简易水塔水位控制电路电子课程设计

目录

1 概述 (1)

2 系统总体方案设计 (2)

3 主要单元电路设计 (3)

3.1 电源电路 (3)

3.2 水位检测电路和水位范围测量电路 (3)

3.3 水泵开关电路及显示电路 (5)

4 元器件选型 (8)

4.1 水压传感器 (8)

4.2 比较器 (8)

4.3 稳压管 (9)

4.4 稳压芯片 (10)

4.5 普通二极管 (10)

4.6 发光二极管 (11)

4.7 三极管 (11)

4.8 电磁继电器 (12)

4.9 变压器 (14)

4.10 桥式整流电路 (14)

4.11 CD4011 (15)

4.12 迟滞比较器 (16)

结论及展望 (17)

参考文献 (18)

附录 (19)

摘要

该方案电源电路采用电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成直流12V电压。稳压电路由三端稳压器实现，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。水位测量和水位监测电路主要由电阻型水压传感器和迟滞比较器组成。电阻型水压传感器是最典型也是最简单的一种压力传感器。迟滞比较器不仅可以测量水位的范围，还可以防止跳闸现象的出现。水泵开关电路和显示电路主要由电流放大电路和继电器组成。继电器可以提供水泵所需要的交流电，而电流放大电路是由三极管组成，是一种比较典型的和简单的电路。用发光二极管的显示来检测水位状态和水泵的状态。

关键词水压传感器继电器比较器

1 概述

本次设计的是一个水塔水位控制电路，电路能够通过控制两个水泵实现对水位的控制。水位范围在S1～S2（S1＜S2）之间，S为实际水位。当S＜S1时，两个水泵都放水；当S1＜S＜S2时，仅一个水泵放水；当S＞S2时，两个水泵都关闭。同时本电路设计了水位检测电路，通过发光二极管的显示来检测水位状态。

我们都知道，在日常生活和工业生产中，水位控制装置有着广泛的应用。如水塔、楼房水箱、锅炉等。水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式，电节点式，压力式，电子式，微机式等。这些装置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；微机式控制装置，虽然操作方便，但造价较贵。本文从实用型和经济型出发，设计了一种水位控制装置，该装置结构简单，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。可以在经济上节约资金，降低损耗，节约资源，有很多场合下均可采用。

2 系统总体方案设计

简易水塔水位控制电路的总体框图如图2-1所示。它是由水位检测电路、水位范围测量电路、水泵开关电路、显示电路和电源电路5部分组成。

图2-1简易水塔水位控制电路的总体框图

每部分电路都有其相应功能：首先有水位检测电路产生整个电路的输入信号，该信号传至水位范围测量电路，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；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。

3 主要单元电路设计

3.1 电源电路

电源电路的原理图如图3-1所示。电路直接从电网供电，通过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成+12V的直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，电源变压器将交流电网电压220V变为合适的交流电压12V。整流电路采用二极管桥式整流电路，整流电路将交流电压12V变为脉动的直流电压12V。C1、C2、C3和C4完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。稳压电路清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压12V的稳定。

图3-1电源电路

3.2 水位检测电路和水位范围测量电路

如图3-2所示，水位检测电路由可变电阻R1和一个电阻型水压传感器构成。电阻型水压传感器是最简单也最典型的一种水压传感器，它的工作原理是通过阻抗的变化来表示水压的变化，同时将水压信号转化为电信号Vs，即Vs代表了实际水位S。本电路采用的电阻型水压传感器型号为PT500-501，是水压传感器，即传感器的阻抗随水压的增加而增加。可变电阻R1的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调节VS的范围，也就可以调节水位控制范围。

水位范围测量电路由两部分构成：

1 由电阻R2、R4和稳压管D1、D2构成的参考电压产生电路；

2 由迟滞比较器构成的水位范围测量电路。

参考电压产生电路产生两个稳定的电压，分别代表水位范围的上限值S2和下限值S1。由于参考电源产生电路输出端接入比较器的输入，为了防止出现输出电流不

稳导致参考电源不稳定的情况，电路采用电阻和稳压管相结合的方式构成。其中稳压管的稳定电压均为+8V，而输出VREF1=+8V VREF2=12V－8V＝4V

水位范围测量电路的功能有两个：

1 确定实际水位和水位控制范围的大小关系；

2 防止出现跳闸现象。

首先，VREF输入到两个运算放大器的同相输入端，而Vs1和Vs2则同时分别输入到这两个运算放大器的正相输入端。这样，当VsVREF2时，V1输出为低电平；当VsVREF2时，V2输出为低电平。由于Vs1、Vs1、VREF分别代表S1、S2和S，实际水位和水位控制范围的大小关系就确定了。

其次，本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来实现跳闸现象的出现。迟滞比较器AR1的特性表达式为

(2-1)

(2-2)由式（2-1）和式（2-2）可得到回差范围△VT = V1T+ - V1T- =8.4V-7.3V=1.1V，即V1从高电平转换为低电平和从低电平转换为高电平的分界点电压值有了1.1V的差别，从而就可以防止跳闸现象的出像。

同理，迟滞比较器AR2的特性表达式为

( 2-3)

（2-4）

由式（2-3）和（2-4）可求得迟滞比较器AR2的V2T+ -V2T-之差（4.7V～3.6V）同样具有1.1V的回差范围，由此可以防止跳闸现象的出现。

图3-2水位检测电路和水位范围测量电路

3.3 水泵开关电路及显示电路

水泵开关及显示电路如图3-3所示，水泵开关电路是由三极管电路和继电器电路构成的。电路的输入即为图3-2电路中的输出，即当Vs< VREF1且Vs< VREF2时，V

1

和V

2输出都为高电平；当Vs> VREF2而Vs< VREF2时，V

1

输出为高电平，而V

2

输出

为低电平；当Vs1> VREF且Vs2> VREF时，V

1和V

2

输出都为低电平。

由于水泵中通过的都是大电流，产生大功率，而直流电源无法提供大电流和大功率，因此水泵需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须采用继电器电路。

图3-3水泵开关电路及显示电路

而一般运算放大器的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。由三极管电路构成的电流放大电路是一种比较典型的和简单的电路。其中R9和R10为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。三极管接为共集电极电路，当输入电压为高电平时，三极管导通饱和，可以将输入电流放大β倍；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接三极管的集电极，当有电流驱动时，开关吸合，对应的水泵通电；当无电流启动时，开关断开，对应的水泵不通电，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。

显示电路分两部分，由发光二极管构成。

一部分通过发光二极管亮灭来表示水泵是否通电，同时由于继电器的驱动电流过大，需要加入限流电阻保护发光二极管。

另一部分用三个发光二极管表示水位的状态。

可知当水位是低水位，即水位在范围之下时(ss2）,都输出低电平（0 0）。

本原理图用三个发光二极管表示水位的状态。由电路输出可列出二极管驱动真值

表如表3-1：A为U1控制电机的逻辑值，为1则电机转动；B为U2控制电机的逻辑值，为1则电机转动；LED灯逻辑值为1则点亮。本电路采用不同的红黄绿三个发光二极管来显示。

表3-1 二极管驱动真值表

水位A B

绿

Q3黄

Q2

红

Q1

S

S1

S2

当水位SS2），两个水泵都关闭，此时水位为水满状态，发光二极管绿灯亮。当水位在范围之内时(S1

由图可知，三个输出驱动电压分别得由三个与非门实现。此电路选用CD4011，其中由四个两输入与非门组成，完全能实现所需要功能。逻辑电平与所需相反时，只需在电路中加一个反相器就行了。

注：

4 元器件选型

4.1 水压传感器

本电路采用的电阻型水压传感器型号为PT500-501，是水压传感器，即传感器的阻抗随水压的增加而增加。如图4-1：

图4-1 PT500-501传感器

产品基本特性：

PT500-500系列压力变送器采用高精度高稳定性电阻应变计/扩散硅晶体/陶瓷晶体等做为变送器的感压芯片，选进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成4～20mA、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC等标准电信号。产品结构采用全封焊结构，使之产品的抗冲击能力、过载能力、产品密封性等性能有了较大提高，产品最高压力可达150MPa。产品过程连接部分和电气连接部分有多种方式，能够最大限度的满足用户的需求。

4.2 比较器

集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，如图4-2表示集成运放的内部电路组成的原理框图。

图4-2 集成运放的内部电路组成的原理框图

如图4-2集成运放的输入级一般是由BIT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为个级提供合适的工作电流。其代表符号和输入输出传输特性如图4-3所示。

图4-3

4.3 稳压管

稳压器二极管也叫齐纳二极管，稳压原理：给稳压二极管施加反向电压并使其值

增大，当反向电压之值达到稳压二极管的稳定电压时，其正常雪崩击穿，若在此情况下，一定范围内改变电源电压的波动或改变负载电流的大小，齐纳电流IZ和动态电阻随之而改变，然而，齐纳电压UZ却稳定不变。稳压二极管串联一个电阻来提供一个稳定的参考电压VREF，其中稳压二极管选用1N4735，其稳定电压为，限流电阻选用1K。稳压二极管1N4735的重要参数：最大工作电流 IZM 146mA 稳定电压 UZ 6.2V 最大耗散功率 P 1W 。

4.4 稳压芯片

该电路中使用的是MC7812CP芯片，该芯片内部设有电流过流﹑过热和调整管安全区保护电路，以防止过载而损坏，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路简单，且安全可靠

4.5 普通二极管

二极管又称晶体二极管,简称二极管，另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。二极管有正向特性和反向特性，其中正向特性是指外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压；反向特性是指外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。在本电路中利用的是二极管的反向特性。

4.6 发光二极管

发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光如图4-4所示为二极管实物图：

图4-4发光二极管

发光二极管原理：发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N 结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，假设发光是在P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

4.7 三极管

三极管的工作原理：:三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。

一、电流放大

下面的分析仅对于NPN型硅三极管。我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方

向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib 的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

二、偏置电路

三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V 时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流（叫做偏置电流，Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。

4.8 电磁继电器

如图4-5。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

图4-5电磁继电器

电磁继电器一般由电磁铁、险贴、弹簧片、触点等组成的，其工作电路由低压控制电路工作电路两部分构成。电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常闭触点”；处于接通状态的静触点称为“常开触点”。

4.9 变压器

如图4-6。变压器是电子电路，用来升压降压的电力变压器，变压器的原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。分别叫作变压器的次级线圈和初级线圈。

电流的方向和大小随时间变化的,变压器初级通上交流电时,变压器的铁芯中产生了交变的磁场（其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈），在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。

变压器的主要参数：电压比 n=U1/U2=N1/N2 效率η=P2/P1*100%额定功率 P

图4-6变压器图4-7桥式整流电路

4.10 桥式整流电路

桥式整流电路由四个二极管组成，如图3-6所示。

工作原理：U2正半周时:D1、D3导通，D2、D4截止；U2负半周时：D2、D4导通，D1、D3截止

主要参数：

输出电压平均值：U

L

=0.9U2

输出电流平均值:I

L =U

L

/R

L

=0.9U2/ R

L

流过二极管的平均电流：I

D =I

L

/2

二极管承受的最大反向电压：25V–1000V

4.11 CD4011

CD4011是常用的2输入四与非门集成电路。CD4011电气特性:

VDD电压范围：－0.5V to 18Ｖ

功耗：

双列普通封装 700mW 小型封装 500mW

工作温度范围：

CD4011BM -55℃ - +125℃

CD4011BC -40℃ - +85℃

CD4011内部结构框图如图4-8，CD4011功能表如图4-9，引脚图如图4-10。管脚功能：

1A 数据输入端 2A 数据输入端 3A 数据输入端 4A 数据输入端

1B 数据输入端 2B 数据输入端 3B 数据输入端 4B 数据输入端

1Y 数据输出端 2Y 数据输出端 3Y 数据输出端4Y 数据输出端

VDD 电源正 VSS 地

4-8 CD4011内部结构框图

4-9 CD4011功能表 4-10CD4011引脚图

4.12 迟滞比较器

迟滞比较器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的迟滞比较器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的迟滞比较器如图所示。一个迟滞比较器模组一般包括正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出(OP_O)。

图4-11 迟滞比较器符号

迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。

结论及展望

通过本周的课程设计，我掌握了有关水位控制电路方面的知识，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，培养了我认真思考的能力。在这次课程设计的撰写过程中，遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了在前期学习中我这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在此过程中，我得到了许多人的帮助。

首先，我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助。还有,我要感谢帮助过我的同学，他们帮我解决了很多我不太清楚的问题。使我的记忆力更加深刻，认识问题清晰，这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。才能顺利的解决每一个问题。

刚开始听到这个课题的时候，感觉心里很没有底气，因为我们没有接触到过这样的东西，但真正深入了解的时候。其实并没有那么难，并且它会使得你激发出你的好奇心，使你一步一步地喜欢上它，在实际生活中你会发现它的影子，这会更加激发我们的热情，让我们深入探索，逐步了解。所以我要努力学好基础知识，牢固掌握了所学知识，把自己所学的知识充分发挥出来。

不知不觉地一周的课程设计结束了，但是在这期间所学的知识和老师的指导却让我难以忘记。同时，让我感受到了集体的力量，同学的帮助，集体的温暖，深深印在了我的心里。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，受益良多。

参考文献

[1] 石磊，张国强.Altium Designer8.0电路设计[M].北京：清华大学出版社，2009.11.

[2] 康华光,电子技术基础（数电部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.7.

[3] 康华光,电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，1999.6.

[4] 门宏,555时基实用电路解读[M].北京：化学工业出版社，2012.3.

[5] 陈友卿,555时基实用电路原理、设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.9.

[6] 姚福安,电子电路设计与实践[M].山东：山东科学技术出版社，2001.10.

[7] 何小艇,电子系统设计[M].浙江:浙江大学出版社，2001.6

[8] 李银华,电子线路设计指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.6.

[9] 王澄非，电路与数学逻辑设计实践[M]，东南:东南大学出版社，1999.10

[10] 户川治郎,使用电源电路设计[M].北京：科学出版社，2005.6.

附录