液位控制器的电路模拟设计.docx

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液位控制器的电路模拟设计

课程设计名称：

电子技术课程设计

题目：

液位控制器的电路模拟设计

学期：

2011-2012学年第2学期

专业：

自动化

班级：

姓名：

学号：

辽宁工程技术大学

课程设计成绩评定表

评

定

标

准

评定指标

标准

评定

合格

不合格

单元电路及

整体设计方案

合理性

正确性

创新性

仿真或实践

是否进行仿真

或实践

技术指标或性能符合设计要求

有完成结果

设计报告

格式正确

内容充实

语言流畅

标准说明：

以上三大项指标中，每大项中有两小项或三小项合格，视为总成绩合格。

总成绩

日期

年月日

课程设计任务书

一、设计题目

液位控制器的电路模拟设计

二、设计任务

1.检测显示液位功能。

2.控制通道输出为双向晶闸管或继电器，一组转换触点为市电（220V10A）

3.实现与给定液位比较控制功能。

三、设计计划

电子技术课程设计共1周。

第1天：

选题，查资料；

第2天：

方案分析比较，确定设计方案；

第3～4天：

电路原理设计与电路仿真；

第5天：

编写整理设计说明书。

四、设计要求

1.画出整体电路图。

2.对所设计的电路全部或部分进行仿真，使之达到设计任务要求。

3.写出设计说明书。

指导教师：

时间：

2011年6月24

1.方案论证

1.1设计方案

1.2系统组成框图

2.原理及技术指标

3.单元电路设计及参数计算

3.1电源电路

3.2水位检测和水位控制电路

3.2.1水位检测电路

3.2.2水位控制电路

3.3液位显示电路

3.3.1液位显示部分结构流程图

3.3.2液面显示原理

3.4电机开关控制电路

3.5电机状态显示电路

3.6报警电路

4.仿真

5.液面控制器总原理图

6.设计小结

7.参考文献

摘要

本液位控制器模拟电路系统具有水位手动控制、电机运转指示、超警戒报警等功能，由七部分组成，即液位检测电路、液位显示电路、液位控制电路、电机开关控制电路、电机状态显示电路、报警电路和电源电路。

它采用了二极管、三极管、稳压管、继电器、三端稳压电路等多种电子元件来实现以下为各部分电路及元件原理。

其中，液位检测电路是通过压电式单向测力传感器实现将水位变化产生的压力变化转换成电流信号，便于后期的处理。

水位控制电路是利用电压比较器的原理实现水位的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞性来避免水位压力变化产生的跳闸现象和因水波波动而产生的不稳定信号，同时将比较结果输给下一级。

电机开关控制电路是将上一级的结果反映到继电器上，同时利用继电器的特性决定电机是否工作。

本系统实现了对水位得监测以及报警，采用传感器和单片机对液位进行监测、显示，精度和灵敏度都比较高，同时也给予了声音报警。

电机状态显示电路是通过发光二极管的亮灭显示出电路的工作状态，加水还是在放水。

报警电路是利用电压比较器的原理实现水位超过警戒值就报警的功能。

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交流电转换成直流12V、5V电压。

稳压电路由三端稳压器实现，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。

直流电源电路对水位检测电路、水位控制电路、电机开关控制电路、电机状态显示电路、报警电路和电源电路供电，交流电源只对电机供电。

随着科技的发展人们对水位控制的需求越来越多，它不仅要具有自动控制水位的功能，而且要能手动调整水位，给人们的生产生活带来了极大的方便。

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。

1.方案论证

1.1设计方案

该电路由电源电路、液位检测电路、液位显示电路、液位控制电路、电机开关控制电路、报警电路和显示电路七部分组成。

采用了二极管、三极管、稳压管、继电器、电压比较器等多种电子元件来实现。

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交流电转换成直流12V、5V电压。

稳压电路由三端稳压器实现，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。

液位检测和液位控制电路主要由压阻式压差传感器和迟滞比较器组成。

压阻式压差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确定液位，还可以防止跳闸现象和液体波动引起的不稳定的出现。

采用单片机和数码管实现液位显示，精度高，易于驱动，能直观的显示出液位高度与警戒液位的差距，便于对水位高度的控制，降低危险率。

报警电路由集成比较器和蜂鸣器等组成，灵敏度高，操作简单，不仅可以实现自动报警，还可以手动调节报警液位。

电机开关电路和显示电路主要由电流放大电路和继电器组成。

继电器可以提供电机所需要的交流电，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。

1.2系统组成框图

图1-1

如图1-1为液位控制器的系统组成框图。

各部分电路的组成及其用途如下：

液位检测电路：

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。

液位控制电路：

利用比较器原理实现水位的控制，同时利用迟滞比较器的迟滞性来避免跳闸现象和因水波波动引起的不稳定现象。

液位显示电路：

采用单片机与数码管构成液位显示电路，能时时对液位进行监测，精度较高，可控性强。

电机开关控制电路：

完成控制电路和电机抽放水的转换。

显示电路：

利用发光二极管将电机状态显示出来。

报警电路：

利用电压比较器实现超警戒水位就报警的功能。

电源电路：

为上述所有电路提供直流电源。

交流电源仅为电机提供电源。

2．原理及技术指标

采用传感器对液位进行监测，并根据水位的变化将其信号传递给迟滞比较器，经过迟滞比较器的运算、比较、放大，来控制电机是否工作，哪个工作，是放水还是抽水。

并通过发光二极管来显示电机的工作状态，易于判断和检修。

迟滞比较器的运用避免了由于水波的波动而造成的电机的反复的放水与抽水，实现了水位的自动控制。

另外，利用迟滞比较器的运算、比较、放大来实现水位超过警戒水位就报警的功能，易于安全生产生活。

迟滞比较器的运用还避免了水波的波动而造成的反复报警，增强了系统的稳定性。

另外，系统还具有时时显示液位的功能，采用单片机、A/D转换器与数码管等组成电路，灵敏度高，可控性强。

3.单元电路设计及参数计算

3.1电源电路

图3-1

电源电路由两部分组成：

交流电源和直流电源。

交流电源可以直接用220V的普通电源。

如图3-1为直流电源电路可以直接从电网供电，通过变压器电路，整流电路，滤波电路，和稳压电路直接将电网中的220V交流电转换成+12V、+5V的直流电压。

其各部分功能如下：

1）变压器

采用常规的铁心变压器，将高压转变为低压。

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。

分别叫做变压器的次级线圈和初级线圈。

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（其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈），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η=P2/P1*100%

额定功率P

2）整流电路

采用二极管桥式电路，任务是将交流电换成直流电，这主要靠二极管的单向导电作用，T为电源变压器，作用是将交流电网电压变成整流电路要求的电压价。

其优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压底。

桥式整流电路由四个二极管组成，如图3-2所示。

图3-2

工作原理：

U2正半周时:

D1、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：

25V–1000V

2）滤波电路

由C2，C3，C4，C5构成，用于滤去整流输出电压中的纹波，本电路采用电容输入式，电容具有平波作用。

使纹波较小，适用于负载电压较高，负载变动不大的电路。

4）稳压电路

采用三端稳压集成电路，有输入，输出和接地端，内部由启动电路，基准电压电路，取样比较放大电路，调整电路和保护电路组成。

电路中接入电容用来实现频率补偿防止稳压器自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，另一方面以减少稳压电源输出端由输出电源引入的低干扰。

该三端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。

3.2水位检测和水位控制电路

3.2.1水位检测电路

水位检测电路如图3-3所示，主要有电阻，压力传感器，放大器组成。

压力传感器是一种将压力变为代电阻的专用器件，本电路用的是压阻式压差传感器。

固定位置或高度的压力在传感器感应膜片上形成相应的水压差，由压力传感器的感应膜片感生出相应电压，经传感器内部V/A的变送器，压力传感器同时测出水位并自动补偿，输出不受水温、大气压强等因素影响的4-20mA的水位模拟信号，由双芯屏蔽电缆连接到水位仪输入端，经A/D转换，再经去伪，除波等处理得出所测的水位。

再进行显示、储存、传输等。

本电路采用的电阻型液压传感器型号为PT500-501，即传感器的阻抗随液压的增加而增加。

可变电阻R23的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节其输出电压Us的值，也就可以调节液位控制范围。

图3-3

1）相关参数计算：

由于PT500-501压力传感器输出不受水温、大气压强等因素影响的4-20mA的水位模拟信号，则

（1）

同时

（2）

由公式

（1）和

（2）计算得

即：

则滞回比较器可以获得2v—12v的输入电压，对于电路较合适。

2）PT500-501型传感器介绍

PT500-501系列压力传感器采用高精度、高稳定性电阻应变计做为变送器的感压芯片，选进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成4～20mA、0～5VDC等标准电信号，其最高压力可达到150MPa。

3.2.2液位控制电路

1）液位控制电路的组成

如图3-4所示，水位控制电路由两部分组成：

第一部分是由电阻R2、R3、R4和稳压管D1组成参考电压的产生电路：

第二部分是由迟滞比较器U1、U2构成的液位测量电路。

图3-4

参考电源产生电路的功能是产生一个稳定的电压，作为比较的标准。

由于参考电源产生电路的输出端接入了比较器的输入端，为了防止出现输出电流导致参考电源不稳定的情况，电路采用电阻和稳压管结合的方式构成。

其中稳压管的稳定电压为+6V，而输出UREF=+6V。

此电路有两个功能：

一、确定实际液位和被控液位的大小关系；二、防止出现跳闸现象。

UREF同时分别输入两个运放的反相输入端UN和同相输入端UP，而Us则同时分别输入到这两个运算放大器的同相输入端UP和反相输入端UN。

这样

当Us

当Us>UREF时，U1输出为低电平，而U2输出为高电平；

由于Us，UREF分别代表实际液位和被控制液位，这样实际液位和被控液位的关系就确定了。

2）迟滞比较器

迟滞比较器代替单限比较器，防止跳闸和水波波动引起的输入不稳定问题。

迟滞比较器U1的特性表达式为：

（1）

（2）

由式

（1）和

（2）可求得迟滞比较器U1的VT+-VT-之差（5.5V～6.6V）具有1.1V的回差范围。

同理，可得比较器U2的也具有1.1V的回差范围。

所以，两个比较器均可以实现避免跳闸和水波波动引起的输入不稳定问题。

3）稳压器二极管

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UREF，其中稳压二极管选用1N4735，其稳定电压为6.2V，限流电阻R3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RZ

5）实现手动调节给定标准液面值

手动调节R7和R12的大小就可以改变输入比较器的电压值，从而改变比较器输出高低电平的上下限，即可以实现手动调节给定标准液面值。

同时，在VCC（+12V）、D1和R3构成的参考电压的产生电路中，也可以通过手动调节J1、J2和J3选择不同的档位来改变基准电压的值以来实现手动调节给定标准液面值。

3.3液位显示电路

3.3.1液位显示部分结构流程图

如图3-5所示，为液位显示部分的流程图：

图3-5

3.3.2液面显示原理

当水箱液位发生变化时，PT500-501型电阻型液压传感器（前面已介绍）即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号，送入A/D转换器，A/D转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。

如图3-6所示，是A/D转换部分原理图：

图3-6

1）A/D转换电路及控制输出

A/D转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。

该控制器采用CMOS工艺制造的8位A/D转换器芯片ADC0809。

在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制A/D转换程序。

由于Multisim1软件中没有ADC0809型号的转换器，所以图中用通用型A/D代替。

2）单片机

单片机采用40脚双列直插式8051系列单片机，P1.0~P1.7在引脚的1~8号端子，P2.0~P2.7在引脚的21~28号端子，P3.0~P3.7在引脚的10~17号端子。

各P口介绍如下：

P0口有三个功能：

a、外部扩展存储器时，当做数据总线

b、外部扩展存储器时，当作地址总线

c、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口只做I/O口使用：

其内部有上拉电阻。

P2口有两个功能

a、扩展外部存储器时，当作地址总线使用

b、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；

P3口有两个功能除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。

3）数码管显示

如图3-7、3-8所示，数码管显示有两种方案：

在图3-7中，数码管动态显示范围从0～99（单位可自定），选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。

在这里使用到了74ALS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511BD七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。

由于采用5V供电，所以HEF4511BD七段译码器需要加300Ω的限流电阻，防止数码管因电流过大而烧坏。

图3-7

如图3-8是另外一种数码管显示方案，其原理与上述相似，但此处采用DCD_HEXLED共阴数码管，DCD_HEXLED数码管是一种带有译码器的数码管，即是译码器和数码管的结合体，它的使用可以简化电路，使操作更加简单，常在电路仿真中用到此种数码管。

图3-8

3.4电机开关控制电路

如图3-9所示，电机开关控制电路由三极管和继电器电路组成，比较器的输出直接接放大器的输入，由于运算放大器的输出电压一般无法驱动继电器工作，所以运算放大器的输出电压需经过放大后才能接继电器。

而由三极管构成的电压放大电路是一种比较简单的放大电路，可以通过它来放大运算放大器的输出电压。

其中R16和R17是限流电阻，防止输入电流过大烧坏三极管。

三极管接为共射电路，当接入为高时，三极管导通；当输入为低时，三极管截止，无电流通过。

继电器连接三极管的集电极，当有电流驱动时开关吸合，对应的电机开始工作；当无电流驱动时开关断开，对应的电机不工作。

继电器两端并联的二极管起保护作用。

即：

当U2输出为低电平时，对应三极管截止，抽水电机不工作；

当U2输出为高电平时，对应三极管导通，抽水电机工作，抽水开始；

当U1输出为低电平时，对应三极管截止，加水电机不工作；

当U1输出为高电平时，对应三极管导通，加水电机工作，加水开始。

这样就可以利用反馈，实现液面控制在给定值。

图3-9

3.5电机状态显示电路

如图3-10所示，显示电路主要由发光二极管构成，通过发光二级管的亮灭来表示电机是否通电。

图3-10

当继电器闭合时，电机开始工作同时发光二级管导通发光发亮；当继电器断

开时，电机停止工作，同时发光二级管截止处于灭的状态。

由于通过继电器的驱动电流很大，所以用限流电阻与发光二极管串联起保护作用。

3.6报警电路

如图3-11所示，报警电路由集成比较器LM393N和二极管D5以及蜂鸣器构成的工作电路。

正常工作状态下，若传感器的输出电压Us

若传感器的输出电压Us>UN，比较器U3输出高电平，则说明液箱液位已经超出了警戒值，即三极管导通，蜂鸣器报警。

图3-11