【电气工程及其自动化】水箱自动供水系统的设计

本科生毕业设计（论文）水箱自动供水系统的设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2014年5月10日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1前言111研究意义112研究内容及安排12设计方案221设计分析222设计方案23主要元件与基本原理331CD4011332水泵及其工作原理433继电器534水位判断原理64电路设计841系统原理框图842电路设计与控制原理95硬件制作与功能测试1051元件清单1052硬件制作与功能测试116结论12参考文献13致谢13水箱自动供水系统的设计摘要供水的经济性、可靠性和稳定性在生活、生产中具有重要的应用。本论文采用电机、继电器以及逻辑电路设计了一个水箱自动供水系统，通过水的导电性来判断水箱水位。水箱中的水位低于预定的水位时，自动启动水泵抽水；而当水箱中的水位达到预定的高水位时，使水泵停止抽水，始终保持水箱中乘有预定容量的水。该设计电路结构简单、使用方便，性价比较高。关键词自动供水系统；逻辑电路；水泵DESIGNOFAUTOMATICWATERSUPPLYSYSTEMWATERTANKABSTRACTTHEECONOMY,RELIABILITYANDSTABILITYOFWATERSUPPLYSYSTEMINLIFEANDPRODUCEISOFIMPORTANTAPPLICATIONTHEDESIGNOFAWATERTANKAUTOMATICWATERSUPPLYSYSTEMINTHISPAPERADOPTSMOTOR,RELAYANDALOGICCIRCUIT,THECONDUCTIVITYOFTHEWATERLEVELOFTHEWATERTANKTOJUDGETHEWATERLEVELINTHETANKISBELOWTHEPREDETERMINEDLEVEL,AUTOMATICALLYSTARTTHEPUMPWHENTHEWATERLEVELINTHEWATERTANKREACHESTHEHIGHLEVELWHENAPREDETERMINED,SOTHEPUMPSTOPPUMPINGWATER,ALWAYSKEEPAPREDETERMINEDVOLUMEOFWATERINTHEWATERTANKTHEDESIGNOFTHECIRCUITHASTHEADVANTAGESOFSIMPLESTRUCTURE,CONVENIENTUSEANDHIGHPERFORMANCETOPRICERATIOKEYWORDSAUTOMATICWATERSUPPLYSYSTEMLOGICALCIRCUITWATERPUMP1前言11研究意义随着社会经济的发展，人们的生活水平不断提高，生活中的基础设施会向逐渐走向自动化。自动化这个专业从50年代开始在我国出现并发展，名称为工业企业电气自动化。由于其专业面宽，适用性广，一直到现在仍然焕发着勃勃生机，根据教育部的安排，它属于工科电气信息类，新名称为电气工程及其自动化或自动化。现代电子科学技术不断的发展进步，原有的电力传动电子拖动控制的概念已经无法再全面概括现代生产自动化系统中承担第一线任务的全部控制设备。同时，现代工业电气自动化在我国各个生产领域都得到了广泛的应用，并取得不错的效果1。其中自动供水系统是自动化技术应用于生产生活的一个重要方面。供水的经济性、可靠性、稳定性在生活中的影响也日益重要。供水系统一旦失控，必将给人们的工作和生活带来麻烦，甚至造成巨大损失。传统的恒速加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点。传统的水位控制为粗放式的，基本没有对水泵的合理控制，多为人为控制。这样不仅浪费了电能，还造成了人力资源的浪费。因此自动供水系统的发展符合社会经济发展的需求。12研究内容及安排本论文所要设计的水箱自动供水系统要实现如下的功能水箱中的水位低于预定的水位时，自动启动水泵抽水；而当水箱中的水位达到预定的高水位时，使水泵停止抽水，始终保持水箱中有一定的水，从而实现对水位的自动化控制。研究设计的安排1查找相关资料，掌握水泵的控制原理；2确定该控制系统的总体设计方案；3电路设计与硬件制作；4功能检测与调试；5撰写设计论文。2设计方案21设计分析图1中，M为供给水泵，HIGH、LOW分别为水位高、水位低开关，当水位低时LOW开关闭合，水泵开始工作，当水位高时，HIGH开关闭合，水泵停止工作。图1系统功能22设计方案方案一采用PLC或单片机作为控制芯片，当水在低水位时,水位探测传感器送给PLC或单片机一个判断信号，然后PLC或单片机驱动水泵加水；当水位在正常范围内时，水泵加水；当水位在高水位时，PLC或单片机不能驱动水泵加水。方案二采用电机、继电器及逻辑电路等元件，通过水的导电性来判断水箱水位，水箱中的水位低于预定的水位时，自动启动水泵抽水；而当水箱中的水位达到预定的高水位时，使水泵停止抽水，始终保持水箱中有一定的水。经比较，方案二既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比较高，大部分城乡居民都很容易学会，所以采用该方案。3主要元件与基本原理31CD4001图2CD4011内部结构图3芯片引脚图表1CD4011功能表2XYQ动作00禁止011设定101重置11不变无1当X0、Y0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。如真值表第一列。2当X0、Y1时，由于X1导致NANDA的输出为1，使得NANDB的两个输入均为“1”，因此NANDB的输出为“0”，如真值表第二列。3当X1、Y0时，由于Y0导致NANDB的输出为“1”，使得NAND1的两个输入均为“1”，因此NANDA的输出为“0”，如真值表第三列。4当X1、Y1时，因为一个“1”不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。32水泵及其工作原理水泵的标准所牵涉的产品种类也非常多，有离心泵、计量泵、螺杆泵、往复泵、水轮泵、潜水泵、油泵、清水泵、试压泵、旋涡泵、低温泵、真空泵、罗茨泵、分子泵、齿轮泵、泥浆泵、耐腐蚀泵、深井泵、水环泵、混流泵、轴流泵、锅炉给水泵、液下泵、注水泵、化工流程泵、不堵式泵、无泄漏泵、塑料泵、消防泵等等，还有很多。其名称有些是按泵的常规分类方法划分的如叶片泵、容积泵等，有些则是按用途划分的如污水泵、卫生泵等，有些名称则比较随意如扩散泵、液氮泵等。只要有此类产品的生产，有制定标准的需求，通过一定的申请、批准手续就可能产生一个新的标准，但有时内容也有相当的交叉、重复。就国内和国外的标准而言，则国内的标准数量多于国外的标准。总的来说，像离心泵这样应用广泛，产品生产历史长久的泵类标准比较多，而像无泄漏泵这种迅速发展起来的新型泵类标准则比较少。根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量，主要有活塞泵、柱塞泵、齿轮泵、隔膜泵、螺杆泵等类型。叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。潜水电泵的泵体部分是叶片泵。其他类型的水泵有射流泵、水锤泵、内燃水泵等，分别利用射流水锤和燃料爆燃的原理进行工作。其中以离心泵较具代表性。离心泵3是利用离心力的作用增加水体压力并使之流动的一种泵。由泵壳、叶轮、转轴等组成。动力机带动转轴，转轴带动叶轮在泵壳内高速旋转，泵内水体被迫随叶轮转动而产生离心力。离心力迫使液体自叶轮周边抛出，汇成高速高压水流经泵壳排出泵外，叶轮中心处形成低压，从而吸入新的水流，构成不断的水流输送作用。叶轮具有逆旋转方向弯曲的叶片，其结构型式有封闭式、半封闭式和敞开式3种,农用的多为封闭式叶轮，叶片两侧由圆盘封闭。泵体沿出水管方向逐渐扩张成蜗壳形。水流自叶轮一面吸入的称单吸离心泵，自叶轮两面吸入称双吸离心泵。为增加扬程，可将多个叶轮装在同一轴上成为多级离心泵。由前一叶轮排出的水进入后一叶轮的进水口，增压后再从后一叶轮排出，因而叶轮数愈多，压力愈高。本系统采用RS360SH微型直流抽水电机。该电机的圆周运动，通过机械装置使水泵内部的隔膜做往复式运动，从而压缩、拉伸泵腔固定容积内的空气，在单向阀作用下，在排水口处形成正压实际输出压力大小跟泵排水口受到的助力和泵的特性有关；在抽水口处形成真空，从而与外界大气压间产生压力差。在压力差的作用下，将水压入进水口，再从排水口排出。在电机传递的动能作用下，水持续不断的吸入、排出，形成较稳定的流量。而且电机短，转速快，抽水速度快，易达到要求。33继电器继电器4是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用4。继电器主要产品技术参数51、额定工作电压额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2、直流电阻（线圈阻抗）直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3、吸合电流吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的15倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4、释放电流释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。5、触点切换电压和电流（触点容量）触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。市面上普遍使用的是电磁继电器，它一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。图4继电器原理图34水位判断原理水位测量方法6包括水尺测量，电子水尺，浮子水位计，超声波水位计，压力式水位计，跟踪式水位计，激光水位计等。其中水尺用于人工观测，其余方法均用于自动观测。水尺观测是水位的最原始观测方式。1、浮子式水位计优点浮子直接接触水面，测量可靠；结构简单；利用水位升降作为动力，无需动力。缺点有风浪时钢丝绳与水位轮之间可能会打滑，因此需要建水位井；钢丝绳会产生质量转移误差，在高精度（毫米级）测量中质量转移误差尤为明显。2、跟踪式水位计优点探头直接接触水面，测量可靠；没有浮子，水位井直径可以很小；没有浮子，所以没有质量转移误差缺点需要电机驱动水位轮，有额外功耗3、压力式水位计优点没有浮子，无需水位井；缺点传感器测得的压力PP水P空气；比重D与水温、含沙量等有关，所以水位参数漂移严重。4、超声波水位计优点非接触测量，无需水位井；缺点由于声波传在空气中的传播速度受温度、湿度、气压等因素的影响，水位参数漂移严重；电源功耗大；价格高5、雷达水位计优点非接触测量，无需水位井；由于雷达波的传播速度不受温度、湿度、气压、雨雪和风沙等环境因素的影响，相当稳定，使得雷达水位计在其工作范围内具有相当高的精度，且不需维护，精度025；缺点需要高频的发射器件；功耗大；价格高。本设计中是利用水的导电性来判断水位，其原理如图5所示。图5水位判断原理水位探测线采用一根三芯护套线，一端接控制器的水位输入端，另一端需要制作时处理，具体为低水位线与地线可以相距较短的地方剪断，地线最下面，低水位线其次，高水位线最上面，线剪好后，剥去一小段皮，露出的导线进行上锡。4电路设计41系统原理框图系统原理框图如图4所示。图4系统原理框图水箱中放入水位探头，其中最底下的一根接地，比最低点稍高的为低水位信号端，最高的为高水位信号端。当水箱中水位较低时，三根信号线全部为高电平输入，启动水泵工作，向水箱中抽水。随着水箱中的水不断增多，水位探测线被水浸没，最下面的信号线最先被水浸没，这时控制电路中的地端便浸入水中，当水位继续升高时，低水位端很快被浸没，继电器吸合，此时水泵继续工作，当高水位端与水接触时，继电器断开，水泵停止工作。当水位下降时，高端的探测器先与水断开，此时电路状态不会改变，因此水泵不工作，直到水位下降到低水位信号端与水断开时，电路工作状态改变，水泵启动抽水，如此循环工作，始终让水箱中的水位保持在低水位和高水位之间。42电路设计与控制原理系统电路如图4所示。图4系统电路原理图电路中采用CD4011四与非门作为处理芯片，直流电压经VD1，一路经R7点亮发光管LED1，作为电源指示，另一路作为系统的工作电源。接通电源后，如果水箱中没有水，则两个水位探头经R1、R2与正电源相连，即为高电位，IC1的4脚输出低电平，经IC1C处理后，10脚输出高电平，这个高电平一路经R4加在VT1的基极，使VT1饱和导通，继电器得电吸合，启动水泵抽水；另一路经R8接到IC1的2脚，由于高水位探头也为高电平，经与非门处理后，IC1的3脚输出为低电平，将IC1C与非门锁住。随着水泵不断向水箱供水，水箱中的水位逐渐升高，当低水位探头浸到水后IC1的6脚变为低电平，4脚输出高电平，但此时与非门已被锁住，故而不会影响输出，水泵继续抽水；随着水位的进一步升高，当水位碰到高水位探头时，IC1的1脚和6脚都变为低电平，这个变化对IC1的4脚没影响，而3脚却因1脚变为低电平，输出为高电平，这样IC1的8、9脚都是高电平，10脚便输出低电平，继电器失电断开，水泵停止抽水，同时这个低电平又经R8加在2脚上，使3脚保持高电平。直到水位再次低于低水位探头时，又将重前述过程，从而对水箱的水位实现自动控制。本电路中，设计有故障保护电路，当高水位探针因电极氧化发生故障时，无法发出停机信号，此时水位继续上升，当WAR端探针浸入水中时，将强行使水泵停机，以作为保护之用。5硬件制作与功能测试51元件清单表2电路元件清单序号标注元件名称型号规格数量1R1R2R6电阻1M32R3、R4、R5、R7电阻22K43R8电阻100K14C1电解电容220F/16V15C2瓷片电容10316VT1、VT2三极管901327VD1、VD2二极管1N400728LED1发光管红519LED2发光管绿5110IC1集成电路4001111K1继电器JQC3FF/12V112接线柱二位3电路制作所需元件如表2所示。52硬件制作与功能测试图5控制电路部分线路板控制电路部分线路板如图5所示。制作中先焊电源部分将二极管和相关元件按线路板上所标的位置焊接好，当焊完发光二极管后，可以对电源部分进行调试。从电源输入端插入稳压电源，看发光二极管是否点亮，若不亮，仔细查看VD1电否反焊。再焊输出部分电源部分正常后，接下来焊继电器和输出三极管。焊好后，再次通电，如果能听到一声清脆的继电器吸合声，同时可看到工作指示灯点亮，断开后又能吸到另一声音同时工作指示灯熄灭，表明输出部分也无误。用导线与线路板上的接线端子接好，接上电源，电源指示灯点亮，同时继电器应吸合，然后用手将低水位探头的引出线与地相连，再将高水位探头与地相连，此时断电器断开；接着将高水位探头引出线与地断开，然后再将低水位与地断开，此时继电器再次吸合，反复测试几次，如都是按上述规律变化，则说明电路工作正常。水箱供水系统实物图如图6所示。系统整体构造都安装好之后，在水箱中放入水位探头，其中最底下一根接地，比最低点稍高的为低水位信号端，最高的为高水位信号端。当水箱中水位较低时，水泵工作，向水箱中抽水。随着水箱中不的不断增多，水位探测线被水浸没，最下面的信号线最先被水浸没，这时控制电路中的地端便浸入水中，当水位继续升高时，低水位端很快也被浸没，继电器吸合，此时水泵继续工作，当高水位端与水接触时，继电器断开，水泵停止工作。当水位下降时，高端的探测器先与水断开，此时电路状态不会改变，因此水泵不工作，直到水位下降到低水位信号端与水断开时，电路工作状态改变，水泵启动抽水，如此循环工作，说明整个系统正常运行。图6水箱供水系统实物图6结论通过本次毕业设计，我把所学的专业知识进行了系统的整理和复习，从中获益不少。本论文中简单地介绍了水位自动控制系统的研究背景、现状、国内外发展状况及研究内容，以及它的一些基本知识，还包括了设计方案的选择，系统电路的设计。从中我们也可以知道了水位自动控制系统在生活中扮演的角色会变得越来越重要，它会让人们的生活变得更加安全化、智能化。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，请各位老师批评指点。在设计中我依旧有许多不明白、不清楚的地方，在今后的工作当中，我会结合实际来更好的理解和学习这些设计知识。参考文献1汤蕾,电气自动化控制类，【M】,北京高等教育出版社,20