带保护装置的水塔自动进水装置.docx
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带保护装置的水塔自动进水装置
电子课程设计
题目：
水塔自动进水装置
专业：
应用物理学
姓名：
学号：
指导教师：
米启超、杨帆
数理学院
2015年12月25日
成绩等级：
指导教师签字：
2015年12月25日
目录
1、设计的任务和要求………………………………………………………1
2、设计的结构图及工作原理………………………………………………1
3、各单元电路的设计………………………………………………………2
4、设计的整体电路图………………………………………………………8
5、实验及仿真………………………………………………………………8
6、设计总结…………………………………………………………………10
1、设计的任务和要求
通过这次设计熟练对电子设计的动手技能，提高电子设计的能力，同时也培养学生收集、整理、分析和刷选利用资料及各类信息的能力，也使得学生通过这次的设计对所学的数电和模电知识及各种电路、电路元件的功能更好的理解和运用。
设计要求如下：
（1）要使所作装置做到有水满、进水、水量不足指示；
（2）当水位低时要自动进水，满时要及时断电停水；
（3）水位过低时能进行断电保护；
（4）使设计电路做到合理准确方便简洁。
2、设计的结构图及其工作原理
1、设计思路
每部分电路都有其相应功能：
首先有信号产生部分产生整个电路的输入信号，该信号经过信号处理部分处理之后，输出其他电路的控制信号，控制其他电路工作，电机控制电路部分接收到有信号处理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，即使水位保持在一定范围内：
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“产生信号→信号处理→电机控制→电机→水位变化→产生信号”这个循环就能使水塔具有自动控制水位的能力。
图1总体设计流程图
2、现有设计方案的分析
（1）继电器式自动上水控制装置
继电器式自动上水控制装置工作原理是通过接入220V继电器控制电路的3个探测电极来检测水位高低，使继电器闭合或开启，控制水泵电动机的开停，达到控制水位的目的，控制电路较简单，但要注意以下几点:
1）在维修水塔中的水位探测电极时，须断开主回路和控制回路电源开关，以防止N线回路由于零电位漂移而带电，或从控制回路线圈回路串过来使N线带电，造成维修人员的触电危险。
2）在水塔的低水位探测电极C的引线端，必须进行N线的重复接地。
接地电阻要求小于4Ω，使C点水位探测电极保持良好的零电位，以利于继电器的可靠吸合，使自控电路运行稳定。
3）在水泵向水塔供水时，由于水流的冲击，使水塔内的水位波动起伏，容易导致继电器吸合、断开的频繁跳动，影响自控电路的正常稳定运行。
为了解决这个问题，我们可以在水塔中放置一木排浮漂，使水塔的水位上升平衡稳定。
（2）晶体管式自动上水控制装置
晶体管式自动上水控制装置工作原理是水位高低控制串接探测电极的2支晶体三极管的导通、关断，从而控制继电器回路，达到自动（可手动）启停水泵电动机的目的，以控制水位。
设计与使用中应注意以下问题:
1）自制电子式自控装置所选用的电子电器元件必须是正规产品，并应对元器件的主要技术参数逐项检测。
对装配好的整机要进行电老化及热老化的试验，并在电气试验室作额定工作状态的频繁动作100次以上的传动试验，以及绝缘耐压试验等。
2）由于三极管输出信号较小，需通过中间继电器来控制主回路接触器，以延长器件寿命，增加可靠性。
3）水位探测电极，至少要用6mm2的铜芯塑料线，如用30mm×3mm或40mm×4mm铜排则更好。
其端部要用电烙铁加热搪锡，以防止探测电极氧化锈蚀，降低电极的导电性能。
4）定期对整个控制电路检修维护和探测电极的清扫除垢。
5）选用方案555定时器组成的水位自动控制器。
3、各单元电路的设计
3.1、信号产生部分
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，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即当做输入信号，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当做控制信号。
在水塔的不同位置放置几个探头时就可以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当做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，设水塔分水满、不足、两者之间三部分，因此可用探头个数设计为三个点的水位，原理图如下：
图2探头原理图
a、b、c为三个检测探头，其中a探头表示水箱底部水不足的临界点，b表示在水满和水不足之间，c探头表示水满的触点。
COM为公共电极，接+5V电极，为了提高精确度，应使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，这样有利于电信号的传递。
3.2、信号处理部分
该部分主要是对输入信号进行处理，并作为控制信号输出到其他电路中，由于水的导电性十分微弱，由公共端通过探头的电信号会很小，不一定能够成为满足电路工作的控制信号，因此可以接一个反相器对输入信号进行处理。
图3所示即为用反相器对信号处理的原理图
3.3、水位显示部分
由以上电路的设计，可选用74LS147的优先编码器，所谓“优先”编码即多个输入端同时满足编码条件时，只对最高位编码。
先用优先编码器把所输入信号进行编码，编码后由于输出低电平信号有效所以用反相器进行校正，校正后驱动显示器进行工作。
用开关的通断来分别表示水满、不足、中等这三个信号，水满时显示器可显示3，水不足时显示1，处于两者之间显示2。
根据要求该电路设计以编码器为核心的编码电路，设计的电路如下图所示：
图4信号编码电路
a、b、c为信号输入端，A、B、C、D为编码器信号输出端。
元件选择：
编码器74LS147，反相器7407及显示器。
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，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。
由于任务要求：
当水位低时要自动进水，满时要及时断电停水。
也就是说只有J1开关闭合时电机才会运转。
图5电机控制电路
图6电动机工作状态
现在用灯泡来表示电动机，由于当DCBA为0011是灯亮，DCBA为0001是灯灭，故上图开关J1闭合表示B=1，J1打开表示B=0。
当水池中水位最低时即显示器显示1时，上面开关断开，此时A2的2脚为低电平，3脚为高电平，灯不亮。
当水位上升最高点时，开关闭合，A2的2脚仍为高电平，A2的3脚变为低电平，灯亮。
优先编码器的输出信号与灯的状态之间的关系：
输出信号
灯的状态
D
C
B
A
0
0
0
1
灭
0
0
1
0
保持
0
0
1
1
亮
3.5、元器件的选用及其参数
（1）在这里选择的555单稳态触发器，是由555定时器的基础上发展而来的。
先对555定时器做个简单的介绍。
图7555定时器原理图
下表是555定时器的功能表，充分说明了它的特性。
如表2
表2555功能表
输入
输出
阈值输入
触发器
复位
输出
放电管
X
X
0
0
导通
<2/3VCC
<1/3VCC
1
1
截止
>2/3VCC
>1/3VCC
1
0
导通
<2/3VCC
>1/3VCC
1
不变
不变
555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
在这里用到的555单稳态触发器其工作特性是没有触发信号时，电路只有一种稳定状态一直保持低电平不变，有触发信号时，先会进入暂稳态再回到稳定状态。
555时基电路（IC）接成单稳态触发器形式，继电器接在IC输出端3脚与地之间，2脚为触发信号输入端。
平时3脚输出信号V=0，单稳态触发器为稳态。
当有一负触发脉冲Vi作用于2脚时，单稳态触发器翻转为暂稳态，3脚输出信号VO=VCC。
单稳态触发器驱动电路的特点是每触发一次555时基电路便驱动负载工作一个固定的时间，该工作时间等于单稳态触发器的输出脉宽丁（T=1.1RC）。
在这里主要发挥了它的三大特点:
其一，触发电流仅为0.5μA，特别适用于电极式水位触发导通电流越小越好的关键技术特性；其二，输出负载电流大，最大可达200mA，可直接驱动继电器；其三，可利用单稳态电路的延时特性避免由于水流冲击导致水塔内水面波动起伏而影响输出继电器频繁跳动的不良现象，以使自控电路工作更加稳定可靠。
图8555单稳态触发电路图
（2）、其他元器件及其参数
C1-C8
电解电容10uf
Q1-Q8、Q9
三极管90139014
R1-R8、R9、R10-R16
电阻10k2k220欧姆
IC1
编码器74147
IC2
反相器7404
IC3、IC4
四输入与非门7420
IC5
译码器7448
IC6
二输入或门4071
IC7
二输入与门7400
报警器
NE555时基定时器
显示器
显示器
四、设计的整体电路图
图9电气原理图
五、实验及仿真
图10低水位显示
图11中等水位显示
图12高水位显示
图13低水位工作状态
图14中等水位工作状态图15高水位工作状态
6、设计总结
随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，人们的生活发生了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，那么自动控制电路的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。
在现代社会中，水位控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面。
本学期我们就学习了数字电子技术基础这门课程，通过这次课程设计，我不仅加深了对数电理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且还学会了如何去培养自己的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。
这个过程中，我们花费了大量的时间和精力，更重要的是，我们在学会创新的基础上，同时还懂得合作精神的重要性，学会了与他人合作。
作为一名大三学生，我觉得做课程设计是十分必要的。
在度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业理论课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？
如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？
我想做类似课程设计就为我们提供了良好的实践平台。
首先，做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。
为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。
我们所做的一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
其次，在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如模拟电路知识等。
在这次学习的过程中，我发现带着问题去学习效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。
最后，在课程设计时，我们要对所做的课题有一个系统的了解，我们组的课题是“带有保护装置水塔自动进水装置”，这就需要我们对这个电路的内部结构有一个系统性的认识，知道该电路内有哪些电路元件，以及这些元件的工作方式和状态，也要有一个清晰的思路和一个完整的流程。
在设计电路原理图时，不能妄想一次就将整个电路图设计好，反复修改、不断改进是电路图设计的必经之路。
要养成记录电路元件参数和状态的好习惯，以及尽量让电路图美观整洁，一个电路图的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便。
在课程设计过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。
在此过程中学到的知识会让我们受益终身。
通过这次课程设计，我的发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的能力和实践能力都有所提高，这些都会有益于我以后的学习、工作和生活。
参考文献
[1]康华光．电子技术基础模拟部分（第四版）．高等教育出版社，1999年
[2]阎石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社，2005
[3]刘修文.实用电子设计制作300例[M].中国电力出版社，2005
[4]刘浩斌.数字电路与逻辑设计[M].电子工业出版社，2007
[5]卿太全，李箫，郭明琼.常用数字集成电路原理与应用[M].北京：
人民邮电出版社，2006
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