻值都是 5K 电阻构成 其作用是为电压比较器 A1 A2提供 基准电压 A1 A2组成电压比较器 当控制电压输入端 CONT 悬空时 A1 A2的基 准电压分别为 2 3Vcc 和 1 3Vcc A1的反相输入端 THRES 称为 555 振荡器的高触发 端 A2的同相输入端 TRIG 称为 555 振荡器的低触发端 比较器 A1的输出作为置 0 输入端 比较器 A2的输出作为置 1 输入端 RESET 是驱动脉冲发生器的复位输入 端 Vr 是集电极开路的三极管 Vr 的集电极作为定时器的引出端 DISCH 非门是缓 冲器 其作用是提高电路的负载能力 利用 555 定时器可以构成施密特触发器 单稳态触发器和多谐振荡器 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 6 页 图 2 4 用 555 定时器接成的施密特触发器 图 2 5 电路的电压传输特性 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 7 页 只要将 555 定时器的 2 号脚和 6 号脚接在一起 就可以构成施密特触发器 图 2 4 我们简记为 二六一搭 这个施密特触发器的电压传输特性是反相的 图 2 5 5 号脚接控制电压 VCO时 正向阈值电压和负向阈值电压分别为 VCO和 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 8 页 将 555 定时器的 6 号脚和 7 号脚接在一起 并添加一个电容 C 和一个电阻 R 就可以构成单稳态触发器 图 2 6 电容接在电源与 6 号脚之间 电阻接在 7 号脚和 地之间 我们简记为 七六一搭 下 C 上 R 这个单稳态触发器是负脉冲触发的 稳态时 这个单稳态触发器输出低电平 暂稳态时 这个触发器输出高电平 5 号 脚悬空时 输出脉冲宽度为 RCln3 5 号脚接控制电压 VCO时 输出脉冲宽度为 2 2 COCC CC VV V RC ln 图 2 7 用施密特触发器构成的多谐振荡器 图 2 6 用 555 定时器接成的单稳态触发器 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 9 页 我们知道 利用施密特触发器可以构成多谐振荡器 图 2 7 理论上 我们只 需要添加一个电阻和一个电容即可 电阻和电容构成一个 RC 积分电路 其输入端接施密特触发器的输出端 其输 出端接施密特触发器的输入端 用 555 定时器构成多谐振荡器就是用的这个思路 于是 我们先用 555 定时器构成一个施密特触发器 然后再把这个施密特触发器改 接成多谐 振荡器 图 2 8 不过 我们这个施密特触发器稍微复杂一些 除了 二六一搭 以 外 又增加了一个电阻 R1 R1 与 555 定时器内部的放电管 TD 构成了一个反相器 逻辑上 这个反相器的输出与 555 定时器的输出完全相同 因此 这个施密特触发 器有两个输出端 分别为 555 定时器的 3 号脚和 7 号脚 我们看到 电阻 R2 和电容 C 构成了 RC 积分电路 施密特触发器的一个输出端 7 号脚 接 RC 积分电路的输 入端 RC 积分电路的输出端接施密特触发器的输入端 这样 一个多谐振荡器就成 图 2 8 用 555 定时器接成的多谐振荡器 图 2 10 CD4017 管脚排列 图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 10 页 了 也许有人会问 为什么要用两个输出端的施密特触发器呢 一个输出端的施密 特触发器也可以呀 因为施密特触发器的另外一个输出端 3 号脚 专门作为多谐 振荡器的输出 所以我们可以最大限度地保证多谐振荡器的带负载能力 这个多谐 振荡器可以驱动小型继电器 信号由 555 时基电路 7 脚输出 经过 R2 和电容 C 构成的 RC 积分电路 由 VC2 的正极输入在 RS 触发器内部处理后经过非门对低平信号反向放大输出高电平 形成延时电路 本电路大约延长时间 1 分钟 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 11 页 第 3 章 电路工作原 3 1 总体电路图 3 2 电路工作原理分析 本例电路专门用于自来水塔水位的自动控制 当水位低于最低水位时 自动将 供水泵启动上水 当水位达到最高水位时 自动停止上水 不用人工控制 该电路 的特点是通过一只中间继电器来接通大功率的交流接触器 控制上水水泵电动机的 启动 这是由于 555 电路的输出功率较小 不能驱动大功率的交流接触器 电路中 NE555 组成 R S 触发器 作为主控电路 R1 R3 与 R4 组成输入端分 压偏置电路 它将 R S 触发器的 R 端与 S 端分别偏置在既不大于 2V 3 也不小于 VDD 3 的中间状态 三个探测电极 A B C 在水塔中的位置如图 3 1 所示 3 1 整机电路图 4 3 NE555 8 2 6 51 C2 0 01uf C3 0 01uf C1 100uf VD1 VD4 IN4001 D K2 K1 A C B T 水塔 220V R1 10K R3 30K R4 30K VD5 R2 20k 12V JQX 4 K1 1 12V 零线 380V 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 12 页 当水塔中的水处于满水位置时 电源电极 A 通过水电阻与 B C 电极相连 使 R S 触发器的 R S 端均为高电平 R S 触发器输出端为低电平 继电器 K 通电吸合 通过常闭触点 K1 1 将交流接触器 K2 的电源断开 上水水泵处于停歇状态 当水位下降使电极 C 脱离水位后 虽然 NE555 脚电压下降了 但它对电路不 起触发作用 电路仍保持原输入状态 当水位继续下降使电极 B 脱离水位后 由于 NE555 的 脚均被悬空 脚 上的电压远远小于 VDD 3 R S 触发器翻转 输出端由低电平变为高电平 继电器 K 断电释放 它的常闭触点 K1 1 将交流接触器 K2 的电源接通 交流接触器通电吸合 接通了上水泵的工作电源 水泵运转进入送水过程 在上水过程中 当水位上升使电极 A B 接触后 通过水电阻与 R2 将电源电压 加至 脚 使 R S 触发器的 S 端出现高电平 但这一高电平对电路不起触发作用 电路保持原状态 上水过程继续 当水位进一步上升使电极 A C 连通后 电源电 压通过水电阻与 R1 加至 脚 使 R S 触发器的 R 端出现高电平 这一高电平作为 R S 触发器的复位电平 使电路复位 输出端输出低电平 继电器 K 通电吸合 通 过常闭触点 K1 1 将交流接触器的电源断开 接触器断开水泵工作电源 上水停止 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 13 页 第 4 章 EWB 软件仿真 4 1 上水过程 4 1 1 电路仿真现象 Switch 1 Key 闭合 Switch 2 Key 断开 灯泡亮 4 1 2 电路工作原理 Switch 1 Key 闭合 Switch 2 Key 断开 就相当于水塔中的水高于 B 点低于 C 点 此时灯泡亮 相当于水泵工作 水塔上水 电极 A B 接触后 通过水电阻与 R2 将 电源电压加至 脚 使 R S 触发器的 S 端出现高电平 图 4 1 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 14 页 4 2 水满时 4 2 1 电路仿真现象 Switch 1 Key 和 Switch 2 Key 都闭合 灯泡熄灭 4 2 2 电路工作原理 把 Switch 1 Key 和 Switch 2 Key 都闭合 此时灯泡熄灭 相当于水泵停止工作 水塔不再上水 上水过程完毕 水满了 水塔中的水处于满水位置时 电源电极 A 通过水电阻与 B C 电极相连 使 R S 触发器的 R S 端均为高电平 R S 触发器输 出端为低电平 图 4 2 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 15 页 4 3 水下降时 图 4 3 4 3 1 电路仿真现象 断开 Switch 2 Key Switch 1 Key 任闭合 灯泡不亮 4 3 2 电路工作原理 若又断开 Switch 2 Key Switch 1 Key 任闭合 灯泡不会亮 这相当于水塔中的 水下降至 C 点以下 B 点以上 水泵不工作 电极 C 脱离水位后 虽然 NE555 脚电 压下降了 但它对电路不起触发作用 电路仍保持原输入状态 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 16 页 4 4 水低于最低点 4 4 1 电路仿真现象 Switch 1 Key 和 Switch 2 Key 都断开 灯泡亮 4 4 2 电路工作原理 把 Switch 1 Key 和 Switch 2 Key 都断开 就相当于水塔中的水低于水塔中的 B 点 此时灯泡亮 相当于水泵工作 水塔在上水 电极 B 脱离水位后 由于 NE555 的 脚均被悬空 脚上的电压远远小于 VDD 3 R S 触发器翻转 输出端由低 电平变为高电平 图 4 4 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 17 页 总 结 这次我的毕业设计是自来水塔自动控制电路的设计 设计比较突出的特点是控 制 通过这次设计使我对自来水自动控制电路的组成与工作原理有了更深的认识 设计花费了我大量的时间与精力 这是我们大学三年学习的重要成果 设计具有系 统性它将我们所学到的知识有机的结合起来 涉及到多方面的知识 所以我们必须 认真对待 专心完成每个任务要求 通过反复检查 修改和调试 最终设计如期的 完成 从理论和实践上我都得到了很大的提高 这次任务的完成使我学到了很多东 西 首先 丰富了自己的知识面 学到了以前没能学通的东西 具体了解了怎样去 完成一个电路的设计 从流程图 电路图 制作与焊接电路板 检查电路板 仿真 到测试 知道怎样选择这种电子线路中的元器件 怎样确定其相关参数 巩固了电 子线路的基础知识与 EWB 软件的使用能力提高了自己动手的能力 学到了很多经验 并且提高了自己分析问题的能力和创新能力 得到了理论联系实际的机会 使自己 在实际设计方面树立了信心 为以后从事这方面的工作打好了基础 这也是这次毕 业设计的最大收获 以及学习到图书室查阅相关书籍获取有用的信息这种好的方法 在今后的学习 工作中是很重要的 只有不断地学习才会有进步 这次的毕业设计总的来说还是很成功的 自己从中学到很多 也发现了不少问 题 为自己以后的学习进步打下了不错的基础 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 18 页 致 谢 在毕业设计接近尾声之时 我要衷心地感谢我的指导老师赵文宣老师 在我整 个毕业设计过程中 赵老师给了我很大的帮助和细心的指导 在遇到问题时 赵老 师总是细心给我解答 赵老师的言传身教 让我们学会了以前在课堂上没有的东西 同时还要感谢在我的整个毕业设计中所有帮助过我的老师 感谢曾经教育过我的老 师 是你们给与了我最基础的知识使我在此时得以综合利用 正是因为有各位老师 的帮助和指导才使我的毕业设计能够顺利的完成 在此 对你们表示衷心的感谢 祝愿你们工作顺利 心想事成 赵老师 在我整个毕业设计过程中给了我很大的帮助和细心的指导 在遇到问 题时 向老师总是细心给我解答 在我失败时 他给我打气 在我咬牙坚持时 他 给我加油 让我们学会了以前在课堂上没有的东西 同时还要感谢所有教导过我的 老师 在校期间对我的帮助与教诲 我永远不会忘 你们的音容笑貌仍旧不时浮现 在我的眼前 各位老师鲜明地个性特点和人格魅力将是我回忆中的大学生涯重要的 组成部分 不积跬步无以至千里 这次毕业论文能够最终顺利完成 归功于各位 老师的认真负责 使我能够很好的掌握专业知识 并在毕业论文中得以体现 也正 是你们长期不懈的支持和帮助才使得我的毕业论文最终顺利完成 最后 再次表示 衷心感谢 谢谢你们 谢谢你们的辛勤栽培 衷心的感谢我的指导赵老师给予了精心的指导和热情的帮助 尤其在课题设计 的前期准备阶段和本人的数据库的设计阶段 赵老师提出许多宝贵的设计意见 在 最后的测试修改阶段赵老师在百忙之中抽出时间为我们提供了必要的帮助 这样使 得我们得以顺利的完成毕业设计开发工作 在短暂的一个月的相处时间里 老师渊 博的知识 敏锐的思路和实事求是的工作作风给我留下了深刻的印象 这将使得我 终身受益 谨此向老师表示衷心的感谢和崇高的敬意 四川信息职业技术学院毕业设计说明书