简易水塔水位控制电路电子课程设计

目录

1 概述 (2)

2 系统总体方案设计 (3)

3 主要单元电路设计 (5)

3.1 电源电路 (5)

3.2 水位检测电路和水位围测量电路 (5)

3.3 水泵开关电路及显示电路 (7)

4 元器件选型 (10)

4.1 水压传感器 (10)

4.2 比较器 (11)

4.3 稳压管 (12)

4.4 稳压芯片 (12)

4.5 普通二极管 (13)

4.6 发光二极管 (13)

4.7 三极管 (14)

4.8 电磁继电器 (16)

4.9 变压器 (17)

4.10 桥式整流电路 (18)

4.11 CD4011 (18)

4.12 迟滞比较器 (20)

结论及展望 (20)

参考文献 (22)

附录 (23)

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围：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的围，也就可以调节水位控制围。

水位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

水位围测量电路的功能有两个：

1 确定实际水位和水位控制围的大小关系；

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。

A

B

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，V1和V2输出都为高电平；当Vs> VREF2而Vs< VREF2时，V1输出为高电平，而V2输出为低电平；当Vs1> VREF且Vs2> VREF时，V1和V2输出都为低电平。

由于水泵过的都是大电流，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