水塔水位控制器.docx
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水塔水位控制器
电子课程设计
—水塔水位控制器
学院：
电子信息工程学院
专业班级：
姓名：
学号：
指导老师：
2014年12月
目录
一、课程设计题目及要求-----------------------------1
二、总体框图---------------------------------------1
三、选择器件---------------------------------------2
四、功能模块---------------------------------------6
五、总体设计电路图--------------------------------11
六、硬件实验--------------------------------------12
七、心得体会--------------------------------------12
水塔水位显示、缺水报警控制及自动补水电路
一、任务设计与要求
当水塔水位的高度为任意值时，可通过显示电路显示。
当水塔水位低于规定值时，报警电路输出报警信号，同时自动补水装置启动水泵给水塔补水。
当水塔中水位达到规定值时，报警结束，补水装置自动停止补水。
要求完成的任务如下：
1.画出整体电路图。
2.利用设计软件对电路进行仿真，使电路具有所规定的逻辑功能。
3.调试所设计的电路，使之达到技术指标要求。
4.分析实验结果，写出设计说明书。
二、总体框图
总体框图如图2-1所示。
水塔水位
显示电路
控制电路
水塔水泵
报警装置
图2-1总体设计框图
设计思路及每一块的功能：
1、显示电路利用水位的来触发线路的联通与否，采用74LS147的八-三编码器，显示水位用DCD_HEX来显示，管脚1，2，3，4分别接74LS147的Ｑ0、Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3。
2、控制电路要使用555定时器组成的施密特触发器，利用输入端高低电平的，输出不同的电压。
3、利用继电器控制水泵的开关，灯泡的亮暗来表示水塔发出警报。
三、选择器件
器件选择如表3-1所示。
表3-1选择的器件
型号
名称
数量
LM555CM
555定时器
1
74LS147N
八线-三线编码器
1
74LS04D
非门
4
2N1711
三极管
1
75Ω25Ω5.1kΩ100Ω
电阻
1
0.01uf
电容
1
继电器
1
1、LM555CM结构图
国产双极型定时器LM555电路结构图如图3-2所示。
图3-2LM555CM结构图
它是由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。
VH是比较器C1的输入端，v12是比较器C2的输入端。
C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个五千欧电阻分压给出。
在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。
如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO,VR2=1/2VCO。
RD是置零输入端。
只要在RD端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。
正常工作时必须使RD处于高电平。
555定时器的逻辑符号如图3-2所示，图中的数码1—8为器件引脚的编号。
图3-2555定时器的逻辑符号
555定时器的逻辑功能：
当VI1＞VR1、VI2＞VR2时，比较器C1的输出Vc1＝0、比较器C2的输出Vc2＝1，SR锁存器被置0，TD导通，同时Vo为低电平。
当VI1＜VR1、VI2＞VR2时，Vc1＝1、Vc2＝1，锁存器的状态保存不变，因而TD和输出的状态也维持不变。
当VI1＜VR1、VI2＜VR2时，Vc1＝1、Vc2＝0，故锁存器被置1，Vo为高电平，同时TD截止。
当VI1＞VR1、VI2＜VR2时，Vc1＝0、Vc2＝0，锁存器处于Q＝Q`＝1的状态，Vo处于高电平，同时TD截止。
555定时器逻辑功能如表3-3所示。
表3-3555定时器逻辑功能
输入
输出
RD′
VI1
VI2
Vo
TD状态
0
×
×
低
导通
1
低
导通
1
不变
不变
1
高
截止
1
高
截止
2、74LS147逻辑功能如表3-4所示。
表3-474LS147的逻辑功能表
优先编码器是当多个输入端同时有信号时,电路只对其中优先级别最高的输入信号进行编码。
常用的集成优先编码器IC有10线-4线、8线-3线两种。
10线-4线优先编码器常见的型号为54/74147、54/74LS147，8线-3线优先编码器常见的型号为54/74148、54/74LS148。
TTL中规模集成电路74LS147介绍BCD码优先编码器的功能。
10线-4线8421BCD码优先编码器74LS147的真值表见表3.5。
74LS147的引脚图如图所示，其中第9脚NC为空。
74LS147优先编码器有9个输入端和4个输出端。
某个输入端为0，代表输入某一个十进制数。
当9个输入端全为1时，代表输入的是十进制数0。
4个输出端反映输入十进制数的BCD码编码输出。
74LS147优先编码器的输入端和输出端都是低电平有效，即当某一个输入端低电平0时，4个输出端就以低电平0的输出其对应的BCD编码。
当9个输入全为1时，4个输出也全为1，代表输入十进制数0的BCD编码输出。
3、74LS04D
多发射极三极管的基区和集电区是共用的，而在P的基区上制作了两个（或多个）高掺杂的N型区，形成了两个互相独立的发射极。
我们可以把多发射极三极管看作两个发射极独立而基极和集电极分别并联在一起的三极管多发射极三极管可实现与运算。
74LS04D逻辑功能如表3-5所示。
表3-574LS04D逻辑功能
输入
输出
A
Y
L
H
H
L
Y=A`
74LS04的逻辑功能描述如下：
假设A为输入端，Y为输出端。
当输入端A=0时，输出端Y为高电平，即Y=1；
当输入端A=1时，输出端Y为高电平，即Y=0；
74LS04逻辑图如图3-6所示。
图3-674LS04逻辑图
非门的逻辑符号如图3-7所示。
图3-7非门的逻辑符号
4、LED数码显示器如图3-8所示。
图3-8LED数码显示器
本实验采用的为DCD_HEX，管脚1234分别接输出端的Ｑ0、Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3，图形显示如图所示。
四、功能模块
1、555定时器
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为2VCC/3，A2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则A1的输出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
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。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的引脚排列图如图4-1所示。
图4-1555定时器
2、三极管和继电器
电磁继电器如图4-2所示。
图4-2电磁继电器、三极管图示
电磁继电器的构造：
A是电磁铁，B是衔铁，C是弹簧，D是动触点，E是静触点。
电磁继电器工作电路可分为低压控制电路和高压工作电路组成。
控制电路是由电磁铁A、衔铁B、低压电源E1和开关组成；工作电路是由小灯泡L、电源E2和相当于开关的静触点、动触点组成。
连接好工作电路，在常态时，D、E间未连通，工作电路断开。
用手指将动触点压下，则D、E间因动触点与静触点接触而将工作电路接通，小灯泡L发光。
闭合开关S，衔铁被电磁铁吸下来，动触点同时与两个静触点接触，使D、E间连通。
这时弹簧被拉长，观察到工作电路被接通，小灯泡L发光。
断开开关S，电磁铁失去磁性，对衔铁无吸引力。
衔铁在弹簧的拉力作用下回到原来的位置，动触点与静触点分开，工作电路被切断，小灯泡L不发光。
电磁继电器的构造如图4-3所示。
图4-3 电磁继电器的构造
工作原理：
电磁铁通电时，把衔铁吸下来使D和E接触，工作电路闭合。
电磁铁断电时失去磁性，弹簧把衔铁拉起来，切断工作电路。
结论：
电磁继电器就是利用电磁铁控制工作电路通断的开关。
我们所用的三极管是功率三极管其主要功能是用一个小电流经过三极管的放大作用变成一个大的电流。
工作原理：
当三级管得导通电压大于死区电压的时候，集电极正偏，三极管开始工作。
3、水位显示电路
水位显示电路如图4-4所示。
图4-4水位显示电路
水塔水位显示如图4-5，4-6所示。
图4-5水塔水位显示9位置的电路
当水塔水位较低，低于规定值时显示器会显示数字9，水塔水位发出警报并且水泵开始加水。
图4-6水塔水位显示0位置的电路
当水塔水位较高，达到规定值的时候显示器会显示数字0，会停止警报并且水泵停止加水。
5、总体设计电路图
总体设计电路如图5-1所示。
图5-1总体设计电路
本次设计的总体电路工作原理大体描述如下：
1、首先当水塔水位满时，就好象所有的开关闭合，此时LED数码管显示数为0，555定时器输入高电平，输出低电平，导致三极管的集电极电压小于导通电压，继电器断开，灯泡熄灭，类似于水塔没有发出警报。
2、当水塔水位低于最低值即相当于开关全部断开,LED数码管显示9，555定时器输入低电压，输出高电压，导致三极管的集电极电压大于导通电压，继电器通电，触电闭合，灯泡发光，相当于水塔发出警报。
3、当水塔水位从高到低是，相当于开关依次闭合LED数码管显示水位从0到9，表示水塔水位的高度。
六、硬件实验
硬件实验如图5-2所示。
图5-2硬件实验图
硬件实验结果与仿真结果一致。
硬件仿真中将电磁继电器去掉，直接接通电源。
当所有开关断开时，LED数码管显示9，灯亮；当依次将开关依次闭合，LED数码管从9依次递减至2，灯保持亮度；将最后一个开关闭合时，LED数码管显示0，灯灭；再将灯依次断开，数码管从0递增，灯保持熄灭；将最后一个开关断开后，数码管显示9，灯变亮，依次循环。
从而实现水塔水位的控制。
七、心得体会
通过这次课程设计,我对74LS147N和555定时器等元件的逻辑功能有了更加深入的了解和认识,对Multisim10软件应用的更加熟练。
在课程设计中,遇到了一些问题,例如选择控制水塔水位相当于高低电压的不同，如何解决这问题呢。
在解决这个问题时，我想到了用555定时器对信号进行分析和利用，既能得到合适的脉冲，又使误差得以减小，达到了很好的效果，为后面的设计打下了坚实的基础。
在选择计数器时，我选用了常用的74LS147N编码器，可以利用输入低电平有效来时显示水塔水位的高度。
这次课程设计让我受益匪浅，我把从课本中学到的理论知识运用到了实践中去。
既巩固和加深了都会理论及概念的理解，也锻炼了实际应用的能力，培养了理论联系实际的学习习惯，严谨求实的学习态度。
这些收获对我要以后的学习和工作有着举足轻重的作用，在它们的引导下，我将得到更多更加宝贵的知识和实践能力。
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