简易水塔水位控制电路电子课程设计Word版
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Vs
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(s
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S 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