张世豪水位控制电路原始

1、水位控制电路设计任务书1设计目的与要求设计一个水塔或锅炉水位控制电路，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：（1）多点水位实时采集和显示功能；（2）当水位低时，启动水泵自动加水，达到高水位时自动停止水泵；（3）当达到警戒水位（高水位或低水位）时，电路能够自动报警提示；（4）具备报警消音控制功能；（5）所设计的电路具有一定的抗干扰能力。2设计内容 （1）画出电路原理图；（2）确定元器件及元件参数；（3）进行电路模拟仿真；（4）SCH文件生成与打印输出；（5）PCB文件生成与打印输出。3编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。4答辩 在规定时间内

2、，完成叙述并回答问题。目录1 引言 42 总体设计方案 42.1 设计思路 42.2 总体设计框图 53 设计原理分析 53.1 信号采集电路 53.2 信号编码电路 73.3 水位显示电路 83.4 电动机控制电路 93.5 报警控制电路 114 总结与体会 11参考文献 12附录 1 12附录 2 14水位控制电路设计摘要：本文设计的是水位控制电路。当水位超出规定范围时，系统能够自动调整水位，使其水位控制在规定的范围内；当水位低于规定范围时，就控制水泵工作抽水，使水塔内的水位上升，到达规定的最高高度。从而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围内的目的。本电路还具有显示水位报警的功能

3、，当电路过低或过高会报警。关键词：水塔水位 水位显示器 报警器 继电器 电机1 引言近年来对城市供水提出了更高的要求，水塔水位控制自动化系统被不断地改造，以适应社会的发展和人民生活水平的提高，满足及时、准确、安全和保证充足供水。目前水位自水位控制装置有着广泛的应用，如水塔、楼房水箱、锅 炉等。水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式，电节点式，压力式，电子式，微机式等。这些装置或多或少的存在着一些缺点：浮子开关式采机械结构，维护起来 不方便；微机式控制装置，虽然操作方便，但造价较贵本从实用型和经济型出发，设计了一种水位控制装置，该装置结构维护简单使用方便，工作可靠性能价格比优良， 而且在不同程度

4、上克服了其他方法的一些缺点，并提供了自动报警自动保护功能。有 很多场合下均可采用。2 总体设计方案 主要是根据水位的高低变化，来控制电动机的停转，当水位过低时会自动启动电动机并报警，当达到规定的水位时会自动的停止供电，当水位过高超过上限水位的时，此时报警控制电路也会启动报警器报警。2.1 设计思路 每部分电路都有其相应功能：首先有信号采集电路产生整个电路的输入信号，该信号经过信号编码电路编码之后，输出其他电路的控制信号，控制其他电路工作，电机控制电路接收到有信号编码电路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，而水位的变化有直接关系到信号的产生，因此有个循环的过程，使水位控制在

5、一定范围内。水位显示电路接收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。2.2 总体设计框图 由任务分析可知该设计电路有三个功能：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，所以首先即必须要有输入信号，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，因此可以将整个电路设计为五部分：信号采集、信号编码、电机控制、报警控制和水位显示电路。整体电路框架如下图1所示： 报警控制报警器信号译码信

6、号编码信号采集显示器电机控制电动机图1 总体设计框图3 设计原理分析3.1 信号采集电路 该电路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，初步将该电路设计成 由水面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。按此分析，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为输入信号，而断开时设为无效信号，因此可以由电信号的接通与断开之间的变化产生信号作为控制信号。在水塔的不同位置放置几个探头时就可以

7、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具体位置，再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为输入信号经过处理后成为电路的控制信号根据设计的要求，可设水塔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点的水位，原理图如图2所示： 图2 信号采集电路其中18为八个检测探头，其中1探头到水箱底部的高度为 1 米，其他探头依次放置在相差一米的位置上，即只能检测到 1-8 米的水位。GND为公共电极，接地，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

8、信号的传递。为了更好地仿真模拟将开关的断开与闭合相当于水位的升高和降低。所以1是最先闭合的，以此类推当8闭合的时候前面的7个必须闭合。3.2 信号编码电路 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，由以上分析可知经信号采集电路采集信号后还必须要对他进行编码处理。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，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”级编码即多个输入端一同满足编码条件时，只对最高位编码。 根据要求该电路设计以编码器为核心的编码电路，因此可选 “十线四线低电平有效优先级编码器”的74147芯片作为编码器

9、。设计的电路如图3所示： 图3 信号编码电路 其中前面八个管脚接信号采集电路输出的信号，DCBA为四个输出端，由于该电路是低电平有效所以在输出端各加了一个反相器7404。3.3水位显示电路 该电路主要是对编码器输出的DCBA进行译码，译码器采用CD4511进行译码，然后经七段数码管进行显示。只有经过正确的编码译码，数码管才能准确的显示该时刻的水位。七段数码管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。显示原理图如图4所

10、示：图4 数码管显示由原理图可知，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共阴极接法的显示器对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，此时显示数字“7” 。译码及显示电路如图5所示： 图5 显示电路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CD4511段译码器驱动显示器；显示器为共阴极七段数码显示器。3.4 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。主要目的就是要控制电机的工作，

11、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。由设计要求知：要将水塔的水位控制在 1-7米。即水位低于2米时使电机工作，升到7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 米时有探头1接通电信号，因此要将该信号设计为控制电机转动的控制信号。而该信号通过编码处 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7米时要控制电机停止工作。因此时水位在7米时有7个探头接通电信号，为 1、2、3、4、5、6、7，根据编码器的工作原理，只有探头7的电信号才为有效信号，即只对7的电信号编码处理，此时由7引来的信号经过编码后成为二进制码01

12、11， 因此要将0111设计为电机停止工作控制信号，即当输入到电机驱动的信号为 0111时使电机停止运转。根据分析将该部分电路设计成图6所示： 图6 电机控制电路DCBA为信号输入端7420为四输入与非门由原理图可知，该电路主要由四个部分组成：四输入与非门、继电器。当DCBA 输入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0111时经反相器接到四输入与非门输入端1111亦输出低电平0，经过反相器后输出高电平1 接到或门一段。电路工作原理：假设刚开始水塔的水位2米以下，电机接通AC220V工作抽水，当水位上升到2米以上6米以

13、下时，此时由继电器控制电机，因为这时经过编码器处理输出BCD 码DCBA不是为0111或 0111， 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，由于二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。则此时电机仍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0111，此时Y2输出低电平0，经过反相器后为高电平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

14、止在6米处。因此继电器吸合铁片，使+5V 的电源由继电器的第一通道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，使继电器工作吸合铁片不让电机工作。而当水位下降1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，运转抽水，即能将水位控制在1米以上。 该电路所用元器件已经标在图上，四输入与非门选用7420，反相器为7404，或门为4071，与门为7408，三极管为NPN型9013，电阻为2K，继电器为JZC-21F型直流电磁继

15、电器，并在继电器两端的二极管主要是用来放掉继电器存储的电荷。3.5 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7所示： 图7 报警控制电路电路其中555构成多谐振荡器，振荡频率f=1.43/(R1+2R2)C，其输出信号经三极管推动扬声器发声。PR为控制信号,当PR为高电平时多谐振荡器工作，反之则停止工作。PR信号是由7420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

16、相器输入到四输入与非门输入断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7420，反相器为7404，或门为4071，报警器用石英晶体振荡器来代替。4 总结与体会 通过这次课程设计我学会了独立做设计的方法与技能，拿到一个题目后，广泛阅读大量有关资料，从中抽取信息，加以总结分析，当然期间也离不开指导老师的指点。这样既充分培养了我们的自学能力，还启示了我们怎样才能创新。 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体

17、训练和考察过程。课程设计刚开始时，思绪全无，举步维艰，特别是老是第一次检查的时候，当时我感到措手不及，由于软件应用不熟练，居然把电容给连短路了，当时感觉真的是无地自容。我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新” ，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道思索，给了我莫大的空间。尽管课程设计是在期末才开始，我们的教材学

18、习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位， 由于对 555 电路相关章节未能掌握以致用到脉冲产生电路无法自行设计，只得参考其他文献，在仿真软件中试行操作，逐步摸索。作图过程，通过这次课程设计我们对于protel 99 se 和 EWB EDA 技术有了一定的了解，EDA 技术发展迅速，有着广阔的应用前景，设计面广，内容丰富，它用软件的方法设计硬件；用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；在设计过程中可用有关软件进行各种仿真。 我认为，在这学期的课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思