1、目 錄1. 概括11.1 前景11.2 方案的選取21.2.1 電源21.2.2 控制電路21.2.3 水泵的驅動22. 系統方案設計32.1 方案總構架32.1.1 方案設計流程圖32.1.2 方案設計概述32.2 設計原理42.2.1 電源電路42.2.2 測量及檢測電路62.2.3水位范圍測量電路的功能實現72.2.4 模擬量與數字量的轉換72.2.5邏輯電路對電路狀態顯示的控制82.2.6電動機控制電路82.3可行性分析103. 器件清單及說明103.1 元件清單103.2 元器件113.2.1水壓傳感器113.2.2比較器113.2.3 穩壓管123.2.4 反相器133.2.5 C

2、C4001133.2.6 電磁繼電器143.2.7 變壓器14心得與體會16參考文獻17附錄18簡易水塔水位控制電路簡易水塔水位控制電路摘 要本設計的是一個水塔水位控制電路，電路能夠根據實際情況控制兩個水泵實現對水位的自動控制。水位范圍在S1S2（S1S2）之間，S為實際水位。通過把模擬量水位高度的變化轉化數字量電平高低的改變，我們用到了電壓比較器LM393，和或非門電路CC4001。最終我們成功的實現了水位的自動調節和顯示，我們通過調節電阻值的大小來改變水位的范圍，水位檢測電路是通過三個不同顏色發光二極管的顯示來檢測水位狀態。關鍵詞 水壓傳感器 比較器 CC40011. 概括1.1 前景我國

3、的供水自動化系統發展已初有成效。供水自動化系統主要包括水廠自動化和供水管網調度自動化兩個方面。由水工業的社會性所決定，水工業的學科體系由多個相互關聯的學科組成。包括水質與水處理枝術、水工業工程技術、水處理基礎科學、水社會科學、水工業設備制造枝術等。它們共同支撐著水工業的工業體系。而在這些學科中水質與水處理技木和水工業工程技術是水工業學科體系中的主導學科。近幾十年來，自動控制技術迅猛發展，在工農業生產、交通運輸、國防建設和航空、航天事業等領域中獲得廣泛的應用。隨著生產和科學技術的發展。自動控制技術至今己滲透到各種科學領域，成為促進當今生產發展和科學技術進步的重要因素。比如在生活方面的溫度調節、濕

4、度調節、自動洗衣機、自動售貨機、自動電梯、空氣調節器、電冰箱、自動路燈、自動門、保安系統等。在工業方面主要分為兩大類。一類是氣體、水位、粉體、石油化工制藥、輕工食品、建材等行業。需要對溫度、壓力、物位、流量、成分等參數進行控制。另一類是對己成型材料的進一步加工或者對多種己成型材料的裝配，主要控制位移、速度、角度等參數這些都需要應用自動控制學科的知識。 水塔水位控制系統是我國住宅小區廣泛應用的供水系統，水塔供水的主要問題是塔內水位應該始終保持在一定范圍內，避免“空塔”、“溢塔”現象發生。傳統的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺點。而自動控制原理依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，保持水壓恒定

5、以滿足用水要求，從而提高了供水系統的質最。而智能控制系統的成本低、安裝方便、靈敏性、是節約水源、方便家庭和單位控制水塔水位的理想裝置。 1.2 方案的選取1.2.1 電源我們知道控制電路以低功耗，結構簡單為最安全，這即方便我們的設計也使的在維修和安裝的過程中更加安全和可靠，因此此次設計中我采用220V整流電路，把生活中的220V交流電整流為12v安全電源。1.2.2 控制電路任務書中對設計有如下要求1. 要求電路能夠通過控制兩個水泵實現對水位的控制。假定水位范圍是S1S2（S1S2），S為實際水位。當SS1時，兩個水泵都放水；當S1SS2時，僅一個水泵放水；當SS2時，兩個水泵都關閉。2. 要

6、求電路在S1、S2處不能出現跳閘現象，即水泵不能在短時間內反復在放水和關閉的狀態之間轉換。3. 要求電路能夠顯示出水泵的狀態。4. 要求電路能夠手動調節水位控制的范圍。從要求中可以看出我們需要把水位的變化轉化為我們能測得的電壓，電流或者電阻的變化，通過他們的比例關系，確定水位的變化量，在此我選擇電壓的變化量來實現水位的改變。由于電阻有分壓的作用因此我選擇改變滑動變阻器的阻值來改變電壓值從而改變水位的測試范圍。在這我們需要把電壓的模擬量轉化為數字量，電壓比較器LM393可以達到所需要的效果。顯示部分我選用LED燈的亮和暗來顯示現在的工作狀態，通過一定的邏輯關系我們可以達到這個效果，所以邏輯電路是

7、必不可少的。1.2.3 水泵的驅動水泵的工作電壓為220V交流電，因此我們在設計中要考慮安全用電的問題，我們選擇了通過NPN三級管來驅動電路，繼電器起到安全開關的作用。NPN三級管可以對電流進行有效的放大使得電路足以驅動水泵正常工作，繼電器通過較低電壓控制水泵的開關，使的使用起來更加安全。2. 系統方案設計2.1 方案總構架2.1.1 方案設計流程圖水泵開關電路顯示電路水位范圍測量電路水位監測電路電源電路邏輯電路2.1.2 方案設計概述每部分電路都有其相應功能：首先有水位檢測電路產生整個電路的輸入信號，該信號傳至水位范圍測量電路，輸出其他電路的控制信號，控制其他電路工作（控制水位顯示的二極管和

8、水泵的開關）。電機控制電路部分接收到有信號處理電路輸出的有效控制信號后正常工作驅動電機轉動抽水，使水位上升，而水位的變化有直接關系到信號的產生，因此有個循環的過程，即使水位保持在一定范圍內：水位顯示電路接收到有效信號后驅動顯示器工作，使其顯示該時刻的水位；由“信號產生信號處理電機控制電機信號產生”這個循環就能使水塔具有自動控制水位的能力。方案設計流程圖，它由電源電路，水位監測電路，水位范圍測量電路，邏輯開關電路，水泵開關電路，顯示電路，各部分有著不同的功能。水位監測電路：壓敏電阻阻值的變化影響電壓的分配，可以得出水位的變化，從而實現對水位的監測。水位范圍監測電路：利用比較器原理實現水位范圍的確

9、定，同時利用遲滯比較器的遲滯性來避免跳閘現象。邏輯電路：由比較器的輸出高低電平來實現對LED燈和水泵的控制。水泵開關電路：實現水泵安全開合。顯示電路：對此時的水泵工作狀態進行顯示。電源電路;為上述說有電路提供電源。2.2 設計原理2.2.1 電源電路電源電路的原理圖如圖1所示。電路直接從電網供電，通過變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路將電網中的220V交流電轉換成+12V的直流電壓。電路中變壓器采用常規的鐵心變壓器，電源變壓器將交流電網電壓220V變為合適的交流電壓13V。整流電路采用二極管橋式整流電路，整流電路將交流電壓13V變為脈動的直流電壓13V。C1、C2、C3和C4完成濾波功能，D

10、7起到保護電路的作用，穩壓電路采用三端穩壓集成電路來實現。穩壓電路清除電網波動及負載變化的影響,保持輸出電壓12V的穩定。圖1電源電路直流穩壓電源包括變壓器，整流，濾波，穩壓電路組成。其框圖如下：（1） 整流電路：交流電壓轉變成單向脈動直流電a、半波整流U0=U2=0.45*U2b、橋式整流然而單相橋式整流電路與半波整流電路相比，在相同的變壓器副邊電壓下，對二極管的參數要求式一樣的，并且還具有輸出電壓高、變壓器利用率高、脈動小等優點，因此在次設計中我選用單相橋式整流電路。 在調整管部分，既可以采用單管調整也可以采用復合管調整，但在此設計中要求額定電流lm200mA，因此在此設計中我選用單管做調

11、整管。（2）濾波電路：經整流后的電壓仍具有較大的交流分量，必須通過濾波電路將交流分量濾掉。盡量保留其輸出中的直流分量，才能獲得比較平滑的直流分量?？梢岳秒娙輧啥穗妷翰荒芡蛔兓蛄鹘涬姼械碾娏鞑荒芡蛔兊奶攸c，將電容與負載并聯，或將電感與負載串聯就能起來濾波作用。（3）穩壓電路： 由于濾波后的直流電壓受電網電壓的波動和負載電流變化的影響（T的影響）很難保證輸出電流電壓的穩定。所以必須在濾波電路和負載一直加上穩壓電路，才能保證輸出直流電壓的進一步穩定。2.2.2 測量及檢測電路如圖2所示，水位監測電路由可變電阻R1R2和兩個電阻型水壓傳感器構成。電阻型水壓傳感器是最簡單也最典型的一種水壓傳感器，它的

12、工作原理是通過阻抗的變化來表示水壓的變化，同時將水壓信號轉化為電信號Vs，即Vs代表了實際水位S。本電路采用的電阻型水壓傳感器型號為PT500-501，是水壓傳感器，即傳感器的阻抗隨水壓的增加而增加。可變電阻R1和R2的作用是通過調節可變電阻的阻值，就可以調節VA和VB的范圍，也就可以調節水位控制范圍。 水位范圍測量電路由兩部分構成：第一部分是由電阻R11和穩壓管D10構成的參考電壓產生電路；第二部分是由遲滯比較器構成的水位范圍測量電路。參考電源產生電路的功能是產生一個穩定的電壓，由于參考電源產生電路輸出端介入比較器的輸入，為了防止出現輸出電流導致參考電源不穩定的情況，電路采用電阻和穩壓管相結

13、合的方式構成。其中穩壓管D10的穩定電壓均為+6v，輸出VREF=+6V。圖2控制電路2.2.3水位范圍測量電路的功能實現水位范圍測量電路是確定實際水位和水位控制范圍的大小關系,通過計算我們可以初步確定水位改變對電壓VA，VB的影響。RA為水壓傳感器A的阻值，RB為水壓傳感器B的阻值，R1，R2,為滑動變阻器，K為壓力的改變對電阻影響的系數,P為傳感器所受的壓強，p為水的密度，g為重力加速度，h為水位高度。VA = R1x12/(R1+R2) (1.1)當電壓值剛好到達閥值電壓6V時由公式（1.1）則 1/(1+(RA/R1) = 0.5 (1.2) 即 RA = R1 (1.3)由水位與電壓

14、的關系： P = pgh (1.4) R1 = K*F (1.5) R1 = K*P/S (1.6) 則可推出R1 = Kpgh/S (1.7)由式(1.7)即電阻值RA與水位高度近似成正比例關系，則調節R1的值即可改變水位的范圍，R2與R1原理相同由S1<S2則可知道只有保持R2>R1，即可從大致的滑動變阻器阻值大小判斷水位范圍為的大小。2.2.4 模擬量與數字量的轉換首先，VREF輸入到兩個運算放大器的同相輸入端，而VA和VB則同時分別輸入到這兩個運算放大器的正相輸入端。這樣，當VA<VREF時，OUTA輸出是低電平；當VA>VREF時，OUTA輸出為高電平；當VB

15、<VREF時，OUTB輸出為低電平；當VB>VREF時，OUTB輸出為高電平。由于VA、VB、VREF分別代表S1、S2和S，實際水位和水位控制范圍的大小關系就確定了?？芍斔皇堑退唬此辉诜秶聲r(s<s1)，A，B(兩個比較器)都輸出低電平（0 0），當水位在范圍之內時(s1<s<s2)，B輸出高電平（0），A輸出低電平（1）即AB(1 0)。當水位在范圍之上（s>s2）,都輸出高電平（1 1）。如圖3.由題意可知，電動機控制信號與輸入信號相反，因此可加入兩個反相器矯正之即可。水位低A高BS<S100S1<S<S210S2<

16、;S11圖32.2.5邏輯電路對電路狀態顯示的控制如圖4用三個發光二極管表示水位的狀態。由電路輸出可列出二極管驅動真值表A為水位低端，B為水位高端，A為控制電機的邏輯值，為1則電機轉動；B為控制電機的邏輯值，為1則電機轉動；LED燈邏輯值為1則點亮。此電路選用CC4001，其中由四個兩輸入或非門組成，完全能實現所需要功能。注： 水位低A高B紅Q3黃Q2紅Q1S<S100001S1<S<S210010S2<S11100圖42.2.6電動機控制電路水泵開關電路如圖5所示。 AB圖5水泵開關電路水泵開關電路是由三極管電路和繼電器電路構成的。電路的輸入即為圖6電路中的輸出，即當

17、VA< VREF且VB< VREF時，A和B輸出都為高電平,電機1,2工作；當VA< VREF而VREF<VB時，A輸出為低電平，B而輸出為高電平，電機1停止，2工作；當VA> VREF且VB> VREF時，A和B輸出都為低電平，電機1,2停止。如圖6所示注：水位低A高B1電機/A2電機/BS<S100開/1開/1S1<S<S210關/0關/1S2<S11關/0關/0圖6 由于水泵中通過的都是大電流，產生大功率，而直流電源無法提供大電流和大功率，因此水泵需要交流供電，這樣一來，電路中的開關必須采用繼電器電路。而一般運算放大器的輸出電流

18、無法驅動繼電器，因此需要加入電流放大電路。由三極管電路構成的電流放大電路是一種比較典型的和簡單的電路。其中R3和R4為限流電阻，防止輸入電流過大燒毀三極管。三極管接為共集電極電路，當輸入電壓為高電平時，三機管導通飽和，可以將輸入電流放大倍；當輸入電壓為低電平時，三極管截止，無電流通過。繼電器連接三極管的發射極，當有電流驅動時，開關吸合，對應的水泵通電；當無電流啟動時，開關斷開，對應的水泵不通電，同時在繼電器兩端并聯入二極管進行保護。顯示電路由發光二極管構成。通過發光二極管亮滅來表示水泵是否通電，同時由于繼電器的驅動電流過大，需要加入限流電阻。2.3可行性分析此方案采用純硬件電路設計，避免了軟件

19、程序設計中的不穩定因素，提高了實際運用中的可靠性。同時，對于不同類型的液體，此系統均有良好的兼容性。當水塔中液體改變時，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調節到一個數量級上就可以很方便的實現此液體的水位控制操作。試驗證明，此水塔水位控制器不僅實現了對水塔水位的精確控制，而且，此系統更具有工業生產的實際性。3. 器件清單及說明3.1 元件清單CommentCurrentDateDesignatorQuantity極性電容2013-1-3C1, C42電容2013-1-3C2, C 32LED 2013-1-3D1D2,D3D8,D93穩壓管2013-1-3D41二極管2013-1-3D5，D6

20、，D71橋式電路2013-1-3D101繼電器2013-1-3K1, K22LM78122013-1-3LM11水泵2013-1-3M1, M2, 2NPN2013-1-3Q1, Q22固定電阻2013-1-3R1, R2, R3, R5, R7, R8, R9, R10, R119可變電阻2013-1-3R4, R62變壓器2013-1-3T11反相器2013-1-3U1, U42CC40012013-1-3U21LM3932013-1-3U313.2 元器件3.2.1水壓傳感器本電路采用的電阻型水壓傳感器型號為PT500-501，是水壓傳感器，即傳感器的阻抗隨水壓的增加而增加。如圖：圖5P

21、T500-501傳感器產品基本特性： PT500-500系列壓力變送器采用高精度高穩定性電阻應變計/擴散硅晶體/陶瓷晶體等做為變送器的感壓芯片，選進的貼片工藝，配套帶有零點、滿量程補償，溫度補償的高精度和高穩定性放大集成電路，將被測量介質的壓力轉換成420mA、05VDC、010VDC、0.54.5VDC等標準電信號。產品結構采用全封焊結構，使之產品的抗沖擊能力、過載能力、產品密封性等性能有了較大提高，產品最高壓力可達150MPa。產品過程連接部分和電氣連接部分有多種方式，能夠最大限度的滿足用戶的需求。3.2.2比較器集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻的多級直接耦合放大

22、電路，它的種類很多，電路也不一樣，但結構具有共同之處，如下圖7表示集成運放的內部電路組成的原理框圖。在監測電路中，使用了一個二運放集成電路LM393，將它作為一個電壓比較器，輸出高電平和低電平的電信號。輸出級電壓放大級差分輸入級偏置電流圖7集成運放的內部電路組成的原理框圖 集成運放的輸入級一般是由BIT、JFET或MOSFET組成的差分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能。它的兩個輸入端構成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成。輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負

23、載能力。偏置電路是為個級提供合適的工作電流。其代表符號和輸入輸出傳輸特性如8圖所示。 圖8比較器LM3933.2.3 穩壓管穩壓器二極管也叫齊納二極管，穩壓原理：給穩壓二極管施加反向電壓并使其值增大，當反向電壓之值達到穩壓二極管的穩定電壓時，其正常雪崩擊穿，若在此情況下，一定范圍內改變電源電壓的波動或改變負載電流的大小，齊納電流IZ和動態電阻隨之而改變，然而，齊納電壓UZ卻穩定不變。穩壓二極管串聯一個電阻來提供一個穩定的參考電壓VREF，其中穩壓二極管選用1N4735，其穩定電壓為6.2V，限流電阻R13選用1K。穩壓二極管1N4735的重要參數：最大工作電流IZM穩定電壓UZ動態電阻RZ3.

24、2.4 反相器圖9所示即為用反相器對信號處理的原理圖。圖9由于本設計簡單，本設計中只起到非門作用。3.2.5 CC4001CC4001是2輸入正向或非門CC4001或非門。為系統設計者提供了直接的或非功能，補充了已有COS/MOS門系列，所有輸人和輸出經過緩沖，改善了輸人/輸出傳輸特性，使得由于負載容量的增加而引起的傳輸時間的變化維待到最小。CC4001提供了14引線多層陶瓷雙列直插（D）熔封陶瓷雙列直插（J）塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C） 4種封裝形式。CC4001的引腳圖是常用的2輸入四或非門集成電路CC4001 邏輯表達式:3.2.6 電磁繼電器繼電器是一種電子控制器件，它具有控

25、制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。 圖113.2.

26、7 變壓器變壓器是電子電路，用來升壓降壓的電力變壓器，變壓器的原理是電磁感應技術,變壓器有兩個分別獨立的共用一個鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級線圈和初級線圈。電流的方向和大小隨時間變化的,變壓器初級通上交流電時,變壓器的鐵芯中產生了交變的磁場（其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈），在次級就感應出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級線圈的匝數比等于電壓比。變壓器只能改變交流電壓,不能改變直流電壓,因為直流電流是不會變化的,電流通過變壓器不會產生交變的磁場，所以次級線圈只能在直接接通的一瞬間產生一個瞬間電流和電壓。變壓器的主要參數：電壓比 n=U1/U2=N1/N2效 率 =P2/P

27、1*100%額定功率 P 橋式整流電路由四個二極管組成，如圖5所示。圖12工作原理：U2正半周時:D1、D3導通，D2、D4截止U2負半周時：D2、D4導通， D1、D3截止主要參數：輸出電壓平均值：UL=0.9U2輸出電流平均值:IL=UL/RL =0.9U2/ RL流過二極管的平均電流：ID=IL/2二極管承受的最大反向電壓：25V1000V心得與體會很高興能夠順利完成本次設計，通過這次課程設計我學到了很多。很感謝學校和老師給予我們這次動手自我學習的機會，多謝老師在平時的數電教課中的教導，數電老師的教導使我學會了很多有用的東西，這也是這次我能夠順利完成課程設計的關鍵。在課程設計的初期，我對本本課程設計進行了深入的分析，初步確定和畫出了這個課程設計需要用到的邏輯關系，通過翻閱老師提供的資料和自己在課本中以及網上下載的資料使得自己對本設計有了更深一步的了解，也明確了設計的方向和思路。很感謝本組的同學