低成本水塔水位控制器设计.docx
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低成本水塔水位控制器设计
2011年度本科生毕业论文（设计）
院－系：
专业：
年级：
学生姓名：
学号：
导师及职称：
2011年6月
2011AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
Thedesignoflowcostwaterlevelcontrollerintowers
Department:
EngineeringCollege
Major:
Electricalengineeringandautomation
Grade:
2007
Student’sName:
ZhangChenghui
StudentNo.:
200703050106
Tutor:
LecturerYangYongfu
June,2011
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
毕业论文（设计）授权使用说明
本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。
有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。
保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
毕业论文（设计）答辩委员会（答辩小组）成员名单
姓名
职称
单位
备注
主席（组长）
摘要
不论当今社会经济如何飞速发展，水在人们正常生活和生产中依然起着不可替代的重要作用。
一旦断水，轻则给人们生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，因此人们对供水系统就提出了更高的要求，即及时、准确、安全、充足的供水。
传统水塔供水是直接采用水泵，供水过程中只能通过认为判断水塔水位及水井水位，人为控制水泵何时工作，何时停止，这样的供水过程，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，因此必须对供水系统进行自动化控制的改造，从而实现提供足够的水量、平稳的水压。
本文中的水塔水位控制器就是基于以上现实因素而设计的。
本设计采用555时基电路实现了水塔水位的自动控制，是一种成本低、高实用价值的水塔水位控制器。
它能自动完成上水、停水的循环，保证液面高度处于较理想的范围内，实现了高低电压的分离操作。
它结构简单，制造成本低，可以有效的减少损失，是适用于家庭和工厂用水的理想供水设备。
关键词：
555时基电路；水位控制；低成本
ABSTRACT
Nomatterhowtheeconomyrapid,waterinsociallifeandproductionplaysanimportantrole.Oncetherehavenowater,itwillgivepeoplelifeinconvenient,evenmaycauseseriousaccidentsandlossofproductionforwatersupplysystem,andputsforwardahigherdemand,meettimely,accurate,safeenoughwatersupply.Ifstillusemanualmode,laborintensityandlowworkingefficiency,whichmustbecarriedouttoensuretheautomaticcontrolsystemsoastorealizethetransformation,provideenoughwater,thiswaterlevelcontrollerisdesignedaccordingtotheaboveproblems.
Thedesignuses555timer,achieveautomaticcontrolofwatertowers,Thisdesignisalowcost,highpracticalvalueofthewatertowerwaterlevelcontroller.Itcanautomaticallycompletethepumped,watercycle,toensurethattheliquidlevelintheidealrange,itssimplestructure,lowmanufacturingcost,caneffectivelyreducelosses,isapplicabletoavarietyofhigh-levelidealforliquidstoragefacilities.
Keywords:
555timer；waterlevelcontrol；LowCost
目录
前言1
1.备选方案2
1.1方案一2
1.1.1设计电路图2
1.1.2工作原理2
1.2方案二3
1.2.1设计方框图3
1.2.2设计电路图3
1.2.3工作原理4
2.方案选择及原理说明4
2.1方案选择4
2.2工作原理4
2.2.1水塔水位控制电路工作原理4
2.2.2水井水位控制电路工作原理4
2.3主要元件说明及工作原理4
2.3.1555定时器4
2.3.2电磁继电器6
3.主要单元组成及功能7
3.1信号产生单元7
3.2信号处理单元7
3.3信号响应单元8
4.实物制作与元件检测8
4.1PCB电路板设计8
4.1.1元件布局规则8
4.1.2元件布线规则9
4.2元件检测9
4.2.1电磁继电器的检测9
4.2.2二极管的检测9
5.元件焊接与实物调试11
5.1元件焊接11
5.2实物调试11
5.2.1水塔水位控制调试11
5.2.2水井水位控制调试11
6.设计总结20
参考文献13
致 谢14
附录一：
水位控制器整体电路原理图15
附录二：
protel绘制PCB电路板图16
附录三：
元件列表17
附录四：
水位控制器设计成品照片18
前言
在日常生活中和工业生产中，水位控制装置有着广泛的应用，如水塔，楼房水箱等。
水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式、行程开关式、电节点式、压力式、电子式、微机式等。
这些装置或多或少地存在着一些缺点：
浮子开关式采用机械结构，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。
本设计从实用性和经济性出发，设计了一种水位自动控制装置，该装置结构简单、维护方便、工作可靠、性能价格比优良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺点，在多种场合下均可采用。
具体说本设计不用PLC，也不用单片机，用集成电路（555时基电路）的硬件控制电路便能全部达到要求，而且还可具有控制灵敏、稳定可靠、电路简单、操作简便、维护方便、性价比高的特点，成品可以直接用于安装在家庭、工厂、学校等水塔水位的自动上水和关断。
1.备选方案
1.1方案一
1.1.1设计电路图（见图一）
采用555时基集成电路组成的水位控制系统的电路图如图一所示。
电路中555时基集成电路器IC1构成施密特触发器完成整个水位控制功能。
图一单片555构成的简易水位控制电路
1.1.2工作原理
图中A,B、C是三个电极检测点。
当水位高于水位线A时，水泵停机，停止给水池加水；水位低于水位线B时，水泵工作，给水池加水。
C电极是最低水位检测点，它连接于电源VDD,当水位低于水位线B时，C与B点不导通，导致IC1的2,6脚电位为零，555时基集成电路3脚输出高电平，VT1导通，继电器吸合，水泵给水池加水。
当水位到达B点时，由于C，B两点在水的作用下被短路，使IC1的2、6脚电位大于1/3VDD，此时IC1输出端3脚维持高电平不变，水泵继续给水池加水。
当水位到达A点时，C，B，A三点被短路，使IC1的2,6脚电位等于4/5VDD，大于2/3VDD，ICI的3脚输出低电平，VT1截止，继电器断开，水泵停止给水池加水。
同理，当水位下降，但还高于B点，此时IC1的2,6脚电位等于1/2VDD,大于1/3VDD，水泵仍然停止工作，只有水位低于B点时，此时IC1的2,6脚电位为低电平,VT1导通，继电器吸合，水泵开始向水池加水。
如此循环往复使水池中的水位保持在B、A之间。
1.2方案二
1.2.1设计方框图（见图二）
图二方案二设计方框图
1.2.2设计电路图（见图三）
图三两片555构成的水位控制电路图
1.2.3工作原理
本方案由降压整流电路、555触发电路（IC1、IC2）、继电器控制电路等组成。
其中降压整流电路为整个控制电路提供12V直流电压，触发电路IC1对应水塔低水位泵水控制电路，触发电路IC2对应水井高水位泵水控制电路，通过这些单元的组合实现水塔水位的控制与检测。
2.方案选择及原理说明
2.1方案选择
综合考虑方案的可实现性、控制精度、强弱电的分离控制，本次设计选择了方案二。
方案二能够实现基本控制之外，IC2对于水井高水位的控制，可以有效防止水泵的空转，加强了安全性与可靠性。
2.2工作原理
2.2.1水塔水位控制电路工作原理
当水塔内的水位探极A高于塔内的水位线时，IC1（555）②脚为“地”电位，使IC1发生置位，③脚输出的高电平使继电器J1吸合，触点K1闭合，抽水电机因得电而运转，进行抽水；当水位上升至探极C时，相应IC1复位，输出的低电平使J1释放，触点K1断开，抽水机断电停转，从而对水塔水位实现自动控制。
2.2.2水井水位控制电路工作原理
置于水井中的探极D、E，正常情况下应在水面以下一定深度处，使IC2（555）因②脚为高电平而复位，③脚输出的低电平使J2吸合，触点K2闭合。
当因连续抽水而使D、E探极高于水面时，IC2因②脚为低电平而发生置位，③脚输出的高电平使J2释放，触点K2断开，电机断电停转，从而避免电机空转，同时对水井水位进行检测。
2.3主要元件说明及工作原理
2.3.1555定时器
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容，图四是555内部框图及引脚排列[1]。
图四555定时器内部框图及引脚排列
电路工作原理：
555定时器内部电路方框图如上图所示。
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成的分压器提供。
A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。
是复位端（4脚），当
＝0，555输出低电平。
平时
端开路或接VCC。
VC是控制电压端（5脚），平时输出2/3VCC作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μf的电容器到地端，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定[2]。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。
555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断[3]。
2.3.2电磁继电器
继电器是具有隔离功能的自动开关元件，在我们设计当中主要式自动控制作用，本设计采用+12V的直流电来控制220V的交流电，以达到控制水泵的目的，因为这里是用弱电来控制强电，所以安装和使用的过程当中我们一定要注意用电安全。
电磁继电器内部电路图（见图五）
图五电磁继电器内部电路图
电磁继电器的工作原理：
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[4]。
3.主要单元组成及功能
3.1信号产生单元
信号产生单元主要由IC1和IC2两片NE555芯片的引脚引出的探极和水塔与水井（水杯模拟）组成。
该单元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，将该部分设计成由水面的上升与下降来控制电信号的接通与断开：
当水位上升时断开电信号；当水位下降时接通电信号。
按此析，只要在水塔里放上用来传递电信号的探极，则水位上升到探极位置时断开电信号；水位低于探极位置时接通电信号。
把电信号接通时设为有效信号即当作控制信号。
在水塔的不同位置放置几个探极时就可以根据水位的高低接通某些探极和断开某些探极。
因此只要知道每个探极的具体位置，在根据其输出电信号的情况就能大致确定水位的位置，将探极输出的电信号当作输入信号经过处理后成为电路的控制信号。
设计该单元主要在于探极个数的选择与探极放置位置的选择。
因为探极的个数直接关系到水位检测的精确度，探极个数越多检测点也就越多检测水位就越准确。
但如果探极太多就会给其他电单元的设计带来麻烦，综合上述考虑我选择了如下探极分配探极：
IC1分别由NE555P的8、2、6口引出A（低水位）、B（中水位）、C（高水位）探极；IC2由2、8口引出D、E探极，作为水泵空转水位下限。
3.2信号处理单元
信号处理单元主要由IC1和IC2两片NE555p芯片、电磁继电器以及和它们所连接的控制电路组成。
该单元主要是对输入信号进行处理，然后输出控制信号给继电器和显示灯。
因为水的导电性十微弱，由公共端通过探极的电信号会很小，所以为了加大导电性，在水中加入了食盐。
IC1通过对水塔（水杯模拟）中探极所传递来的高低电平信号来控制继电器J1。
具体控制过程如下：
当探极A（低水位）高于水位线时，IC1的2脚为低电平，使IC1发生置位，3脚输出的高电平使继电器J1吸合，触点K1闭合，水泵因得电而运转，进行抽水；当水位上升至探极C（高水位）时，相应IC1复位，
3脚输出的低电平使继电器J1释放，触点K1断开，水泵因断电而停止工作，不再继续抽水。
IC2通过对水井（水杯模拟）中探极所传递来的高低电平信号来控制继电器J2。
具体控制过程如下：
置于水井中的探极D、E，正常情况下应在水面以下一定深度处，使IC2因2脚为高电平而复位，3脚输出的低电平使继电器J2吸合，触点K2闭合，保持水泵的通电工作状态。
当因连续抽水而使D、E探极高于水面时，IC2因2脚为低电平而发生置位，3脚输出的高电平使继电器J2释放，相应的触点K2断开，水泵断电停止抽水，防止水泵的空转。
3.3信号响应单元
信号响应单元由水泵和高低水位指示灯组成。
上电之前水塔中A（低水位）探极低于水位线，B（中水位）、C（高水位）探极高于水位线，此时绿灯亮，显示水塔中为低水位。
上电后水泵正常工作，当因为连续抽水使得水位上升到C（高水位）探极之上，水泵停转，此时红灯亮，显示水塔中为高水位。
4.实物制作与元件检测
4.1PCB电路板设计
先用protelDXP2004软件设计电路原理图，检查无误后转化成PCB板图，然后根据电路板的实际情况和布线规则进行布线，最后电解制作出电路板。
由于开始的时候对protel软件不是很了解，所以花了大约一个星期的时间来学习该软件的基本应用，为之后电路板的设计与制作打下了基础，下边是我学习过程中了解到的元件布局和布线的规则，制作电路板的时候必须遵从这些规则才能制作出符合要求的PCB电路板。
4.1.1元件布局规则
（1）按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开。
（2）定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm内不得贴装元件，螺钉等安装孔周围3.5mm内不得贴原器件。
（3）卧装电阻、电感、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路。
（4）元器件的外侧距板边的距离为5mm。
（5）贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm。
（6）金属壳体元件与金属件不能与其他壳体相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm；定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其他方孔外侧距板边的尺寸应大于3mm。
（7）发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均匀分布。
（8）电源插座要尽量布置在印制板的四周，电源插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。
（9）所有IC元件单边对齐，有极性元件极性标示明确，同一印制板上极性标示不得多于两个，出现两个方向时，两个方向互相垂直。
4.1.2元件布线规则
（1）画定布线区域距PCB板边<1mm的区域内，以及安装孔周围1mm内，禁止布线。
（2）电源线应尽可能的宽，不应低于18mil；模拟信号线宽不应低于12mil；CPU入出线不应低于10mil；线间距不应低于10mil。
（3）正常过孔的焊盘不应低于30mil；孔径不低于14mil。
（4）双列直插：
焊盘60mil；孔径40mil。
（5）注意电源线与地线应尽可能呈放射状，以及信号线不能出现回环走线。
[5]
4.2元件检测
4.2.1电磁继电器的检测
本次设计实物制作中用的是JQX-14FF12V四脚直流电磁继电器，由于protel软件中没有这个型号继电器的封装，所以就要根据继电器的引脚来自己在软件中设计此继电器的封装，停止也要区分线圈和常开触点的引脚分配，以免焊接时出错。
区分四个引脚脚中线圈和常开触点的方法如下：
用万用表电阻档分别接触两个引脚，有电阻值为几百欧姆的两个引脚为线圈，除了线圈引脚外的引脚中电阻值为∞的一对则为常开触点。
检查继电器的好坏与区分线圈和常开触点的方法如下：
（1）通过检测线圈的直流电阻，可判断继电器是否正常。
其方法是用万用表的欧姆挡，量程可据继电器的标称值，额定电压越高，阻值也就越大，一般选择R×100k挡或Rx1k挡。
将两表笔分别接到线圈的两引脚，如测得的阻值与标称值基本相同表明线圈良好，如电阻值为∞，表明线圈开路。
（2）检测继电器触点。
接触电阻用万用表的R×1k挡，表笔分别接常闭触点的两引脚，其阻值应为OΩ，然后将表笔再接常开触点的两引脚，阻值应为∞。
然后给继电器通电，使衔铁动作，将常闭转为开路、将常开转为闭合，再用上述方法进行检测，其阻值正好与初次测量相反，表明触点良好。
[6]
4.2.2二极管的检测
4.2.2.1整流二极管的检测
本设计中的整流桥和连接继电器的续流作用的二极管采用的都是IN4007整流二极管。
整流二极管是由一个PN结构成的半导体器件，具有单向导电特性[7]。
通过用万用表检测其正、反向电阻值，可以判别出二极管的电极，还可估测出二极管是否损坏。
（1）极性的判别：
将万用表置于R×100k档或R×1k档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。
两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大（为反向电阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。
在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极[8]。
（2）单负导电性能的检测及好坏的判断：
通常锗材料二极管的正向电阻值为1kΩ左右，反向电阻值为300左右。
硅材料二极管的电阻值为5kΩ左右，反向电阻值为∞（无穷大）[9]。
正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。
正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。
若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。
若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。
4.2.2.2发光二极管的检测
（1）正、负极的判别：
观察两个引脚的长短，通常为长正短负。
较高灵敏度的发光二极管，用电阻档接对正负极是，管内会发微光[10]。
（2）好坏的判断：
用万用表R×10k档，测量发光二极管的正、反向电阻值。
正常时，正向电阻值约为10~20kΩ，反向电阻值为250kΩ~∞（无穷大）。
5.元件焊接与实物调试
5.1元件焊接
严格遵从制作PCB板的元件布局与布线的规则，在电路板上的对应焊点钻孔，然后将对应元件焊接在PCB板上，注意检测元件的正负极，不能接反。
线与线之间的一定要绝缘，切不可以混电。
将准备好的水杯（模拟水塔和水井）、直流电源、实验用12V直流水泵与PCB电路板进行连接组合，然后将探极引线连入水塔和水井（水杯模拟）中的相应位置，最后进行实物调试。
5.2实物调试
5.2.1水塔水位控制调试
用实验室的直流电源调整为12V，然后接在PCB板上的对电源排针上，慢慢加大电流直到可以驱动水泵为止。
在水杯中模拟水塔低水位，使探极A（低水位）位于水位线之下，此时绿色指示灯亮；上电后水泵工作抽水，直到水位上升到探极C（高水位）处，看水泵能否实现自动停止抽水同时红色指示灯亮。
经调试后可以实现以上基本功能，低水位绿灯亮，水泵自动抽水；到达高水位时则红色指示灯亮，水泵停止抽水。
5.2.2水井水位控制调试
为了实现对于水井的检测调试，事先将此杯中的D、E探极向上提出一小段，使得杯子中的水抽出部分后，会使D、E探极高出水位线，从而看水泵是否能停转。
经调试水泵正常工作，水井水位下降，当D、E探极高出水位线后可以实现水泵自动断电，停止抽水，能有效的防止水泵的空转。
6.设计总结
这次的毕业设计让我受益匪浅，我学会以前没有用过的制作PCB板的protel软件，还有数电和电路分析的必备知识，使我所学的理论有了付诸于实践的机会。
虽然在制作实物的过程中遇到了很多的麻烦，也很多次都不能成功实现基本的功能，也曾因为电压和电流没有控制好而烧坏了继电器但是最后功夫不负有心人，终于实现了自动控制水位的功能。
通过我在设计中遇到的困难我了解到在日常学习中要做到以下几点：
其一，我们必须掌握一些必备的常识，比如，二极管和继电器引脚的判定、555定时器的基本原理等。
其二，我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题，不随便改写实验数据。
其三
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