简易水位控制器

University of South China

电子技术课程设计说明书设计题目：简易水位控制器

专业：电气工程及其自动化

年级：08级

学号：

姓名：

指导教师：

2011年 1 月13日

南华大学电气工程学院

《电子技术课程设计》任务书设计题目：简易水位控制器

专业：电气工程及其自动化

电子技术课程设计任务书

一．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

简易水位控制器设计

1、简便水塔水位控制器具有四个水位检测输入，由低到高分别为H1、H

2、H

3、H4；380V交流驱动功率为10KW的水泵电动机分别为M1、M2；控制器根据水位状态控制水泵工作。

2、控制要求

（1）在各水位检测点，应能准确可靠地检测出水位状态，报选用的传感器要求不受长期水泡工作环境影响；

（2）当水位低于H1时，M1与M2同时工作；当水位高于H4时，M1与M2同时停机；

（3）当水位由H1上升到H3时，关掉M1；

（4）当水位由H4上升到H2时，打开M1；

3、备用泵控制要求

当两台工作水泵任一台发生故障时，应能检测出故障，并使备用水泵投入工作，备用水泵投入后，对故障水泵有相应指示。

4、主电路及控制电路设计

二．对课程设计成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：

设计电路（主电路及控制电路），安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。

三．主要参考文献：

[1]谢自美。电子线路设计、实验、测试[M]华中理工大学，2001

[2] 彭介华. 电子技术课程设计指导[M]. 北京：高等教育出版社，1997

[3] 康华光，数字电子技术，北京：高等教育出版社，1998

[4] 陈明义. 电工电子技术课程设计指导[M]. 长沙：中南大学出版社，2002

[5]电机拖动

目录

引言 (1)

1 系统概述 (1)

1.1 任务分析与设计方案确定 (1)

1.2 功能模块的划分及其实现方法 (2)

1.3 整体方框图及工作原理 (2)

2 单元电路设计 (4)

2.1 降压整流电路设计 (4)

2.1.1工作原理 (4)

2.1.2主要元器件参数选择 (5)

2.2 控制电路设计 (5)

2.2.1工作原理 (6)

2.2.2主要元器件参数选择 (9)

2.3.1工作原理 (10)

2.3.2元件和设备参数选择............................................. - 10 -2.4 电机控制和保护电路设计........................................... - 11 -2.4.1工作原理分析................................................... - 11 -2.5整体元器件清单................................................... - 14 -2.5.1“弱电”部分元器件清单.......................................... - 14 -

2.5.2“强电”部分元器件清单.......................................... - 15 -

3 设计总结............................................... - 15 -3.1 结论................................................. 错误！未定义书签。

3.2 本设计方案的优缺点............................................... - 15 -3.3 心得体会......................................................... - 16 -参考文献................................................. - 17 -附录.. (18)

摘要

本课程设计的简易水位控制器，是对过去理论知识学习的一个实践检测。基

于对555芯片的了解和低压继电器的学习，本设计采用NE555芯片结合继电器和接触器及浮力开关来实现水位的检测与对电机的自动控制和保护。设计中使用Multisim软件对芯片控制电路进行仿真，并附有仿真结果。本课程设计说明书，主要介绍了本设计是如何运用数字电子及其他相关技术实现水位的控制，并详细介绍了各功能块的实现方式和原理，以及所用到的元器件等。

关键字:

水位控制 NE555 继电器浮力开关数字电子

引言

本课程设计使用数字电子技术和继电器、接触器等相关知识，实现对水位对电机的控制。在设计中，由于考虑到设计周期等限制，以及任务的布置，仅仅设计了一个原始系统来达到题目要求，在设计中使用Multisim仿真软件对系统可行性进行分析，并尽可能考虑到在实际运行中可能出现的问题，保证设计出的产品能够正常运行。但是由于知识和能力有限，其中有诸多不完善之处还需改善。

1 系统概述

水位控制器是日常生活中常见的自动化装置。本课程要求运用数字电子技术等知识设计一台水位控制器。根据设计要求，此系统采用强弱电结合。弱电部分由降压整流电路、555触发电路（NE555）、继电器（KA）和浮力开关等组成。其中降压整流电路为整个控制电路提供直流电压，触发电路NE555根据其触发特性对水塔所处的水位进行检测。强电部分由熔断器、交流接触器（KM）和电机等设备构成。

1.1 任务分析与设计方案确定

本课程设计的主题是设计一个简易水位控制器。水位控制器是运用电力电子相关技术完成水位的检测和控制电机的启动与关闭，以及故障电机的保护和备用电机的投入等一系列自动化工作。从任务的控制要求来分析，设计的系统需要在指定的水位实现两台电机的启动与关闭。水位（低到高H1～H4）与电机的开与关的具体关系如表1-1所示。

水位与电机的开与关的关系表1-1

主电机触发水位

M1 M2

水位上升↑水位下降↓水位上升↑水位下降↓

H1 开开开开

H2 开开开关

H3 关关开关

H4 关关关关由表可知，两台电机在水位下降与上升时从H2到H3的开与关是不同的，所以使用两个芯片分别负责控制两个电机。在众多芯片中采用NE555芯片构成RS 触发器作为控制部分的核心。由于控制部分涉及芯片和小功率继电器线圈，所以必须使用小于24V的电压源驱动，而电机电动机要求10KW的功率，必须采用三相异步电机，故需要三相电源驱动。那么弱电部分可以从220V市电中采用降压变压器取得电能，强电的控制部分可以使用直接从与电机连接的三相电源中引出两相与降压变压器高压端相连的方式获得220V电压。

控制部分还必须对电机拖动部分进行控制，那么可以使用中间继电器做强弱

电的桥梁来实现弱电对强电部分的控制。但对于电机故障和备用电机的投切问题，可以在电机控制部分配置交流接触器结合熔断器来实现该要求。

此外，在水位检测输入端口的设计上，为了保证了检测端口不会受到长期水泡的影响。故采用金属不锈钢等抗腐蚀材料，和利用浮力原理控制导线闭合的低压器件作为检测端口。

1.2功能模块的划分及其实现方法

现根据前文的任务分析，对本设计的功能块划分和实现方式进行具体的阐述。弱电部分划分如下：

(1)降压整流电路：直接总电网供电，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。

(2)控制电路：采用两个NE555芯片分别构成RS触发器作为核心控制部分。输入

端与检测水位的浮力开关相连，输出端与继电器相连。而中间继电器的作用正是在回路中实现用小电流、低电压来控制大电流、高电压设备。所以采用小功率中间继电器作为两者的纽带。

(3)水位检测电路：采用市场上流行的浮力开关放置在水塔的指定水位处。开关

两端分别与电源正极和555芯片管脚连接

强电部分划分如下：

（1）电源电路：课程任务的要求是使用3台10KW水泵电动机，由于电机功率较大，必须采用三相异步电机与电网相连。电机控制电路则直接从高压端与电网中的两相连的降压变压器获取220V电压。在每个部分电路与电源直接相接处串联保险丝以保护设备。

（2）电机保护电路：电机有三台，两台为主电机，一台为备用电机。为了起到保护电机的作用，该电路采用带脱扣器的断路器做过载和短路保护，使用与每相相连的电流互感器与电流继电器并联的方法做断相保护。

（3）电机控制电路：此部分电路中配置熔断器开关和交流接触器线圈来实现相应其他电路对所控制电机的启动与停机以及备用电机的启动。此外，还设置了手动开关以便实现电机启停的人工操作。在每个部分电路与电源直接相接处串联保险丝以保护设备

（4）电机故障检测与备用电机启动电路：此部分并结合几个继电器和延时继电器的互相配合实现备用电机的投入和故障电机的指示。同样，在每个部分电路与电源直接相接处串联保险丝以保护设备。

1.3 整体方框图及工作原理

（1）本设计的原理方框图如图1-1所示

简易水位控制器原理方框图图1-1

（2）总体工作原理介绍

①水位监测与控制原理：这里仅对M1电机启停控制进行简要分析，M2电

1Vcc 机的控制同理可得。为了叙述方便，以下2、6脚呈高电位是指输入电压呈>

3 2Vcc。

和>

3

当液面低于最低水位H1时，所有的浮力开关都断开，此时NE555芯片的2、6脚都呈低电位，则输出为高电位，此时，两端分别接在NE555芯片输出管脚和地线的继电器（KA1）线圈得电，并带动安装在两台主电机控制部分的常开触点闭合，使得与之串联的交流接触器（KM1）的线圈得电，同时带动其对应的常开触点闭合，使得M1电机和电网相连，电机得以启动。当水位达到H2后（即浮力开关1、2闭合），NE555芯片的2脚呈高电位，6脚呈低电位，此时输出端状态保持，仍呈高电位，电机保持运转。

当液面高于水位H3时，NE555芯片的2、6脚都呈高电位，输出端电位立即变为0V，使得继电器线圈两端电压为0V，电机控制部分的常开触点复原，使得与之串联的交流接触器（KM1）的线圈无电流通过，导致对应的常开触点断开，使得M1电机和电网断开连接，电机停机。

但液面高于最高水位H4时，浮力开关4闭合，NE555芯片的复位端电位从Vcc立即降为接近0V，使得芯片复位，输出电压为0V，同理可知电机停机。

②电机故障检测与备用电机的投入原理：

正常运行的电机出现故障一般是三相短路、过载、缺相。本设计使用带电磁脱扣器的断路器QF做过载和短路保护，使用电流互感器和电流继电器并联做断相保护。当任何一个电流继电器得电，使得串联在电机控制电路的常开触点断开；串联在备用电机启动电路的常闭触点闭合（原来线圈带电时是断开的），导致同

样在一条支路的继电器（KM ）线圈失电，导致与电机与电网相连的继电器触点断开，故障电机停止运转，同时实现了故障的指示和备用电机的启动功能。 2 单元电路设计

2.1 降压整流电路设计

该部分由降压一个变压器TF1、四个1N4002型的二极管构成桥式整流电路、一个电容C3组成。其作用是为弱电部分的控制电路提供直流稳压电源。电路图如图2-1所示。 TF11TO1

C3

220u 电容滤波电路

1N4002～12V ～220V

降压整流电路图 图2-1

2.1.1工作原理

原理如图2-2所示。接通电源后，交流电流经降压整流部分，当输入交流电压为正半周时，对D1、D3加正方向电压，使得Dl 、D3导通；对D2、D4加反方向电压，D2、D4截止。电路中构成Es 、Dl 、U1、D3通电回路，在U1 ，上形成上正下负的半波整流电压。Es 为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成Es 、D2、U2 、D4通电回路，同样在U2 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

由于整流后的直流实际是脉动的，也就是直流的波形不是平直的，因此使用大容量电容并联在电路中，在电压的波峰时储能，在波谷时放能，使脉动的直流电压波形接近平直。

降压整流电路原理图图2-2

2.1.2主要元器件参数选择

（1）降压变压器TF1的选择

控制变压器一般用于降低控制部分电路电压，以保证控制电路的安全可靠。本设计根据以下两个原则选用变压器容量。

1）根据控制电压的最大工作负荷时所需要的功率进行选择，以保证变压器在长期工作时不至于超过允许温升。

2）变压器的容量应能保证部分吸合的电器，在启动其他电器时，仍能可靠吸合，同时又能保证将要启动的电器也能启动吸合。

根据以上原则选择的变压器参数如表2-1所示

所选变压器参数表2-1

型号输入电压输出电压输出电流

TF66×32 110V/220V 12V 3A （2）滤波电容C3的选择

滤波电容的选择适合恰当直接影响到弱电部分电路能否正常运行。常用的滤波电容为瓷介质电容，这里选择型号为X7R（稳定型）瓷介质电容，其大小为220 。

2.2 控制电路设计

本设计的控制电路由两块NE555芯片、两个电容、四个NPN型三极管、两个1N4002型的二极管、两个发光二极管LED、四个接触器和14个电阻构成。电路图如图2—3示。

控制电路原理图2—3

2.2.1工作原理

NE555芯片是整个控制电路的核心，所以在阐述原理前，先简单介绍NE555系列芯片。

（1）NE555系列芯片简介

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。

①NE555的特点有：

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

②NE555引脚图和功能表

NE555芯片管脚图如图2-4所示。各管脚的配置说明如表2-2所示。功能表如表2-3所示。

TRIG 2

Q 3R 4

5THR

6V C C 8G N D 1

7IC1

NE555

NE555功能—管脚图（左：Protel 的元件库中；右：实际芯片） 图2-4

NE555管脚配置说明 表2-2 Pin 1 （接地）

地线，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 （触发点）

这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC ，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 （输出）

当时间周期开始555的输出脚位。周期的结束输出回到0伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 （重置） 一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到

一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin 5 （控制） 这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经

营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输

出频率。

Pin 6 （锁定） 当这个接脚的电压从1/3 VCC 电压以下移至2/3 VCC 以上时

启动这个动作。

Pin 7 （放电） 这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出

为ON 时为LOW ，对地为低阻抗，当输出为OFF 时为HIGH ，

对地为高阻抗。

Pin 8 （V +）

这是555个计时器IC 的正电源电压端。供应电压的范围是

+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

555系列芯片功能表 表2-3

（2）NE555芯片控制电路工作原理

对NE555芯片功能有了初步的了解后，我们开始分析本设计的控制部分电路的工作原理。

控制电路由两个NE555芯片构成，IC1专门控制M1电机电动机，IC2专门控制M2电机电动机。接通电源后，两个NE555芯片通过8脚获得电能，其Vcc=12V 。本设计通过Multisim 仿真软件对控制电路进行仿真，并测定相应的电位。（仿真电路见附录）。水位开关的闭合对芯片的输出端电位的影响规律如下。

1）水位低于H1时

①M1电机：当水位低于最低水位H1时，所有的浮力开关都是断开的，此时

IC1的管脚2的电位为：2.264V （<31Vcc ）；管脚6的电位为：6V （<3

2Vcc ）;可知此时555的输出端3脚的电位为Vcc 。

②M2电机：当水位低于最低水位H1时，所有的浮力开关都是断开的，此时

IC1的管脚2的电位为：0V （<31Vcc ）；管脚6的电位为：6V （<3

2Vcc ）;可知此时555的输出端3脚的电位为Vcc 。

2） 水位高于H4时

当水位高于最高水位H4时，所有的浮力开关都是闭合的，此时两个芯片的管脚2和管脚6的电位都为12V ；当H4的浮力开关闭合的时候，导致控制电路中的三极管Q1的基极从原来的负电位变为正的电位，三极管导通，使得集电极由原来的12V 变为13.1mV ，同时，接在三极管集电极的管脚4电位由高迅速变为接近0V ，当管脚4（重置脚）为0V 时（本系统仿真测得为13.1mV ，为三极管管压降），无论管脚2、6的电位如何，都会对555芯片强制复位，使得两个芯片的输出电压都为0V 。

3） 水位由H1上升到H3的过程中

① M1电机：当水位从H1上升到H3的过程中IC1的管脚2的电位始终为：

12V （>31Vcc ）；管脚6的电位为：6V （<3

2Vcc ）;可知此时555的输出端3脚的电位保持原来状态不变。

② M2电机：由于IC2只有管脚2与水位H1的浮力开关相连接，故只会受到此浮力开关的开闭影响。因此，从水位低于H1开始到H4的过程中，IC1的管

脚2的电位始终为：12V （>31Vcc ）；管脚6的电位为：6V （<3

2Vcc ），可知此时555的输出端3脚的电位保持原来状态不变。（故以下水位上升的状态不在分析IC2的情况）

4）水位到达H3时

当水位到达H3时该水位的浮力开关闭合，同时水位以下的所以浮力开关也

是闭合的。那么，此时IC1的管脚2的电位为：12V （>3

1Vcc ）；管脚6的电位为：12V （>3

2Vcc ）;可知此时555的输出端3脚的电位为0V 。 5）水位由H4下降到H2的过程

此过程与水位H2上升到H4时IC1芯片的管脚电位情况一致，M1电机的状态也相同。而M2则由于实现了复位脚电位的锁定而处在关机状态，直到水位低于H1后才解锁，重新启动。

以上只分析了水位对两个NE555的输出脚电位的影响规律，接下来介绍输出脚电位怎样控制电机启停。

在输出端和地线之间配置一个小功率中间继电器（KA1、KA2）。输出端输出高电位（等于Vcc ）→中间继电器的线圈得电→配置在电机控制电路的触点闭合→相应的控制回路导通→电机启动。当输出为低电位（0V ）同理可得，具体可参看电机控制部分原理说明。

2.2.2主要元器件参数选择

（1）NE555芯片参数功能特性：

① 供应电压4.5-18V

② 供应电流3-6 mA

③ 输出电流225mA (max)

④ 上升/下降时间100 ns

（2）中间继电器参数选择

为了满足控制电路的要求，本设计在综合考虑了控制电路的电压等级、触点数量、种类等因素后，选择封闭式小功率小型继电器，具体型号参数如表2-2所示。

中间继电器参数表表2-4

型号线圈电源线圈功率触点额定电流触点额定电压JRX-13F-16-110V0.5W5A250V

2.3 水位开关设计

2.3.1工作原理

为了能在相应水位触发控制电路的NE555芯片，浮力开关被安装在要求水位稍微低一些的水塔壁上，为了确保长期浸泡不会影响正常工作，设计中将与之相连接的导线外层包裹了抗腐蚀的树脂膜。浮力开关的原理是：水位淹没浮力开关→浮球上翘→带动内部连杆使得导线闭合→电路接通。

浮力开关两端与NE555芯片的2或6引脚和电源正极相连，当电路接通后，将给芯片的引脚输入数值为Vcc的电压信号。如图2-5.。

图2-5

2.3.2元件和设备参数选择

浮力开关又称液位开关，常用的浮力开关有浮球式、静压 ( 或差压 ) 式、

电容式、超声波式等。本课程设计要求开关能够长期浸泡不影响正常工作。此外，水塔中的水一般化学性质稳定，水压不大，而且测量精度不高，故这里选择浮球式浮力开关。具体型号是上海质诺电子科技有限公司生产的SC-F系列浮力开关SC-F系列浮力开关工作原理是：侧装浮球液位开关侧装式浮球开关是利用液体浮力原理，当浮球因浮力作用而上下运动时，接线盒内的磁簧开关（或微动开关）受到臂端磁铁影响，而作“NC”接点与“NO”接点之互换。

具体元件参数的选择见表2-5

本设计所选浮力开关参数表2-5

型号材质安装方式牙口规格最高耐压接线壳保护等级SC-F75 PVDF、PP 侧装、上装1-1/2、BSP 50kg/cm IP-65

2.4 电机控制和保护电路设计

电机控制电路属于强电，主要作用是对两台主电机的启停控制和故障检测以及备用电机的启动。其主要由无回复开关（旋钮开关）、中间继电器触点、交流接触器、电流互感器、电流继电器、熔断丝、降压变压器、断路器、三相异步电机等构成。

2.4.1工作原理分析

（1）电源电路

由于设计任务要求采用380V交流供电的10KW电机，故本系统选用三相异步电机。而控制电路接在220V电压下，故通过交流接触器进行控制，并通过降压变压器从电网中的两相获得电能。

（2）M1、M2、M3电机控制电路

M1、M2电机为水塔的主电机，担负着整个系统的运行重任。为了实现对380V 电机拖动电路的控制，本设计采用交流接触器（KM）。

其原理是：接触器的线圈是接于低压设备的控制回路中，当线圈两端电压达到额定值的70%以上时，使铁心磁饱和吸合衔铁，同时带动其主触点接通主电源至电气设备，当接触器的线圈失电后衔铁释放，主触点断开切断设备主电源。利用交流接触器的原理，本设计将其线圈串联在控制电路中，对应触点两端分别接电网和电机。工作原理如下：当弱电控制部分的中间继电器得电→电机控制部分的继电器触头（KA1、2、3）闭合→与之串联的交流接触器线圈（KM1、2、3）得电能→对应的主触头（KM1-1、KM2-1、KM3）闭合→对应的回路得电，电机启动；同时停机指示灯熄灭。

M1 电机控制电路如图2-6；M2电机控制电路如图2-7。M3电机控制电路如图2-8所示。

图2-6

图2-7

备用电机控制电路2-8

（3）故障检测、保护电路

随着电机的投入使用时间增长，可能出现各种影响其正常运行的故障，在本课程设计中，我们只考虑有限的几个可能的出现典型问题，例如过载问题，短路现象，断相情况。

主电机故障检测电路如图2-8所示。电机拖动部分电路如图2-9所示。现配合图2-8图2-9对以上三种情况的控制分述如下：

①过载、短路保护

在设计初期，是使用热继电器实现保护，但在检索资料过程中得知热继电器不适合作重复短时工作制的笼型和绕线转子异步电机的过载保护，故仅仅通过连接在电机和电网之间的带脱扣器的断路器QF以及三相熔断丝来实

现。

②断相保护

通过3个互感器并联与一个电流继电器KA5、KA6、KA7连接实现断相保护。正常时，三相的电流之和为零，无电流流过电流继电器，电流继电器在电机控制电路中的常闭触点保持闭合状态，当三相缺相时，不平衡的电流流经电流继电器，使得常闭触点断开，电机停机，从而防止电机缺相运行。

图2-9