电子技术课程设计水位操纵器设计.docx
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电子技术课程设计水位操纵器设计
东北石油大学
课程设计
课程电子技术课程设计
题目水位控制器设计
院系电气信息工程学院
专业班级自动化12-07班
学生姓名林彦超
学生学号
指导教师白丽丽
2014年7月6日
东北石油大学课程设计任务书
课程电子技术课程设计
题目水位控制器设计
专业自动化姓名林彦超学号
要紧内容：
依照设计要求，运用所学的模拟电子技术及电路基础等知识，自行设计一种水位操纵器，能够实现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，始终维持水箱中有必然的水。
Ø工作温度范围：
-40℃～+50℃
Ø持续工作时刻：
可24小时持续工作。
Ø水位探头线长度小于1.5米（太长的话容易引入无线电干扰信号，而使系统无法正常工作）。
Ø具有自动启动水泵抽水的功能。
要紧参考资料：
[1]潘松著.EDA技术有效教程[M]．北京：
科学出版社，2005.
[2]阎石.数字电子技术基础[M]．北京：
高等教育出版社，2001．
[3]曹国清．数字电路与逻辑设计[M]．徐州：
中国矿业大学出版社，2001．
[4]乔铁柱．水位传感器研究及测控仪研究[D]．山西：
太原理工大学，2004．
[5]彭介华.电子技术课程设计指导[M]．北京：
高等教育出版社，1997.
[6]孙梅生.电子技术基础课程设计[M]．北京：
高等教育出版社，1998.
[7]高吉祥．电子技术基础实验与课程设计[M]．北京：
电子工业出版社，2002.
完成期限—
指导教师白丽丽
专业负责人
2014年6月30日
1任务和要求
（1）任务：
设计一种可自动操纵水面高度的水位操纵器。
（2）水位操纵器性能要求：
Ø工作温度范围：
-40℃～+50℃。
Ø持续工作时刻：
可24小时持续工作。
Ø水位探头线长度小于1.5米（太长的话容易引入无线电干扰信号，而使系统无法正常工作）。
Ø具有自动启动水泵抽水的功能。
2整体方案设计与选择
簧管触发双稳态水位操纵器
簧管触发双稳态电路来操纵水泵，干簧管A用于低水位检测，千簧管B用于高水位检测。
刚接通电源时，只要水位不在最高位置，电路即会处于V2饱和导通、V3截止的状态，继电器K吸合，其常开触头接通水泵电动机的工作电源，水泵开始抽水。
当水箱内水位上升至最高水位时，水上的浮体（内有磁铁）靠近干簧管B，在磁场的作用下，干簧管A内部的常开触头接通，使V4导通，V3和V2截止，K释放，水泵停止抽水。
当水位降至低水位时，干簧管A的常开触头在浮体内磁铁的磁场作用下接通，使Vl导通，V2饱和导通，V3截止，K吸合，水泵又开始抽水。
如此周而复始，使水箱内水位始终在高水位与低水位之间起落转变。
图1簧管触发双稳态水位操纵器原理图
三相水位操纵器
三相水位操纵器原理如图2接通刀开关Q，按动S2后，KM通电吸合，其常开触头吸合，水泵电动机通电工作。
与此同时，相线L2与零线N之间的220V交流电压经Cl降压、VDl和VD2整流、VS稳压及C2滤波后，产生9V直流电压。
该电压一路直接加至IC的l脚（输入端）;另一路经R2和电极a、b之间水的电阻加至IC1的5脚（操纵端），使IC内部的电子开关接通，其2脚的输出电压经R4将VLC内部的发光二极管点亮，VLC内部的光敏晶体管导通，其发射极输出的高电平通过V加至VT的门极，使VT受触发而导通，中间继电器KA通电吸合，其常开触点接通，使KM在S2松开复位后仍锁定为吸合状态。
水被抽干后，电极a,b之间的阻值增大，使IC的5脚变成低电平，其内部的电子开关断开，VLC和VT截止，KA和KM断电释放，水泵电动机M停止工作。
图2三相水位操纵器原理图
两线水位操纵器
本设计采纳金属探针作为水位检测传感器，将水位信息输出到555按时器与逻辑门电路组合的电路中，通过组合电路判定出当前水位的情形，由两个与非门驱动继电器，使给、排水电机工作，达到自动操纵水位的成效。
水位探针用细金属制作，垂直安放在盛水容器内。
水位探针能够同供水器安装成一体，从盒体下部伸出，也可单独安装，其间用导线与供水器相连。
当探针A、B都为高电位时，信号进入555按时器后，输出转化为低电位，通过非门U2A转化为高电位，现在继电器K1打开，使给水电机工作。
同时信号也通过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为低电位，继电器K2仍然关闭，排水电机不工作。
实现补水。
当探针A、B都为低电位时，信号进入555按时器后，输出转化为高电位,通过U2A非门转化为低电位，现在继电器K1关闭，给水电机不工作。
同时信号也通过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为高电位，继电器K2打开，使排水电机工作，实现放水。
图3两线水位操纵器原理图
方案一用到了双干簧管，价钱比较高，尽管探测的成效比较好，可是制作起来比较麻烦，不适合作为课程设计的选择。
方案二简单明了，但运用了光敏原件，容易受到外界条件的干扰，方案三用到了简单的元件而且设计合理，既具有了方案一的优势又解决了方案二的不足。
因此选用方案三作为本课题的原理方案。
3电路总原理框图设计
水位操纵器的原理框图如图4示。
图4水位操纵器原理图
4单元电路设计
传感器电路设计方案
水位传感器的灵敏元件是利用单晶硅的压阻效应原理制成的，在单晶硅上形成1个与传感器量程相应厚度的弹性膜片，采纳微电子工艺在弹性膜片上形成4个应变电阻，组成1个惠斯顿电桥，如图5所示。
当压力作用后，弹性膜片就会产生变形，形成正、负2个应变区，材料的电阻率就要发生相应的转变。
当单晶硅片受到压力作历时，电桥一个对臂的2个电阻阻值增大，另一个对臂上的2个电阻阻值减小。
如此，在必然电源鼓励下，电桥的输出端就会输出一个与被测压力成必然比例关系的电压信号。
图5传感器搜集水位信号原理图
图5中△R是由于压阻效应产生的电阻的转变量。
在水的压力作用下，电桥的输出UBD=I△R，可见电桥的输出与电阻的转变量成正比，也确实是与水的压力（或深度）成正比，从而将水位物理量变成对应的近似成线性比例关系的电信号。
当水位升高或降低时，单晶硅所受压力随之改变，输出正比于水位的电压信号。
水位传感器利用水的压力与水的深度成正比的关系来测量水位，水压力即差压。
当把传感器探头投入到水中某一名置时，测点的水压力为：
式中P——测点的水压力，g/cm2。
H——测点水深，即测点至水面距离，cm。
ρ——水的密度，kg/m3。
可推算得，测点水深：
H=P/ρ。
逻辑门电路设计方案
逻辑门电路的要紧作用是判定探针传来的液位信息，分析可知，当A、B都为高电位时应使给水电机工作，A、B都为低电位时应使排水电机工作，其他状态均不工作。
逻辑门电路如图6所示。
图6逻辑门电路
当A和B均为低电平常，那么两个均导通，T1导通而M4和M5均截止，输出L为。
与此同时，M1通过M2和M5被VDD所鼓励，从而为T2的基区存储电荷提供一条通路。
另一方面，当两输入端A和B中之一为高电平常，那么M2和M3的通路被断开，而且M4或M5导通，将使输出端为。
M1或M6为T1的基极存储电荷提供一条释放。
因此，只要有一个输入端接高电平，输出即为低电平。
继电器设计电路
继电器是一种电子操纵器件，是具有隔离功能的自动开关元件，能够将电动机的干扰有效的隔离。
它具有操纵系统和被操纵系统，通常应用于自动操纵电路中，它事实上是用较小的电流去操纵较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调剂、平安爱惜、转换电路等作用。
本设计继电器采纳固态继电器，以降低功耗。
固态继电器是一种没有机械，不含运动零部件的继电器，但具有动作快、工作稳固、利用寿命长、体积小，能以微小的操纵信号直接驱动大电流负载等优势。
图7继电器原理图
继的输入信号x从零持续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断导通。
一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将再也不起转变。
当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。
咱们把继电器的这种叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。
释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即 Kf=xf/xx，触点上输出的操纵Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的操纵系数，即Kc=PC/P0。
电机参数与作用
电机采纳24V供电直流电机。
负责给水、排水。
5单元电路的级联设计
将传感器、逻辑门电路、继电器、电机按图4所示顺序用直接耦合的方式连接，就组成了完整的水位操纵器。
6实验调试结果
当探针A、B都为高电位时，信号进入逻辑门电路组合的电路中，输出转化为高电位，现在继电器K1打开，LED2显示红灯亮，使给水电机工作。
同时信号也通过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为低电位，继电器K2仍然关闭，排水电机不工作。
实现补水。
当探针A、B都为低电位时，信号进入555按时器与逻辑门电路组合的电路中，输出转化为低电位，现在继电器K1关闭，给水电机不工作。
同时信号也通过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为高电位，继电器K2打开，LED1显示绿灯亮，使排水电机工作。
实现放水。
从而实现对水位的操纵。
7设计总结
本设计通过电子探头对液位进行检测，再由液位检测专用芯片对检测到的信号进行处置,当被测液体抵达动作点时，芯片输出高或低电平信号，再配合水位操纵器，从而实现对液位的操纵。
此设计尚不成熟，采纳了比较简易的设计方式，但大体上知足要求。
由于我的能力所限那个设计不是很完善，还有许多的地址需要加以改善。
在与同窗们的讨论和教师的指导下，我终于完成了本次的课程设计。
通过本次的课程设计，我学会了设计电路的大体设计方式和设计的思路，同时也感觉到自己基础知识的不牢固和知识面的缺乏。
从本次设计中体会到平常应该注重知识面的扩展和基础知识的积存。
而且应该多亲自动手设计，巩固基础知识,拓展知识面,提高电子设计的能力。
参考文献
[1]潘松著.EDA技术有效教程[M]．北京：
科学出版社，2005.
[2]阎石.数字电子技术基础[M]．北京：
高等教育出版社，2001．
[3]曹国清．数字电路与逻辑设计[M]．徐州：
中国矿业大学出版社，2001．
[4]乔铁柱．水位传感器研究及测控仪研究[D]．山西：
太原理工大学，2004．
[5]彭介华.电子技术课程设计指导[M]．北京：
高等教育出版社，1997.
[6]孙梅生.电子技术基础课程设计[M]．北京：
高等教育出版社，1998.
[7]高吉祥．电子技术基础实验与课程设计[M]．北京：
电子工业出版社，2002.
附录
表1元件清单
序号
器件名称
型号
单位
数量
备注
1
电阻R1
5K
个
1
2
电阻R2
5K
个
1
3
电阻R3
220K
个
1
4
电阻R4
220K
个
1
5
发光二极管LED
红色和绿色
个
2
6
继电器K
固态
个
2
7
U1
555
片
1
8
U2
74LS04
片
2
9
U3
74LS08
片
1
10
电机M
24V
个
2
东北石油大学课程设计成绩评判表
课程名称
电子技术课程设计
题目名称
水位控制器设计
学生姓名
林彦超
学号
指导教
师姓名
白丽丽
职称
教授
讲师
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
年月日
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