电子课程设计林锦森132412130要点.docx
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电子课程设计林锦森132412130要点
电子课程设计
数理学院应用物理专业
题目：
带保护装置的水塔自动进水装置
姓名：
林锦森
学号：
132412130
指导教师：
米启超、宁蕴绯
时间：
2015年1月05日~2015年1月10日
一、设计目的………………………………………………………3
二、设计要求………………………………………………………3
三、设计方案………………………………………………………4
四、设计组成及原理分析…………………………………………6
五、整体电路图……………………………………………………10
六、元器件的选用及其参数………………………………………11
七、设计总结………………………………………………………13
八、参考文献………………………………………………………15
一、设计目的
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。
2、设计要求
（1）要求设计制作一个带保护装置的水塔自动进水装置。
（2）要求有水满、进水、水量不足指示,当水位底时要自动进水水满时断电停水,水位过低时能进行断电保护信号。
本文设计了一种水位控制电路。
当水位超出规定范围时,系统能够自动调整水位,使其落在规定的范围内；当水位低于规定范围时就控制水泵工作抽水，使水塔内的水位上升，到达规定高度。
从而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围内的目的。
另外本
电路还具有显示水位和超出一定范围报警的功能。
常生活和工业生产中，水位控制装置有着广泛的应用，如水塔、楼房水箱、锅炉等。
水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式电节点式，压力式，电子式，微机式等。
这些装置或多或少的存在着一些缺点，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……本文从实用型和经济型出发，设计了一种水位控制装置，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，并提供
了自动报警自动保护功能。
有很多场合下均可采用。
3、设计方案
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，而水位的变化又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2控制信号使报警电路工作，驱动报警器报警。
由“信号产生→信号处理→电机控制→电机→信号产生”这个循环就能使水塔具有自动控制水位的能力。
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3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。
3、总体设计框图
由任务分析可知该设计电路有两个功能：
水位控制、水位显示。
而要有这些功能就必须要有使其工作的控制信号，所以首先即必须要有输入信号，因为任务要求是自动控制，所以输入信号也必须由电路自己产生而不能人为加入，因此可以将整个电路设计为以下部分：
信号产生、信号处理、电机控制和水位显示电路。
整体电路框架如下图1所示。
图1总体设计框图
4、设计组成及原理分析
4.1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、即使这样也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
a-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，为了提高精确度，将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，有利于电信号的传递。
图2探头原理图
4.2信号处理部分
该部分主要是对输入信号进行处理输出其他电路的控制信号，由于水的导电性十分微弱，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信号处理部分
4.3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5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、中等这几个信号，水满时显示器可显示3，水不足时显示1。
根据要求该电路设计以编码器为核心的编码电路，具有设计的电路如下图4所示：
图4信号编码电路
4.4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。
现用灯泡的亮灭代替电机的运转。
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A开关闭合时电机运转，现在用灯泡来表示即为灯灭；当3个开关都闭合是即显示3灯亮。
该部分电路设计如下图：
图5电机控制电路
由于当DCBA为0011是灯亮，DCBA为0001是灯灭，故上图开关A闭合表示B=1，A打开表示B=0.
其原理为：
A1和A2是两个555时基集成电路，其中，A1及R1、R2、C2组成自激多谐振荡器，A1的3脚每50s输出一个宽度仅为0.1s的低电平脉冲。
A2与R4、C3组成延迟约为70s的单稳态触发器。
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。
表1
D
C
B
A
灯
0
0
0
1
灭
0
0
1
0
保持
0
0
1
1
亮
5、整体电路图
图6整体电路图
6、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。
如图7示是它的内部的结构图。
图7555定时器
下表是555定时器的功能表充分说明了它的特性。
表2555功能表
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。
如图8示为555单稳态触发电路图。
图8555单稳态触发电路图
（2）其他元器件及其参数
表3器件及其参数
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
C1-C8
电解电容10uf
报警器
NE555时基定时器
显示器
显示器
7、设计总结
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关数字电子方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。
同时设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计，我掌握了555单稳态触发器的识别和测试；熟悉了信号产生部分；了解了电机控制电路的方法；以及如何提高信号处理的性能等等，掌握了电路仿真的方法和技术，通过查询资料，也了解了555定时器原理。
我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在实验课上我们学会了很多学习的方法。
以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。
果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
八、参考文献
[1]康华光.电子技术基础（数字部分）[M].华中科技大学电子技术课程组编.高等教育出版社2006年1月第5版.2008年12月第6次印刷.Page203-230
[2]卿太全，李箫，郭明琼.常用数字集成电路原理与应用[M].北京：
人民有点出版社，2006
[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]阎石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社，2005
附录：
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