1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 電子技術課程設計 題 目 水位控制器設計 院 系 電氣信息工程學院 專業班級 自動化12-07班 學生姓名 林彥超 學生學號 指導教師 白麗麗 2014年 7月 6日東北石油大學課程設計任務書課程 電 子 技 術 課 程 設 計 題目 水 位 控 制 器 設 計 主要內容：根據設計要求，運用所學的模擬電子技術及電路基礎等知識，自行設計一種水位控制器，能夠實現水箱中的水位低于預定的水位時，自動啟動水泵抽水；而當水箱中的水位達到預定的高水位時，使水泵停止抽水，始終保持水箱中有一定的水。 工作溫度范圍：-40+50 連續工作時間：可24小時連續工作。 水位

2、探頭線長度小于1.5米（過長的話容易引入無線電干擾信號，而使系統無法正常工作）。 具有自動啟動水泵抽水的功能。主要參考資料：1 潘松著. EDA技術實用教程M 北京：科學出版社，2005.2 閻石. 數字電子技術基礎M 北京：高等教育出版社，20013 曹國清數字電路與邏輯設計M 徐州：中國礦業大學出版社，20014 喬鐵柱水位傳感器研究及測控儀研究D 山西：太原理工大學，20045 彭介華. 電子技術課程設計指導M 北京：高等教育出版社，1997.6 孫梅生. 電子技術基礎課程設計M 北京：高等教育出版社，1998.7 高吉祥電子技術基礎實驗與課程設計M 北京：電子工業出版社，2002.完成

3、期限 2014.6.302014.7.6 指導教師 白 麗 麗 專業負責人 2014年 6 月30 日目 錄1 任務和要求12 總體方案設計與選擇12.1 簧管觸發雙穩態水位控制器22.2 三相水位控制器22.3 兩線水位控制器23 電路總原理框圖設計34 單元電路設計44.1 傳感器電路設計方案44.2 邏輯門電路設計方案44.3 繼電器設計電路54.4 電機參數與作用65 單元電路的級聯設計66 實驗調試結果67 設計總結7參考文獻8附 錄91 任務和要求 (1)任務：設計一種可自動控制水面高度的水位控制器。 (2)水位控制器性能要求： 工作溫度范圍：-40+50。 連續工作時間：可24小

4、時連續工作。 水位探頭線長度小于1.5米（過長的話容易引入無線電干擾信號，而使系統無法正常工作）。 具有自動啟動水泵抽水的功能。2 總體方案設計與選擇2.1 簧管觸發雙穩態水位控制器簧管觸發雙穩態電路來控制水泵，干簧管A用于低水位檢測，千簧管B用于高水位檢測。剛接通電源時，只要水位不在最高位置，電路即會處于V2飽和導通、V3截止的狀態，繼電器K吸合，其常開觸頭接通水泵電動機的工作電源，水泵開始抽水。當水箱內水位上升至最高水位時，水上的浮體 (內有磁鐵)靠近干簧管B，在磁場的作用下，干簧管A內部的常開觸頭接通，使V4導通，V3和V2截止，K釋放，水泵停止抽水。當水位降至低水位時，干簧管A的常開觸

5、頭在浮體內磁鐵的磁場作用下接通，使Vl導通，V2飽和導通，V3截止，K吸合，水泵又開始抽水。如此周而復始，使水箱內水位始終在高水位與低水位之間升降變化。圖1 簧管觸發雙穩態水位控制器原理圖2.2 三相水位控制器。三相水位控制器原理如圖2接通刀開關Q，按動S2后，KM通電吸合，其常開觸頭吸合，水泵電動機通電工作。與此同時，相線L2與零線N之間的220V交流電壓經Cl降壓、VDl和VD2整流、VS穩壓及C2濾波后，產生9V直流電壓。該電壓一路直接加至IC的l腳 (輸入端);另一路經R2和電極a、b之間水的電阻加至IC1的5腳 (控制端)，使IC內部的電子開關接通，其2腳的輸出電壓經R4將VLC內部

6、的發光二極管點亮，VLC內部的光敏晶體管導通，其發射極輸出的高電平通過V加至VT的門極，使VT受觸發而導通，中間繼電器KA通電吸合，其常開觸點接通，使KM在S2松開復位后仍鎖定為吸合狀態。水被抽干后，電極a,b之間的阻值增大，使IC的5腳變為低電平，其內部的電子開關斷開，VLC和VT截止，KA和KM斷電釋放，水泵電動機M停止工作。圖2 三相水位控制器原理圖2.3 兩線水位控制器本設計采用金屬探針作為水位檢測傳感器，將水位信息輸出到555定時器與邏輯門電路組合的電路中，通過組合電路判斷出當前水位的情況，由兩個與非門驅動繼電器，使給、排水電機工作，達到自動控制水位的效果。水位探針用細金屬制作，垂直

7、安放在盛水容器內。水位探針可以同供水器安裝成一體，從盒體下部伸出，也可單獨安裝，其間用導線與供水器相連。當探針 A、B都為高電位時，信號進入555定時器后，輸出轉化為低電位，通過非門U2A轉化為高電位，此時繼電器K1打開，使給水電機工作。同時信號也經過U2B與A端輸入信號的非信號進行與,轉化為低電位，繼電器K2仍然關閉，排水電機不工作。實現補水。當探針A、B都為低電位時，信號進入555定時器后，輸出轉化為高電位,經過U2A非門轉化為低電位，此時繼電器K1關閉，給水電機不工作。同時信號也經過U2B與A端輸入信號的非信號進行與,轉化為高電位，繼電器K2打開，使排水電機工作，實現放水。圖3 兩線水位

8、控制器原理圖方案一用到了雙干簧管，價格比較高，雖然探測的效果比較好，但是制作起來比較麻煩，不適合作為課程設計的選擇。方案二簡單明了，但運用了光敏原件，容易受到外界條件的干擾，方案三用到了簡單的元件并且設計合理，既具備了方案一的優點又解決了方案二的不足。因此選用方案三作為本課題的原理方案。3 電路總原理框圖設計水位控制器的原理框圖如圖4示。探針探測液位高度水邏輯門電路給排水發光二極管顯示給排水繼電器給排水電機系統電源電機電源開關圖4 水位控制器原理圖4 單元電路設計4.1 傳感器電路設計方案水位傳感器的敏感元件是利用單晶硅的壓阻效應原理制成的，在單晶硅上形成1個與傳感器量程相應厚度的彈性膜片，采

9、用微電子工藝在彈性膜片上形成4個應變電阻，組成1個惠斯頓電橋，如圖5所示。當壓力作用后，彈性膜片就會產生變形，形成正、負2個應變區，材料的電阻率就要發生相應的變化。當單晶硅片受到壓力作用時，電橋一個對臂的2個電阻阻值增大，另一個對臂上的2個電阻阻值減小。這樣，在一定電源激勵下，電橋的輸出端就會輸出一個與被測壓力成一定比例關系的電壓信號。R2+RR1-READBR4-RR3+RC。圖5 傳感器采集水位信號原理圖圖5中R是由于壓阻效應產生的電阻的變化量。在水的壓力作用下，電橋的輸出UBD=IR，可見電橋的輸出與電阻的變化量成正比，也就是與水的壓力(或深度)成正比，從而將水位物理量變成對應的近似成線

10、性比例關系的電信號。當水位升高或降低時，單晶硅所受壓力隨之改變，輸出正比于水位的電壓信號。水位傳感器利用水的壓力與水的深度成正比的關系來測量水位，水壓力即差壓。當把傳感器探頭投入到水中某一位置時，測點的水壓力為：式中P測點的水壓力，g/cm2。H測點水深，即測點至水面距離，cm。水的密度，kg/m3。可推算得，測點水深：H=P/。4.2 邏輯門電路設計方案邏輯門電路的主要作用是判斷探針傳來的液位信息，分析可知，當A、B都為高電位時應使給水電機工作，A、B都為低電位時應使排水電機工作，其他狀態均不工作。邏輯門電路如圖6所示。圖6 邏輯門電路當A和B均為低電平時，則兩個均導通，T1導通而M4和M5

11、均截止，輸出L為高電平。與此同時，M1通過M2和M5被VDD所激勵，從而為T2的基區存儲電荷提供一條釋放通路。另一方面，當兩輸入端A和B中之一為高電平時，則M2和M3的通路被斷開，并且M4或M5導通，將使輸出端為低電平。M1或M6為T1的基極存儲電荷提供一條釋放道路。因此，只要有一個輸入端接高電平，輸出即為低電平。4.3 繼電器設計電路繼電器是一種電子控制器件，是具有隔離功能的自動開關元件，可以將電動機的干擾有效的隔離。它具有控制系統和被控制系統，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。本設計繼電器采用

12、固態繼電器，以降低功耗。固態繼電器是一種沒有機械，不含運動零部件的繼電器，但具有動作快、工作穩定、使用壽命長、體積小，能以微小的控制信號直接驅動大電流負載等優點。圖7 繼電器原理圖繼電器的輸入信號x從零連續增加達到銜鐵開始吸合時的動作值xx,繼電器的輸出信號立刻從y=0跳躍到y=ym,即常開觸點從斷導通。一旦觸點閉合，輸入量x繼續增大，輸出信號y將不再起變化。當輸入量x從某一大于xx值下降到xf,繼電器開始釋放，常開觸點斷開。我們把繼電器的這種特性叫做繼電特性，也叫繼電器的輸入-輸出特性。 釋放值xf與動作值xx的比值叫做反饋系數，即Kf= xf /xx ，觸點上輸出的控制功率Pc與線圈吸收的

13、最小功率P0之比叫做繼電器的控制系數，即Kc=PC/P0。4.4 電機參數與作用電機采用24V供電直流電機。負責給水、排水。5 單元電路的級聯設計將傳感器、邏輯門電路、繼電器、電機按圖4所示順序用直接耦合的方式連接，就構成了完整的水位控制器。6 實驗調試結果當探針 A、B都為高電位時，信號進入邏輯門電路組合的電路中，輸出轉化為高電位，此時繼電器K1打開，LED2顯示紅燈亮，使給水電機工作。同時信號也經過U2B與A端輸入信號的非信號進行與,轉化為低電位，繼電器K2仍然關閉，排水電機不工作。實現補水。當探針A、B都為低電位時，信號進入555定時器與邏輯門電路組合的電路中，輸出轉化為低電位，此時繼電

14、器K1關閉，給水電機不工作。同時信號也經過U2B與A端輸入信號的非信號進行與,轉化為高電位，繼電器K2打開，LED1顯示綠燈亮，使排水電機工作。實現放水。從而實現對水位的控制。7 設計總結本設計通過電子探頭對液位進行檢測，再由液位檢測專用芯片對檢測到的信號進行處理,當被測液體到達動作點時，芯片輸出高或低電平信號，再配合水位控制器，從而實現對液位的控制。此設計尚不成熟，采用了比較簡易的設計方法，但基本上滿足要求。由于我的能力所限這個設計不是很完善，還有許多的地方需要加以改善。在與同學們的討論和老師的指導下，我終于完成了本次的課程設計。通過本次的課程設計，我學會了設計電路的基本設計方法和設計的思路

15、，同時也感覺到自己基礎知識的不牢固和知識面的缺乏。從本次設計中體會到平時應該注重知識面的擴展和基礎知識的積累。并且應該多親自動手設計，鞏固基礎知識,拓展知識面,提高電子設計的能力。參考文獻1 潘松著. EDA技術實用教程M 北京：科學出版社，2005.2 閻石. 數字電子技術基礎M 北京：高等教育出版社，20013 曹國清數字電路與邏輯設計M 徐州：中國礦業大學出版社，20014 喬鐵柱水位傳感器研究及測控儀研究D 山西：太原理工大學，20045 彭介華. 電子技術課程設計指導M 北京：高等教育出版社，1997.6 孫梅生. 電子技術基礎課程設計M 北京：高等教育出版社，1998.7 高吉祥電子技術基礎實驗與課程設計M 北京：電子工業出版社，2002.附 錄表1 元件清單序號器件名稱型號單位數量備注1電阻R15K個12電阻R25K個13電阻R3220K個14電阻R4220K個15發光二極管LED紅色和綠色個26繼電器K固態個27U1555片18U274LS04片29U374LS08片110電機M24V個2東北石油大學課程設計成績評價表課程名稱電 子 技 術 課 程 設 計題目名稱水 位 控