大型水塔水位保持电路的设计

1、大型水塔水位保持电路的设计前 言“大型水塔水位保持电路”设计结合了包括电力电子技术知识在内的多学科多领域的知识，具有接线简单、运行灵活的特点。从方案的选取到元件的选择做到了最大程度的保证电路系统的可靠性和精确性。整个电路设计共分为5个部分，分别为水位监测电路、水位范围测量电路、水泵开关电路、 显示电路和电源电路。各部分电路相互配合、稳定运行，能够保证水塔的水位稳定在期望的水位范围之内，整体设计具有很高的应用价值。1. 方案的选取该方案电源电路采用电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成12V的直流电。稳压电路由三端稳压器实现，用它来组成稳压电源只需很

2、少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。水位测量和水位监测电路主要由电阻型水压传感器和迟滞比较器组成。电阻型水压传感器是最典型也是最简单的一种压力传感器。迟滞比较器不仅可以测量水位的范围，还可以防止跳闸现象的出现。水泵开关电路和显示电路主要由电流放大电路和继电器组成。继电器可以提供水泵所需要的交流电，而电流放大电路是由三极管组成，是一种比较典型的和简单的电路。用发光二极管构成显示电路更容易观察。综上所述，此方案电路图构成简单易懂，元器件的价格便宜，性能较稳定，操作简单，具有经济前景。2. 简易水位控制电路的基本组成及原理2.1 系统的组成框图简易水塔水位控制电路的总体框图如图2-1所示。它是由

3、水位监测电路、水位范围测量电路、水泵开关电路、 显示电路和电源电路5部分组成。水位监测电路水位范围测量电路水泵开关电路显示电路电源电路图2-1 简易水塔水位控制电路的总体框图水位监测电路的功能是利用水压传感器的特性监测水压的变化，同时将水压信号转化为电信号。水位范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水位范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。水泵开关电路的功能是完成控制水泵电路。显示电路的功能是利用发光二极管将水泵通电与否显示出来。电源电路的功能是为上述电路提供直流电源。2.2 各单元电路的工作原理该电路能够检测出水塔的水位，并且能够在不同的水位下通过两个水泵控制。当S<

4、S1时，两个水泵都放水，S1<S<S2时，只有一个水泵工作，S>S2时，两个水泵都关闭。并且通过调节可变电阻R1、R2可以改变水位S1、S2的范围，该电路还能通过发光二极管显示水泵放水的各种状态。电源电路电源电路的原理图如图2-2所示。电路直接从电网供电，通过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成+12V的直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，电源变压器将交流电网电压220V变为合适的交流电压12V。整流电路采用二极管桥式整流电路，整流电路将交流电压12V变为脉动的直流电压12V。C1、C2、C3和C4完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电

5、路来实现。稳压电路清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压12V的稳定。图2-2 电源电路水位监测和水位范围测量电路如图2-3是水位监测和水位范围测量电路图。图2-3 水位监测和水位范围测量电路水位监测电路由可变电阻R1R2和两个电阻型水压传感器构成。电阻型水压传感器是最简单也最典型的一种水压传感器，它的工作原理是通过阻抗的变化来表示水压的变化，即传感器的阻抗随水压的增加而增加。同时将水压信号转化为电信号Vs，即Vs代表了实际水位S。本电路采用的电阻型水压传感器型号为PT500-501的水压传感器。可变电阻R1和R2的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节Vs1和Vs2的范围，也就可以调节

6、水位控制范围。水位范围测量电路由两部分构成：第一部分是由电阻R13和稳压管D1构成的参考电压产生电路；第二部分是由迟滞比较器构成的水位范围测量电路。参考电压产生电路的功能是产生一个稳定的电压，由于参考电压产生电路输出端连接比较器的输入，为了防止出现输出电流导致参考电压不稳定的情况，电路采用电阻和稳压管相结合的方式构成。其中稳压管D1的稳定电压均为+6V，输出VREF=+6V。水位范围测量电路的功能有两个：第一是确定实际水位和水位控制范围的大小关系；第二是防止跳闸现象的产生。首先，VREF连接到两个运算放大器的同相输入端，而Vs1和Vs2则同时分别输入到这两个运算放大器的反相输入端。这样，当Vs

7、1<VREF时，V1输出是高电平；当Vs1>VREF时，V1输出为低电平；当Vs2<VREF时，V2输出为高电平；当Vs2>VREF时，V2输出为低电平。由于Vs1、Vs2、VREF分别代表S1、S2和S，实际水位和水位控制范围的大小关系就确定了。其次，本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来实现跳闸现象的出现。迟滞比较器A1的特性表达式为V1T+ = Vp1=R7* VREF/（R3+R7）+R3*V1（R3+R7） =（5+2）V=7V （1）V1T- = Vp1=R7* VREF/（R3+R7）+0=5V （2）由式（1）和式（2）可得到回差范围VT = V1T+

8、- V1T- =7V-5V=2V，即V1从高电平转换为低电平和从低电平转换为高电平的分界点电压值有了2V的差别，从而就可以防止跳闸现象的出像。同理，迟滞比较器A2的特性表达式为V2T+ = Vp2=R8* VREF/（R5+R8）+R5*V2（R5+R8） =（5+2）V=7V （3）V2T- = Vp2=R8* VREF2/（R5+R8）+0=5V （4）由式（3）和（4）可求得迟滞比较器A2的V2T+ -V2T-之差（7V5V）同样具有2V的回差范围，由此可以防止跳闸现象的出现。水泵开关及显示电路水泵开关及显示电路如图2-4所示。图2-4水泵开关和显示电路水泵开关电路时由三极管电路和继电器

9、电路构成的。电路的输入即为图2-3电路中的输出，即当Vs1< VREF且Vs2< VREF时，V1和V2输出都为高电平；当Vs1<VREF而Vs2>VREF时，V1输出为高电平，而V2输出为低电平；当Vs1> VREF且Vs2> VREF时，V1 和V2输出都为低电平。由于水泵中通过的都是大电流，产生大功率，而直流电源无法提供大电流和大功率，因此水泵需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须采用继电器电路。而一般运算放大器的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。由三极管电路构成的电流放大电路是一种比较典型的和简单的电路。其中R9和R10为限流电阻，

10、防止输入电流过大烧毁三极管。三极管接为共集电极电路，当输入电压为高电平时，三机管导通饱和，可以将输入电流放大倍；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接三极管的发射极，当有电流驱动时，开关吸合，对应的水泵通电；当无电流启动时，开关断开，对应的水泵不通电，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。显示电路由发光二极管构成。通过发光二极管亮灭来表示水泵是否通电，同时由于继电器的驱动电流过大，需要加入限流电阻。3. 主要元器件的工作原理及参数3.1 变压器变压器是电子电路，用来升压降压的电力变压器，变压器的原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。分别叫作变压器的次级

11、线圈和初级线圈，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。电流的方向和大小随时间变化的,变压器初级通上交流电时,变压器的铁芯中产生了交变的磁场，在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。变压器的主要参数：电压比 n=U1/U2=N1/N2效 率 =P2/P1*100%额定功率 P3.2 桥式整流电路 桥式整流电路由四个二极管组成，如图3-1所示。图3-1桥式整流电路图工作原理： U2正半周时: D1

12、、D3导通， D2、D4截止 U2负半周时：D2、D4 导通， D1 、D3截止主要参数：输出电压平均值：UL=0.9U2输出电流平均值:IL= UL/RL =0.9U2/ RL 流过二极管的平均电流：ID=IL/2二极管承受的最大反向电压：25V1000V3.3 三端稳压器该稳压器内部设有电流过流过热和调整管安全区保护电路，以防止过载而损坏，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路简单，且安全可靠。3.4 继电器继电器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

13、着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、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。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。3.5 发光二极管

14、发光二极管原理：发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形

15、成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。发光二极管的主要参数：反向饱和电流IS额定整流电压IF 最大反向工作电压URM3.6 稳压二极管稳压器二极管也叫齐纳二极管，稳压原理：给稳压二极管施加反向电压并使其值增大，当反向电压之值达到稳压二极管的稳定电压时，其正常雪崩击穿，若在此情况下，一定范围内改变电源电压的波动或改变负载电流的大小，齐纳电流Iz和动态电阻随之而改变，然而，齐纳电压Uz却稳定不变。稳压二极管串联一个电阻来提供一个稳定的参考电压VREF，其中稳压二极管选用1N4735，其稳定电压为6.2

16、V，限流电阻R13选用1K。稳压二极管1N4735的重要参数：最大工作电流Izm稳定电压Uz动态电阻Rz3.7 集成运算放大器集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，如下图3-2表示集成运放的内部电路组成的原理框图。差分输入级电压放大级输出级偏置电流 图3-2集成运放的内部电路组成的原理框图 如图3-3是集成运放的输入级一般是由BIT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主

17、要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为个级提供合适的工作电流。其代表符号和输入输出传输特性如3-4图所示。 VT+VT-图3-3图3-44. 总电路图图4-1水塔水位控制电路总电路图结 论“大型水塔水位保持电路”是电力电子技术的一个实际应用，该电路中包括了水位监测电路、水位范围测量电路、水泵开关电路、显示电路和电源电路。系统由电网220V交流电供电，经电源电路的变压、整流、稳压后变成+12V的直流电压为各部分供电。水位监测电路应用了传感器原理实现水位信号和电信号之间的转化，使用时可根据需要调

18、节水位范围。水位测量电路利用集成运放的比较器原理通过比较实际水位电信号与规定的水位范围电信号决定水泵的操作。若实际水位高于水位范围最大值，则令两水泵关闭；若实际水位处于水位范围之间，则令其中的一个水泵开通，另一个水泵关闭；若实际水位低于水位范围的最小值，则令两水泵均开通放水。这样一来可以保证实际水位稳定时始终保持在规定的水位范围之间。设计体会匆匆的几天时间就这样过去了，留给我的是一段充实而愉快的记忆。这次的课程设计要求自拟题目并查阅资料完成设计，这对于我来说是一个很大的考验。一直以来我都是在分析课本的基础知识，并能够处理一些原理上的问题，但要是拿到实践中来真的不知道可以应用在哪里又该怎么用。可以说是课设让我真正的学习到了些什么吧，不再是纸上谈兵而是真正的去设计、去实践，在考验的同时令我提高了应用能力。通过查阅有关资料我发现电力电子电路广泛的应用于控制领域和直流领域中。于是我将自动控制原理书中的例题“水位控制