水位监测报警系统原理

水位监测报警器

摘要：本水位监测报警器使用5V低压直流电源（也可以用3节5号电池代替）就可以对5~15厘米的水位进行监测，用LED显示和数码管显示水位，并可以对不再此范围内的水位发出报警。主要采用CD4066、74LS86、74LS32、CD4511芯片，再加上数码管、蜂鸣器、发光二极管、电阻这些器件组成一个简单而灵敏的监测报警电路，操作简单，接通电源即可工作。因为大部分电路采用数字电路，所以本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。

关键字：译码电路报警电路监测电路

Abstract: The water level alarm monitoring the use of 5 V low-voltage DC power (can also use three batteries replaced on the 5th) will be able to 5 to 15 centimeters of water level monitoring, with LED display and digital display of water level, and this can no longer Within the scope of a water level alarm. Mainly CD4066, 74LS86, 74LS32, CD4511 chips, coupled with digital control, buzzer, light-emitting diode, the resistance of these devices composed of a simple and sensitive monitoring alarm circuits. Because the majority of circuits using digital circuitry, so the water level monitored alarm system also has low energy consumption, high accuracy of the characteristics.

Keyword: Decoding circuit alarm circuit monitoring circuit

一、 前言

随着自动化技术的发展，自动化技术以深入到了各领域，为人们的生产生活带来了许多方便。水位的检测也可以用自动化来实现。大到可用于水库、湖泊、池塘水位的检测，小的可以用于鱼缸、锅炉水位的检测。我们针对我们设计的水位检测报警器的功能、原理、设计思路、调试等方面做了个系统的介绍。由于编者水平有限，差错在所难免，敬请读者批评指正。 二、 总体方案

根据设计要求，本系统主要由水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块、数码管显示模块、报警模块、编码模块等模块构成。其系统方案框图如下图所示：

我们对其中的几个模块设计了不同的方案并进行了比较 （1）水位信号模块的选择

方案1：采用电容的原理，用两块平行的长方形铜板作为电极放在水中，可

以通过检测两电极间的电信号可知水位的变化情况。优点：结构简单、水位分辨率可大大提高;缺点：容易受水质的影响产生误差，信号为模拟信号，不方便处理。

方案2：采用触点的方法，在每个水位点放置一个触点，当水到达该触点时就可得到一个信号。优点：灵敏度高、得出的时数字信号容易处理；缺点：分辨率不好提高，分辨率越高触点越多，越难编码。

考虑到分辨率要求不高和信号处理的难度，排除干扰因素，我们采用方案2。

（2）信号转换模块的选择

方案1:使用三极管把微弱的水位信号放大以驱动其他模块的工作。优点：成本低；缺点：工作不够稳定，使用数量多。

方案2：使用CD4066双向模拟开关，把微弱的水位信号引到CD4066的控制端，CD4066的输入端都接电源，这样就能把微弱的水位信号转换为稳定的电位信号。优点：工作稳定可靠，便于集成化;缺点：成本高。

信号转换模块的工作影响的各个模块的正常工作我们采用方案2。

（3）编码模块和数码显示模块的选择

方案1：使用2块8—3线编码器组合构成16—4的编码电路，再经过一个显示译码器直接驱动数码管显示。优点：电路结构简单；缺点：要编码的信号不够16个，造成浪费，显示译码器不好找。

方案2：使用异或门74LS86和或门74LS32组成一个特殊的编码电路对个位的数进行编码，当水位高于10厘米时，十厘米信号直接驱动十位数码管显示“1”，在经CD4511显示译码器驱动个位数码管显示。（详细个位编码见附录）优点：电路可靠，稳定;缺点:电路较复杂。

由于74LS86、74LS32、CD4511都是常用的芯片，因此我们采用了方案2.

三、工作原理

上面的仿真图中J1、J2相当于放置在水中的触点（已含下拉电阻），以获取不同水位的信号，将信号引到CD4066，CD4066芯片是一种双向模拟开关，在集成电路内有4个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。当触点没接触水的时候由470K电阻的下拉作用使的四个开关的控制端为低电平，开关断开。但是当触点接触到水时候，由于水的导电性，使的四个开关导通。

随着水位的升高，CD4066中的虚拟开关逐个开启，把经过水出来后的微弱信号转换成与电源电压相同的电位信号，以驱动发光二极管显示当前水位，水上升到那，对应的发光二极管就发光。将CD4066的5厘米水位的对位信号引到一个异或门的一个脚上，其另外一个脚接高电平，使得5厘米的水位信号反向输出，方向输出的信号再和10厘米水位对应的CD4066的信号经过一或门由三极管放大之后驱动蜂鸣器报警。

数码管显示模块的信号也是来自CD4066，分为十位和个位的显示，由于水位高过10厘米后，10厘米的触点一直在水中，对应的CD4066的10厘米信号也一直处于高电位，因此只需将CD4066对应的10厘米处信号接到十位数码管的

bc段以显示“1”，无需编码就可实现十位显示而且十分可靠。而个位的显示需要经过由74LS86和74LS32组成的特殊的编码电路后再经CD4511显示译码器驱动个位的数码管显示。（详细个位编码见附录）

四、电路设计

（1）水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块

左端的P1是水位触点，由一个VCC和11个触点组成，用水的导电性，让接触到水的触点出高电位；

U1~U3是CD4066双向模拟开关，将微弱的信号进行转换；

R12~R22是下拉电阻，用于水位没到管脚悬空时CD4066输入端的处理，R1~R11时发光二极管的限流电阻；

P2是数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接口。与P1相比多了13脚，

其直接从10厘米水位信号引出用于驱动十位的数码管显示。

（2）数码管显示模块、报警模块、编码模块

P1是连接水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块的接口；

R1~R11是编码模块的下拉电阻，应为CD4066是一个双向虚拟开关，当它断开时编码模块的管脚相当与悬空会引起逻辑混乱，因此加了下拉电阻。

个位的编码电路与报警电路共用74LS86和74LS32芯片，这也是设计是将它们放到同一块板上的原因之一。

与个位编码电路相连的是CD4511显示编码器直接驱动个位数码管显示。

五、系统调试

1、调试工具：

（1）万用表

（2）5V直流电源

（3）水槽

2、调试环境：

（1）地点：实验室

（2）室温：28 ℃

3、测试过程：

我们首先将水位触点放置在水槽中，再使用5V电源接通电路，此时我们听到“嘀”的报警声，第5、6、9、11号LED发光，数码管显示“7”。此结果与预计的不符，我们断开数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接，使电路易于检测，这时我们看到LED全灭，符合预计结果，接着向水槽内加水，LED逐个亮起，我们用万用表测量了LED工作电压3.2V和信号输出口的工作电压5V，证明水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块没问题。

我们再把数码管显示模块、报警模块、编码模块连接上，以检查此模块的错误，连上时立刻又出现刚才的错误，我们用万用表测量与水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块的接口发现有4个接口的电位与预计不符，我们就怀疑是不是CMOS与TTL不兼容的问题。测试到这便进行不下去了。

之后我们又想CD4066是个虚拟开关，不应该有社么问题，我们又上网查资料，并对此用电子试验箱做了专项的模拟试验，发现什么问题都没有，与预计结

果完全相同。

我们又对数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接进行仔细的检查，最后才发现原来是芯片的管脚连接不对，输入信号连接再了芯片的输出端上。我们再从新做了一块新板，问题解决了。我们再用万用表测量芯片工作电压（低电位0.2V、高电位3.6V）工作正常了。

我们再次用整体检测水位，当水位低于5厘米时，LED全灭，蜂鸣器发出“嘀”的声音，数码管显示“0”，随着水位的升高蜂鸣器停止发声，LED逐个亮起，数码管对应显示“5~14”，当水位到达15厘米时红色的LED亮起，数码管显示“15”，蜂鸣器发声报警，达到了预计的结果，调试结束。

六、设计总结

此次实验的设计我们在理论上、仿真上都很成功，但是在实际的调试过程中显示部分却出现了问题。原因是芯片的封装与设计时的不同，引起显示部分个芯片管脚的电位混乱。因设计过程中耗费了大量时间，所以没有足够的时间调试和改进。整个实验过程中收获很多对电路的设计有一个了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、制板及调试的过程，极大地提高了我们的动手能力。

参考文献：

1、《电子技术》电子工业出版社。

2、中国电子技术网

七、附录

由于水位信号从00000000001~11111111111是累积增加的，个位的数由5~9再由0~5,BCD码分为ABCD四列，A列为1和0的交替变化，可对应水位信号单个“1”是出“1”，双个“1”出“0”，因此用5个异或门和5个或门构成A位编码，B列根据“0”和“1”的变化，从“0”变到“1”时，“1”的信号接异或门门的一个脚，再由“1”变到“0”时，“0”的信号接同一个异或门的另外一个脚，再把B列中的所有异或门用或门连起来构成B位的编码，C、D列的接法与B 列相同。从而得出个位的特殊编码电路。