自来水塔水位自动控制电路设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

-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-I-目录摘要.1第1章绪论.2第2章设计框图及电路系统概述.32.1目的.32.2设计框图.32.2.1设计方框图.32.3元器件简介.42.3.1NE555介绍.4第3章电路工作原.103.1总体电路图.103.2电路工作原理分析.10第4章EWB软件仿真.124.1上水过程.124.1.1电路仿真现象.124.1.2电路工作原理.124.2水满时.134.2.1电路仿真现象.134.2.2电路工作原理.134.3水下降时.144.3.1电路仿真现象.144.3.2电路工作原理.144.4水低于最低点.154.4.1电路仿真现象.154.4.2电路工作原理.15总结.16致谢.17参考文献.18-II-附录一：整机电路图.19附录二：元件明细表.20第0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。第1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第2页2.3元器件简介2.3.1NE555介绍NE555(TimerIC)大约在1971由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，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TimerIC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2-2555内部电路图图2-3555管脚排列图第3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2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。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200mA。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1/3VCC电压以下移至2/3VCC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。第4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第5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。第6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）COVRln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第7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2-10CD4017管脚排列图第8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。第9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43NE55582651C20.01ufC30.01ufC1100ufVD1VD4IN4001DK2K1ACBT水塔220VR110KR330KR430KVD5R220k12VJQX-4K1-1-12V零线380V+第10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。第11页第4章EWB软件仿真4.1上水过程4.1.1电路仿真现象Switch1Key闭合，Switch2Key断开，灯泡亮。4.1.2电路工作原理Switch1Key闭合，Switch2Key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第12页4.2水满时4.2.1电路仿真现象Switch1Key和Switch2Key都闭合，灯泡熄灭。4.2.2电路工作原理把Switch1Key和Switch2Key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第13页4.3水下降时图4-34.3.1电路仿真现象断开Switch2Key，Switch1Key任闭合，灯泡不亮。4.3.2电路工作原理若又断开Switch2Key，Switch1Key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。第14页4.4水低于最低点4.4.1电路仿真现象Switch1Key和Switch2Key都断开，灯泡亮。4.4.2电路工作原理把Switch1Key和Switch2Key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第15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。第16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