1、遼 寧 工 業 大 學電子技術基礎課程設計（論文）題目：水位自動控制裝置院（系）： 專業班級：學 號：學生姓名：指導教師： 教師職稱： 起止時間： 課程設計（論文）任務及評語院（系）：電子與信息工程學院 教研室：電子信息工程學 號學生姓名專業班級課程設計（論文）題目水位自動控制裝置課程設計（論文）任務設計任務：1 、水位自動控制在一定范圍內（如 2 -6 米 ），當水位低至 2 米 時使電機啟動，帶動水泵上水；當水位升至 6 米 時，使電機停轉。 2 、因特殊情況水位超限（如高至 7 米 、低至 1 米 ）報警器報警。 3 、設有手動按鍵，便于隨機控制。 4 、由數碼管直觀顯示當前水位。設計要

2、求：1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環境等，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統或單元電路，逐個設計。4.組成系統。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進右出的規律擺放各電路，并標出必要的說明。指導教師評語及成績成績： 指導教師簽字： 年 月 日目錄第1章 水位自動控制裝置設計方案論證21.1水位自動控制裝置的應用意義21.2水位

3、自動控制裝置設計的要求及技術指標21.3總體設計方案框圖及分析2第2章 水位自動控制裝置各單元電路設計32.1信號產生部分32.2 信號處理部分42.3 水位顯示電路62.4 電機控制電路82.5 報警控制電路9第3章 水位自動控制裝置整體電路設計11設計總結12參考文獻12第1章 水位自動控制裝置設計方案論證1.1水位自動控制裝置的應用意義水位控制器是近年來開發的一項新技術，它是傳感器、硬件、軟件等幾項技術緊密結合的產物，作為水塔水位控制裝置，其主要任務是保證水塔的安全、穩定、經濟的運行，減輕工作人員的勞動強度。采用集成電路，能對水塔水位進行自動檢測、自動控制等多項功能。由于我國水位測量操作

4、水平落后，工作人員過多，但是現在水位控制器為水位控制開辟了廣闊的前景。1.2水位自動控制裝置設計的要求及技術指標1 、水位自動控制在一定范圍內（如 2 -6 米 ），當水位低至 2 米 時使電機啟動，帶動水泵上水；當水位升至 6 米 時，使電機停轉。2 、因特殊情況水位超限（如高至 7 米 、低至 1 米 ）報警器報警。 3 、設有手動按鍵，便于隨機控制。 4 、由數碼管直觀顯示當前水位。1.3總體設計方案框圖及分析 每部分電力都有其相應的功能：首先由信號產生部分產生整個電路的輸入信號，該信號經過信號處理部分處理后輸出其他電力的控制信號，控制其他電力工作：電機控制電力部分接受到由信號處理電力輸

5、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，而水位的變化又直接關系到信號的產生，因此有一個循環的過程，即使水位保持在一定范圍內；水位顯示電路接受到有效信號后驅動顯示器工作使其顯示該時刻的水位；水位超限時輸出為報警電路的有效控制信號使報警電路工作驅動報警器報警。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。由任務分析可知，該設計電路主要有三個功能：水位控制、水位顯示與報警。而要有這些功能就必須要有使其工作的控制信號，所以首先就必須要有輸入信號，因為任務要求是自動控制所以輸入信號也必須由電路自己產生而不能人為加入。水位控制器主要由水位傳感器

6、、電源電路和控制電路三部分構成。整體電路框架如圖所示：報警器報警控制信號處理信號產生顯示器水位顯示電路電路電路信號處理信號處理圖 總體設計框圖第2章 水位自動控制裝置各單元電路設計2.1信號產生部分 該部分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，初步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：當水位上升時接通電信號；當水位下降時斷開電信號。按此析，只要在水塔里放上用來傳遞電信號的探頭，則水位上升到探頭位置時接通電信號；水位低于探頭位置時斷開電信號。把電信號接通時設為有效信號即當作控制信號。在水塔的

7、不同放置幾個探頭時就可以根據水位的高低接通某些探頭和斷開某些探頭。因此只要知道每個探頭的具體位置，在根據其輸出電信號的情況就能大致確定水位的位置，將探頭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。 設計該部分主要在于探頭個數的選擇與探頭放置位置的選擇。因為探頭的個數直接關系到水位檢測的精確度：探頭個數越多檢測點也就越多檢測水位就越準確。但如果探頭太多就會給其他電力設計帶來麻煩：一個是信號處理的輸入端要多，一個是水位顯示也要相應的增加，加大了工作量。 根據任務設計的要求，假設一水塔高8米，令該水塔水位到達7米或低于1米時報警，也就是說水塔最起碼要有7米深，因此可以將探頭個數設計為八個，

8、分別檢測八個點的水位，原理圖如下圖所示。 ah為八個檢測探頭，其中a探頭到水箱底部的高度為1米，其他探頭一次放置在相差一米的位置上，即只能檢測到18米的水位。COM為公共電極，接+5V。為了提高精確度，將公共電極盡可能的靠近探頭，即使電極與探頭的距離盡量小，有利于電信號的傳遞。當水位上升到套頭位置時，+5V電信號經過介質水接通到所在的探頭；而當水位下降時斷開，因此只要測出哪些探頭接通電信號時，就大概可以確定水位的高度。比如說只有abcd有電信號輸出，而efgh都沒信號(或者說輸出低電平)輸出時，就基本上可以確定水位在探頭d以上e以下，即在45米之間，再將該電信號輸入到信號處理部分進行處理輸出相

9、應的控制信號即可。圖 探頭原理圖2.2 信號處理部分該部分主要是對輸入信號進行處理輸出其他電路的控制信號。由于水的導電性十微弱，由公共端通過探頭的電信號會很小，不一定能夠成為滿足電路工作的控制信號，因此有必要先對輸入信號進行放大處理。根據元器件的功能可知，晶體管具有放大、飽和和截止三種工作狀態，可選用一種狀態輸入信號進行處理。 圖 信號處理電路 由探頭出來的電信號輸入到信號輸入端，由信號輸出端輸出。當有電流從公共電極流入探頭時，經過電阻R到達晶體管Q的基極，此時三極管的發射結合集電結電壓都正偏。當發射結電壓超過三極管的導通電壓時，由晶體管的工作條件可知此時其處于飽和狀態，即相當于開關的閉合狀態

10、，接通集電極與發射極，使集電極輸出低電平。只要涉及電阻R的阻值合理，就能比較穩定地使晶體管工作。經過三極管處理的信號還只是一個低電平的信號，沒有控制其他電路工作的能力，還必須經過編碼處理。由以上電路的設計與分析，該編碼電路最少應有八個輸入端，作為八個探頭輸出信號的輸入端，而且有效電平為低電平，因此應設計成具有優先編碼功能的編碼電路，所謂“優先”編碼即多個輸入端同時滿足編碼條件時，只對最高位編碼。根據要求該電路設計成以編碼器為核心的編碼電路，具體設計的電路圖如圖所示：圖 信號編碼電路a-h為信號輸入端，DCBA為信號輸出端。元器件選擇：編碼器74147，反相器7404。芯片介紹：74147為10

11、-4線BCD優先編碼器，編碼輸入有效電平為低電平，編碼輸出為BCD反碼，即當輸入端有“0”輸入時，輸出端就輸出與之對應的BCD反碼。如“2”，“4”同時輸入“0”，則按“4”進行編碼，內部編碼成BCD碼0100，輸出則為BCD反碼1011,74147的真值表如表所示：表 74147真值表2.3 水位顯示電路該部分主要是用七段數碼顯示器顯示水位。七段數碼顯示器一般有兩種接法：一種是共陰極接法；一種是共陽極接法。無論哪種接法，其都是由七組發光二極管構成。當其為共陰極接法時則對高電平有效，即要輸入高電平時才能使其點亮；當其為共陽極接法時對低電平有效，只有輸入低電平時才會顯示，顯示器原理圖如下圖中（a

12、）、（b）、（c）所示。圖 七段數碼管顯示器原理圖由原理圖可知，該顯示器有七個發光二極管分別用a、b、c、d、e、f、g，因此只要點亮相應的發光二極管，就能使其顯示特定的數字，比如說對于共陰極接法的顯示器同事對a、b、c輸入高電平時使a、b、c段二極管點亮而其他的都滅即顯示出數字“7”。該部分電路直接由顯示譯碼器對編碼信號譯碼后驅動顯示器工作，電路圖如圖所示：圖 顯示器原理圖DCBA為二進制碼信號輸入端，ag為譯碼后信號的輸出端。信號輸出后經過限流電阻直接接到顯示器輸入端，驅動顯示器工作。 元器件選擇： 經過分析，譯碼器選用BCD-7段譯碼顯示器驅動器7448；顯示器為共陰極七段數碼顯示器；R

13、阻值220歐姆。7448譯碼器輸出高電平有效，用以驅動共陰極顯示器，其功能表如表所示:表 7448功能表由功能表可以知道，當輸入信號DCBA為二進制碼0000，即相當于十進制的“0”時，輸出abcdefg為1111110，接到顯示器上的相應輸入端即顯示數字“0”；當DCBA為0101，即相當于十進制的“5”時，abcdefg輸出為1011011，接到顯示器時點亮a、c、d、f、g即顯示出“5”。2.4 電機控制電路該部分為整個設計電路的重點部分，也是難點部分。主要目的即是要靠那個值電機的工作通過控制電機的工作來控制水位，這也就是本實驗的主要設計目的。 由任務的設計要求：要將水塔的水位控制在2-

14、6米。即水位低于2米時使電機工作升到6米時使電機停止工作。而由信號產生部分設計可知：當水位低于2米時只有探頭a接通電信號。因此要將該電信號設計為控制電機轉動的控制信號。而該電信號通過編碼處理后輸出為四位二進制碼0001，所以就是要使輸出信號為0001時使電機工作。而水位上升到6米時要控制電機停止工作。因此時水位在6米時有六個探頭接通電信號，為a、b、c、d、e、f。根據編碼器的工作原理，只有探頭f的電信號才為有效信號，即只對f的電信號編碼處理。此時才為有效信號，即只對f的電信號編碼處理。此時由f引進來的信號經過編碼后成為二進制碼0110，因此要將0110設計為電機停止工作的控制信號，即當輸入到

15、電機驅動的信號為0110時使電機停止。根據分析將該部分電路設計成如圖所示：圖 電機控制電路 DCBA為信號輸入端。IC7420為四輸入與非門，手動開關為三路選擇開關。 由電路圖可知，該電路主要由四個部分組成：四輸入與非門、繼電器、手動開關、電機。當DCBA輸入為0001信號時經反相器后接到四輸入與非門輸入端為1111則輸出為低電平0，接到與門一端使其鎖住；當DCBA輸入為0110時經反相器接到四輸入與非門輸入端為1111亦輸出低電平0，經過反相器后輸出高電平1接到或門一端。電路工作原理：假設剛開始水塔的水位在2米以下，則先將手動開關撥向3使電機接通AC220V工作抽水，當水位上升到2米以上6米

16、以下時，再將其撥向1，則此時由繼電器控制電機。因為這時經過編碼處理輸出的BCD碼DCBA不是為0001或0110，所以四輸入與非門的兩個輸出端Y1與Y2都輸出為高電平1。由于而輸入與門的另一個輸入端為低電平，則輸出為低電平；而Y2輸出經過反相器后亦為低電平，因此三極管處于截止狀態，繼電器沒有工作，即放開鐵片。則此時電機任由繼電器的第二通道接通220V工作。當水位繼續上升到6米時輸入信號DCBA為0110，此時Y2輸出低電平0，經反相器后為高電平1，通過邏輯或門接到三極管的基極使三極管導通工作，即接通發射極與集電極，使繼電器通電工作吸合鐵片。從而斷開電機與220V使電機停止工作，也就使水位停止在

17、6米處。因此時繼電器吸合鐵片，是+5V的電源由繼電器的第一通道接到與門，與Y1同為高電平則使邏輯與門輸出為高電平，這樣即使水位下降，Y2接到三極管的基極為低電平時也能使三極管工作在導通狀態，是繼電器工作吸合鐵片不讓電機工作。而當水位下降到低于2米時，輸入端DCBA變為0001，Y1輸出低電平0，鎖住與門，即使與門輸出為低電平0，因此時沒有電流流到三極管基極而使其處于截止狀態，從而斷開繼電器的電源使其放開鐵片，這樣又將電機由繼電器的第二通道接通到電源，轉動抽水，既能將水位控制在2米以上。2.5 報警控制電路根據任務設計要求只要將編碼處理輸出的信號DCBA為0000或0111時設為報警電路的控制信

18、號即可。由555定時器和三極管構成的報警電路如圖所示。其中555構成諧振蕩器，振蕩頻率其輸出信號經三極管推動揚聲器發聲。PR為控制信號當PR為高電平時多謝振蕩器工作；反之則停止工作。PR信號是由74LS20產生的。 該電路主要由四輸入與非門、反相器、或門、報警器構成。當水位低于1米或升到7米時編碼器編碼輸出的信號DCBA為0000或0111，再經過反相器輸入到四輸入或非門輸入端后輸出為低電平再經過反相器后變為高電平。該高電平通過或門后再經過限流電阻驅動報警器工作。因此可以通過報警器來判斷整個控制電路的工作是否正常。四輸入與非門選用7430，反相器為7404，或門為4071，報警器用石英晶體振蕩器來代替。 圖 水位報警電路由理論分析A點可接一非門連接一喇叭，低于A點時，非門的作用，喇叭變會響；C點可直接接一喇叭，高于C點時，喇叭變會響。這就夠成了簡單的報警電路。第3章 水位自動控制裝置整體電路設計圖 整體電路圖設計總結通過這次課程設計，我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時在查找資料的過程中也了解了許多課外知識，開拓了視野，認識了將來的發展方向，使自己的專業知識方面和動手能力方面有了質的飛躍。通過這次親手設計水位自動控制裝置我又一次復習了一學期來所學