水位自动控制装置.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电子技术基础电子技术基础课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 水位自动控制装置水位自动控制装置 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 教师职称 教师职称 起止时间 起止时间 课程设计 论文 任务及评语课程设计 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 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 1 目录目录 第第 1 章章 水位自动控制装置设计方案水位自动控制装置设计方案论论证证 2 1 11 1 水位自动控制装置的应用意义水位自动控制装置的应用意义 2 1 21 2 水位自动控制装置设计的要求及技术指标水位自动控制装置设计的要求及技术指标 2 1 31 3 总体设计方案框图及分析总体设计方案框图及分析 2 第第 2 章章 水位自动控制装置各单元电路设计水位自动控制装置各单元电路设计 3 2 12 1 信号产生部分信号产生部分 3 2 22 2 信号处理部分信号处理部分 4 2 32 3 水位显示电路水位显示电路 6 2 42 4 电机控制电路电机控制电路 8 2 52 5 报警控制电路报警控制电路 9 第第 3 章章 水位自动控制装置整体电路设计水位自动控制装置整体电路设计 11 设计总结设计总结 12 参考文献参考文献 12 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 2 第第 1 1 章章 水位自动控制装置设计方案论证水位自动控制装置设计方案论证 1 11 1 水位自动控制装置的应用意义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 21 2 水位自动控制装置设计的要求及技术指标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 31 3 总体设计方案框图及分析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 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 3 图 总体设计框图 第第 2 2 章章 水位自动控制装置各单元电路设计水位自动控制装置各单元电路设计 2 12 1 信号产生部分信号产生部分 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 信号产生 信号处理 报警控制 信号处理信号处理 水位显示 电路 电路 电路 报警器 显示器 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 4 点的水位 原理图如下图 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 COM信 信 信 信 5V 信 信 信 信 h g f e d c b a 信 信 信 信 图 探头原理图 2 22 2 信号处理部分信号处理部分 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 R1 10 k C1 10u T1 NPN 信 信 信 信 信 信 信 信 图 信号处理电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 5 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 所示 图 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 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 6 表 74147 真值表 2 32 3 水位显示电路水位显示电路 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 中 a b c 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 7 图 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 所 示 图 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 所示 表 7448 功能表 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 8 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 42 4 电机控制电路电机控制电路 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 所示 图 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 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 9 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 52 5 报警控制电路报警控制电路 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 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 12 f1 43 R 2RC 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 74