水位控制电路设计任务书

河南科技学院机电学院 电子课程设计报告

题目：水位控制电路设计任务书

专业班级：电气工程及其自动化101班 姓 名： 牛银铃 时 间：2012.05.28 ～ 2012.06.08 指导教师：张伟 邵锋 杜留锋 田丰庆

完成日期：2012年06月 06日

水位控制电路设计任务书

1．设计目的与要求

设计一个水塔或锅炉水位控制电路，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能： （1）多点水位实时采集和显示功能；

（2）当水位低时，启动水泵自动加水，达到高水位时自动停止水泵； （3）当达到警戒水位（高水位或低水位）时，电路能够自动报警提示； （4）具备报警消音控制功能；

（5）所设计的电路具有一定的抗干扰能力。 2．设计内容

（1）画出电路原理图； （2）确定元器件及元件参数； （3）进行电路模拟仿真； （4）SCH文件生成与打印输出； （5）PCB文件生成与打印输出。 3．编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。 4．答辩

在规定时间内，完成叙述并回答问题。

目 录

1 引言 …………………………………………………………………………1 2 总体设计方案……………………………………………………………… 1 2.1设计思路……………………………………………………………………1 2.2总体设计框图………………………………………………………………2 3设计组成及原理分析…………………………………………………………2 3.1信号产生及水位的显示部分………………………………………………3 3.2水位的控制及报警部分……………………………………………………4 3.3元器件及其参数……………………………………………………………9 4总结与体会……………………………………………………………………9 参考文献…………………………………………………………………… 10 附录一仿真原理图………………………………………………………… 11 附录二SCH原理图………………………………………………………… 12

水位控制电路设计

摘 要: 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。

关键词: 水塔；水位显示器；自动报警器

1 引言

在日常生活和工业生产中，水位控制装臵有着广泛的应用，如水塔、楼房水箱、锅炉等。水位控制装臵的形式有很多种，浮子开关式，电节点式，压力式，电子式，微机式等。这些装臵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；微机式控制装臵，虽然操作方便，但造价较贵……本位从实用型和经济型出发，设计了一种水位控制装臵，该装臵结构简单维护方便，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。

2总体设计方案

2.1 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“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。 2.2 总体设计框图

有任务分析可知该设计电路有三个功能：水位控制、水位显示与报警。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五部分：信号产生、信号处理、电机控制、报警控制

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和水位显示电路。整体电路框架如下图1所示。

图1总体设计框路图

报警控制 报警器 信号产生 信号处理 水位显示 显示器 电机控制 电机 3 设计组成及原理分析

3.1 信号产生及水位的显示部分

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臵时接通电信号；水位低于探头位臵时断开电信号。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。在水塔的不同位臵放臵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臵，再根据其输出电信号的情况就能大致确定水位的位

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臵，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。模拟水位显示电路图如下图2

图2水位显示

图2水位显示，共有五个发光二极管，如果发光二极管全部亮，表示水箱中的水已充满。12V电源送到水箱底部的水中，晶体管(T3～T7)只要得到基极电压，就会导通并点亮相应的发光二极管(LED5~LEDl)。当水箱中的水到达最低水位C时，晶体管T7导通，LEDl点亮；当水位上升到水箱的1／4时，晶体管T6导通，LEDl与LED2点亮；当水位升到水箱的一半时，晶体管T5导通，则LEDl、LED2和LED3点亮；当水位升到水箱的3／4时，晶体管T4导通，则LEDl～LED4均点亮；当水箱的水抽满，晶体管T3导通，五个发光二极管全亮。因此从二极管的点亮状态，就能知道水箱中的水位。下表3列出了发光二极管与水中的水位关系，发光二极管一般安放在易于观察到的地方。

水箱中的水位 最高水位 3/4水位 1/2水位 1/4水位 最低水位 发光的LED LED1、LED2、LED3、LED4、LED5 LED1、LED2、LED3、LED4 LED1、LED2、LED3 LED1、LED2 LED1 表3 3

水位仿真图如图4，探头由开关S1至S4模拟，开关全接高电位代表水满，全低电位代表最低水位。开关依次拨上或拨下，模拟水位的升降。

图4水位指示电路

3.2 水位的控制及报警部分

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，达到警戒水位（高水位或低水位）时，电路能够自动报警提示；这也就是本实验的主要设计目的。

由要求可知当水位低时，启动水泵自动加水，达到高水位时自动停止水泵；

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因为电压的高低信号在数字电路由二进制数0，1表示，从而水位的高低变化可由一系列二进制数0，1来表示，再此我们选用74HC151来选择性输出D0至D7的高低电位，74HC151芯片的工作原理是输入端A,B,C接高低电平，D0至D7根据需要借高低电平，输出端Y接负载，A,B,C的高低变化能表示二进制数0至7，当A,B,C接高，高，高，即1，1，1，代表二进制数7，输出端Y输出D7的电压值。输出端Y接JK触发器74LS73，JK触发器特性表如下图5。 Qn J 0 0 1 1 0 0 1 1 图5JK触发器特性表

K 0 1 0 1 0 1 0 1 Qn1 0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 1 0 1 0 这里主要是利用触发器的跳变和保持特性。在控制电路中，JK触发器的J,K两端接74HC151芯片的输出端Y，CLK端接异或门74F86的输出端，异或门的工作原理是：当两输入电平不同是输出1，相同时输出为0，控制电路中两输入端分别接最高水位开关和最低水位开关。74LS73的输出端Q接水泵抽水电路，继电器的工作原理是当继电器中有电流通过时继电器闭合，从而水泵接通220V交流电开始工作，无电流时继电器断开，抽水停止。报警电路由非门（反相器）74LS04,开关S9，发光二极管LED7，电阻R12以及喇叭构成，74LS04输入端接异或门74F86的输出端，当水位最低或者最高时LED7发光，喇叭报警，其他水位时自动解除报警，同时开关S9起到报警消音控制功能.水位控制及报警电路如下图6。

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图6水位控制电路

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总的水位控制仿真电路图如下图7

图7水位控制仿真电路

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CAD软件生成的SCH原理图如下图8

图8SCH原理图

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3.3 元器件及其参数

Q1—Q5: BC547A

R1—R5:7.1K,8.1K,9.1K,10.1K,11.1K R6—R10,R11,R12: 1K,99欧姆，20欧姆 IC1:74HC151

IC2:JI触发器74LS73 IC3:二输入异或门74F86 IC4:反相器74LS04

LED1—LED7:发光二极管

S1—S4，S8,S9:双掷单刀开关,电动机MOTOR，单刀单掷开关 K2:1mH,1欧继电器 V1:交流电源 U3:喇叭 4 总结与体会

通过这次课程设计我学会了独立做设计的方法与技能，拿到一个题目后，广泛阅读大量有关资料，从中抽取信息，加以总结分析，当然期间也离不开指导老师的指点。这样既充分培养了我们的自学能力，还启示了我们怎样才能创新。

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。 课程设计刚开始时，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。

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，给了我许多道思索，给了我莫大的空间。尽管课程设计是在期末才开始，我们的教材学习完毕，掌握许多知识，但是还有很多地方理解领悟不到位。作图过程，通过这次课程设计我们对于电子线路CAD技术多多少少有了一些了解，CAD技术发展迅速，有着广阔的应用前景，设计面广，内容丰富，它用软件的方法设计硬件；用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；在设计过程中可用有关软件进行各种仿真。

我认为，在这学期的课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不

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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，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。还有我们要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。总之，确实受益匪浅。 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. 2011年11月重印. Page 203-230

[2]康华光. 电子技术基础（模拟部分）[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. 2011年11月重印.

[3]张庆双. 全新实用电路集萃 [M]. 北京机械工业出版社.2008.

[4]邱关源. 电路 [M].高等教育出版社 2006年第5版，（2010重印）

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附录一

仿真原理图

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附录二

SCH原理图

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