1、陜西國防工業職業技術學院電子工程系 畢 業 設 計 任 務 書專業: 應用電子技術 班級: 電子3112 學生簽名: 一、 設計題目 水位控制器的制作二、 設計內容要求具體設計要求如下：（1） 根據常識自擬詳細設計要求，給出設計方案與詳細論證；（2）畫出系統原理圖（用學過的軟件繪圖），及各單元模塊的電路圖；（3）自行采購元器件，對電路進行搭接調試與成品制作，要求自行設計外觀，力求美觀實用；（4）撰寫設計論文（打印），要求格式、排版規范，頁數不低于20頁，字數不少于1萬字，參考文獻不低于10篇；（5）所需文獻自行查找，在第一周制定設計計劃，并按計劃按時完成任務。三、 設計應完成的技術資料（1）整

2、體方案的論證材料（2）各主要單元電路的詳細設計資料（3）電路整體原理圖，工作情況分析。（4）對所做的產品作成本估算。四、 設計考核的主要知識與技能（1） 訓練考核學生的查閱相關資料的能力，網上查詢和圖書管查詢。（2） 對學生的所學知識綜合應用能力作以訓練考核。主要包括電子電路相關知識。（3） 訓練考察學生的實際動手能力和市場調研能力。五、 設計時間: 2013 年 11月 日 至 2014年 月 日六、 指導教師: 聯系電話： 畢業設計進度表和平時考核周次任務階段名稱及主要內容檢查日期檢查結果學生簽名: 班級: 電子3112平時成績: 指導教師簽名: 指導教師評語和評分意見學生姓名: 評語:

3、評分: 指導教師簽名: 年 月 日畢業答辯考核和畢業設計成績學生姓名: 1.答辯評語: 評分: 2.畢業設計成績:根據學生平時表現、指導教師評語意見，經答辯小組考核，綜合評定該生畢業設計成績為 。答辯小組: 組長簽名 組員簽名 年 月 日畢業論文（設計）誠信聲明本人聲明：所呈交的畢業論文（設計）是在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻、數據、圖表、資料均已作明確標注，論文中的結論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得青島農業大學或其他教育機構的學位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。論文（

4、設計）作者簽名： 日期： 2013 年 3月 10 日 畢業論文（設計）版權使用授權書本畢業論文（設計）作者同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文（設計）的復印件和電子版，允許論文（設計）被查閱和借閱。本人授權青島農業大學可以將本畢業論文（設計）全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本畢業論文（設計）。本人離校后發表或使用該畢業論文（設計）或與該論文（設計）直接相關的學術論文或成果時，單位署名為青島農業大學。論文（設計）作者簽名： 日期： 2013 年 3 月 10 日指 導 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日前言在日常生活中和工業生產中，水位

5、控制裝置有著廣泛的應用，如水塔，樓房水箱等。水位控制裝置的形式有很多種，浮子開關式、行程開關式、電節點式、壓力式、電子式、微機式等。這些裝置或多或少地存在著一些缺點：浮子開關式采用機械結構，維護起來不方便；微機式控制裝置，雖然操作方便，但造價較貴。本設計從實用性和經濟性出發，設計了一種水位自動控制裝置，該裝置結構簡單、維護方便、工作可靠、性能價格比優良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺點，在多種場合下均可采用。具體說本設計不用PLC，也不用單片機，用集成電路(555時基電路)的硬件控制電路便能全部達到要求，而且還可具有控制靈敏、穩定可靠、電路簡單、操作簡便、維護方便、性價比高的特點，成品

6、可以直接用于安裝在家庭、工廠、學校等水塔水位的自動上水和關斷。1.備選方案1.1 方案一采用555時基集成電路組成的水位控制系統的電路。電路中555時基集成電路器IC 1構成施密特觸發器完成整個水位控制功能。1.1.1 設計電路圖（圖1-1）圖1-1 單片555構成的簡易水位控制電路1.1.2 設計方框圖 （圖1-2）圖1-2 方案一設計方框圖1.1.3 工作原理圖中A, B、C是三個電極檢測點。當水位高于水位線A時，水泵停機，停止給水池加水；水位低于水位線B時，水泵工作，給水池加水。C電極是最低水位檢測點，它連接于電源VDD,當水位低于水位線B時，C與B點不導通，導致IC 1的2, 6腳電位

7、為零，555時基集成電路3腳輸出高電平，VT1導通，繼電器吸合，水泵給水池加水。當水位到達B點時，由于C，B兩點在水的作用下被短路，使IC1的2、6腳電位大于1/3 VDD，此時IC1輸出端3腳維持高電平不變，水泵繼續給水池加水。 當水位到達A點時，C， B， A三點被短路，使IC1的2, 6腳電位等于4/5 VDD，大于2/3 VDD，ICI的3腳輸出低電平，VT1截止，繼電器斷開，水泵停止給水池加水。 同理，當水位下降，但還高于B點，此時IC1的2, 6腳電位等于1/2 VDD,大于1/3 VDD，水泵仍然停止工作，只有水位低于B點時，此時IC1的2, 6腳電位為低電平, VT1導通，繼電

8、器吸合，水泵開始向水池加水。如此循環往復使水池中的水位保持在B、A之間。1.2 方案二1.2.1 設計方框圖 （圖1-3）圖1-3 方案二設計方框圖1.2.2 設計電路圖（見圖1-4）圖1-4 兩片555構成的水位控制電路圖1.2.3 工作原理 本方案由降壓整流電路、555觸發電路(IC1、IC2)、繼電器控制電路等組成。其中降壓整流電路為整個控制電路提供12V直流電壓，觸發電路IC1對應水塔低水位泵水控制電路，觸發電路IC2對應水井高水位泵水控制電路，通過這些單元的組合實現水塔水位的控制與檢測。2.方案選擇及原理說明2.1 方案選擇 綜合考慮方案的可實現性、控制精度、強弱電的分離控制，本次設

9、計選擇了方案二。方案二能夠實現基本控制之外，IC2對于水井高水位的控制，可以有效防止水泵的空轉，加強了安全性與可靠性。2.2 工作原理 2.2.1 水塔水位控制電路工作原理當水塔內的水位探極A高于塔內的水位線時，IC1(555)腳為“地”電位，使IC1發生置位，腳輸出的高電平使繼電器J1吸合，觸點K1閉合，抽水電機因得電而運轉，進行抽水；當水位上升至探極C時，相應IC1復位，輸出的低電平使J1釋放，觸點K1斷開，抽水機斷電停轉，從而對水塔水位實現自動控制。2.2.2 水井水位控制電路工作原理置于水井中的探極D、E，正常情況下應在水面以下一定深度處，使IC2(555)因腳為高電平而復位，腳輸出的

10、低電平使J2吸合，觸點K2閉合。當因連續抽水而使D、E探極高于水面時，IC2因腳為低電平而發生置位，腳輸出的高電平使J2釋放，觸點K2斷開，電機斷電停轉，從而避免電機空轉，同時對水井水位進行檢測。2.3 主要元件說明及工作原理2.3.1 555定時器555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，輸出驅動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容，圖五是555內部框圖及引腳排列1。GND是接地端（1腳） TL是觸發端（2腳） OUT是

11、輸出端（3腳） 是復位端（4腳） VC是控制電壓端（5腳） TH是閾值端（6腳） Ct是放電端(7腳) VCC是電源端（8腳）圖2-1 555定時器內部框圖及引腳排列電路工作原理：555定時器內部電路方框圖如上圖所示。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發器，一個放電開關管T，比較器的參考電壓由三只 5K的電阻器構成的分壓器提供。A1與A2的輸出端控制RS觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號自6腳，即高電平觸發輸入并超過參考電平2/3 VCC時，觸發器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于1/3 VCC時，觸發器置位，555的3腳輸出高電平，同時放

12、電開關管截止。是復位端（4腳），當0，555輸出低電平。平時 端開路或接VCC 。VC是控制電壓端（5腳），平時輸出2/3 VCC作為比較器A1 的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01f的電容器到地端，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩定2。T為放電管，當T導通時，將給接于腳7的電容器提供低阻放電通路。555定時器主要是與電阻、電容構成充放電電路，并由兩個比較器來檢測電容器上的電壓，以確定輸出電平的高低和放電開關管的通斷3。2.3.2 電磁繼電器繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，在我們設計當

13、中主要式自動控制作用，本設計采用+12V的直流電來控制220V的交流電，以達到控制水泵的目的，因為這里是用弱電來控制強電，所以安裝和使用的過程當中我們一定要注意用電安全。電磁繼電器內部電路圖（見圖2-2）圖2-2 電磁繼電器內部電路圖電磁繼電器的工作原理：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

14、。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的4。3.主要單元組成及功能3.1 信號產生單元信號產生單元主要由IC1和IC2兩片NE555芯片的引腳引出的探極和水塔與水井（水杯模擬）組成。該單元的目的是產生有效的輸入信號。主要原理是利用水的弱導電性。水屬于弱導電質，即使這樣也可以通過水來傳遞微弱的電信號。鑒于此原理，將該部分設計成由水面的上升與下降來控制電信號的接通與斷開：當水位上升時斷開電信號；當水位下降時接通電信號。按此析，只要在水塔里放上用來傳遞電信號的探極，則水位上升到探極位置時斷開電信號；水位低于探極位置時接通電信號。把電信號接通時設為有效信號即當作控制信號。在水塔的不同位置

15、放置幾個探極時就可以根據水位的高低接通某些探極和斷開某些探極。因此只要知道每個探極的具體位置，在根據其輸出電信號的情況就能大致確定水位的位置，將探極輸出的電信號當作輸入信號經過處理后成為電路的控制信號。設計該單元主要在于探極個數的選擇與探極放置位置的選擇。因為探極的個數直接關系到水位檢測的精確度，探極個數越多檢測點也就越多檢測水位就越準確。但如果探極太多就會給其他電單元的設計帶來麻煩，綜合上述考慮我選擇了如下探極分配探極：IC1分別由NE555P的8、2、6口引出A(低水位)、B（中水位）、C（高水位）探極；IC2由2、8口引出D、E探極，作為水泵空轉水位下限。3.2 信號處理單元信號處理單元

16、主要由IC1和IC2 兩片NE555p芯片、電磁繼電器以及和它們所連接的控制電路組成。該單元主要是對輸入信號進行處理，然后輸出控制信號給繼電器和顯示燈。因為水的導電性十微弱，由公共端通過探極的電信號會很小，所以為了加大導電性，在水中加入了食鹽。 IC1通過對水塔（水杯模擬）中探極所傳遞來的高低電平信號來控制繼電器J1。具體控制過程如下：當探極A（低水位）高于水位線時，IC1的2腳為低電平，使IC1發生置位,3腳輸出的高電平使繼電器J1吸合，觸點K1閉合，水泵因得電而運轉，進行抽水；當水位上升至探極C（高水位）時，相應IC1復位, 3腳輸出的低電平使繼電器J1釋放，觸點K1斷開，水泵因斷電而停止

17、工作，不再繼續抽水。IC2通過對水井（水杯模擬）中探極所傳遞來的高低電平信號來控制繼電器J2。具體控制過程如下：置于水井中的探極D 、E，正常情況下應在水面以下一定深度處，使IC2因2腳為高電平而復位，3腳輸出的低電平使繼電器J2吸合，觸點K2閉合，保持水泵的通電工作狀態。當因連續抽水而使D、E探極高于水面時，IC2因2腳為低電平而發生置位，3腳輸出的高電平使繼電器J2釋放，相應的觸點K2斷開，水泵斷電停止抽水，防止水泵的空轉。3.3 信號響應單元信號響應單元由水泵和高低水位指示燈組成。上電之前水塔中A（低水位）探極低于水位線，B（中水位）、C（高水位）探極高于水位線，此時綠燈亮，顯示水塔中為

18、低水位。上電后水泵正常工作，當因為連續抽水使得水位上升到C（高水位）探極之上，水泵停轉，此時紅燈亮，顯示水塔中為高水位。4.實物制作與元件檢測4.1 PCB電路板設計 先用protel DXP 2004軟件設計電路原理圖，檢查無誤后轉化成PCB板圖，然后根據電路板的實際情況和布線規則進行布線，最后電解制作出電路板。由于開始的時候對protel軟件不是很了解，所以花了大約一個星期的時間來學習該軟件的基本應用，為之后電路板的設計與制作打下了基礎，下邊是我學習過程中了解到的元件布局和布線的規則，制作電路板的時候必須遵從這些規則才能制作出符合要求的PCB電路板。4.1.1 元件布局規則(1) 按電路模

19、塊進行布局，實現同一功能的相關電路稱為模塊，電路模塊中的元件應采用就近集中原則，同時數字電路和模擬電路分開。(2) 定位孔、標準孔等非安裝孔周圍1.27mm內不得貼裝元件，螺釘等安裝孔周圍3.5mm內不得貼原器件。(3) 臥裝電阻、電感、電解電容等元件的下方避免布過孔，以免波峰焊后過孔與元件殼體短路。(4) 元器件的外側距板邊的距離為5mm。(5) 貼裝元件焊盤的外側與相鄰插裝元件的外側距離大于2mm。(6) 金屬殼體元件與金屬件不能與其他殼體相碰，不能緊貼印制線、焊盤，其間距應大于2mm；定位孔、緊固件安裝孔、橢圓孔及板中其他方孔外側距板邊的尺寸應大于3mm。(7) 發熱元件不能緊鄰導線和熱

20、敏元件；高熱器件要均勻分布。(8) 電源插座要盡量布置在印制板的四周，電源插座與其相連的匯流條接線端應布置在同側。(9) 所有IC元件單邊對齊，有極性元件極性標示明確，同一印制板上極性標示不得多于兩個，出現兩個方向時，兩個方向互相垂直。4.1.2 元件布線規則(1) 畫定布線區域距PCB板邊<1mm的區域內，以及安裝孔周圍1mm內，禁止布線。(2) 電源線應盡可能的寬，不應低于18mil；模擬信號線寬不應低于12mil；CPU入出線不應低于10mil；線間距不應低于10mil。(3) 正常過孔的焊盤不應低于30mil；孔徑不低于14mil。(4) 雙列直插：焊盤60mil；孔徑40mil

21、。(5) 注意電源線與地線應盡可能呈放射狀，以及信號線不能出現回環走線。54.2 元件檢測4.2.1 電磁繼電器的檢測本次設計實物制作中用的是JQX-14FF 12V四腳直流電磁繼電器，由于protel軟件中沒有這個型號繼電器的封裝，所以就要根據繼電器的引腳來自己在軟件中設計此繼電器的封裝，停止也要區分線圈和常開觸點的引腳分配，以免焊接時出錯。區分四個引腳腳中線圈和常開觸點的方法如下： 用萬用表電阻檔分別接觸兩個引腳，有電阻值為幾百歐姆的兩個引腳為線圈，除了線圈引腳外的引腳中電阻值為的一對則為常開觸點。檢查繼電器的好壞與區分線圈和常開觸點的方法如下：(1) 通過檢測線圈的直流電阻，可判斷繼電器

22、是否正常。其方法是用萬用表的歐姆擋，量程可據繼電器的標稱值，額定電壓越高，阻值也就越大，一般選擇R×100k擋或Rx1k擋。將兩表筆分別接到線圈的兩引腳，如測得的阻值與標稱值基本相同表明線圈良好，如電阻值為，表明線圈開路。(2) 檢測繼電器觸點。接觸電阻用萬用表的R×1k擋，表筆分別接常閉觸點的兩引腳，其阻值應為O，然后將表筆再接常開觸點的兩引腳，阻值應為。然后給繼電器通電，使銜鐵動作，將常閉轉為開路、將常開轉為閉合，再用上述方法進行檢測，其阻值正好與初次測量相反，表明觸點良好。64.2.2 二極管的檢測整流二極管的檢測本設計中的整流橋和連接繼電器的續流作用的二極管采用的都

23、是IN4007整流二極管。整流二極管是由一個PN結構成的半導體器件，具有單向導電特性7。通過用萬用表檢測其正、反向電阻值，可以判別出二極管的電極，還可估測出二極管是否損壞。(1) 極性的判別：將萬用表置于 R×100k 檔或 R×1k 檔，兩表筆分別接二極管的兩個電極，測出一個結果后，對調兩表筆，再測出一個結果。兩次測量的結果中，有一次測量出的阻值較大（為反向電阻），一次測量出的阻值較小（為正向電阻）。在阻值較小的一次測量中，黑表筆接的是二極管的正極，紅表筆接的是二極管的負極8。(2) 單負導電性能的檢測及好壞的判斷：通常鍺材料二極管的正向電阻值為1k左右，反向電阻值為30

24、0左右。硅材料二極管的電阻值為5 k左右，反向電阻值為（無窮大）9。正向電阻越小越好，反向電阻越大越好。正、反向電阻值相差越懸殊，說明二極管的單向導電特性越好。若測得二極管的正、反向電阻值均接近0 或阻值較小，則說明該二極管內部已擊穿短路或漏電損壞。若測得二極管的正、反向電阻值均為無窮大，則說明該二極管已開路損壞。發光二極管的檢測(1) 正、負極的判別：觀察兩個引腳的長短，通常為長正短負。較高靈敏度的發光二極管，用電阻檔接對正負極是，管內會發微光10。(2)好壞的判斷：用萬用表R×10k檔，測量發光二極管的正、反向電阻值。正常時，正向電阻值約為1020k，反向電阻值為250k（無窮大

25、）。5.設計總結這次的畢業設計讓我受益匪淺，我學會以前沒有用過的制作PCB板的protel軟件，還有數電和電路分析的必備知識，使我所學的理論有了付諸于實踐的機會。雖然在制作實物的過程中遇到了很多的麻煩，也很多次都不能成功實現基本的功能，也曾因為電壓和電流沒有控制好而燒壞了繼電器但是最后功夫不負有心人，終于實現了自動控制水位的功能。通過我在設計中遇到的困難我了解到在日常學習中要做到以下幾點：其一，我們必須掌握一些必備的常識，比如，二極管和繼電器引腳的判定、555定時器的基本原理等。其二，我們必須用科學的態度對待我們在實驗中所遇到的問題，不隨便改寫實驗數據。其三，自己平時要多動手、多動腦，這樣當問題來臨時你就不會手忙腳亂。該多畫就多畫些，以便能增加你對該軟件的熟練度。 其四，要注意安全，不要輕易地嘗試不安全接法。在做設計時必須講求產品的實用性及美觀性。這段時間的水位控制器的設計使我增長了許多的知識，讓我知道了做好一件事是并不是想象中那么簡單，不是光學會理論就可以做好想做的事情的，事實不是想象中那樣的完美，在理論付諸于實踐的時候會有很多意想不到的問題，