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1、广西第二届电子设计竞赛1水位监测报警系统水位监测报警系统（A A 题）题）摘要本系统以数字电路与模拟电路结合组成，通过主控电路把模拟信号转化为数字信号，然后把数字信号传输给各个部分分别处理后进行显示与警报。该系统设计新颖、简易，灵敏度高，工作稳定，能够自动检测与显示当前水位、高低水位报警等功能。关键字：水位报警系统 数字模拟电路 编码译码驱动前言前言本系统是以双向模拟开关 CD4066 芯片为主导，辅以编码驱动、译码驱动等等一系列 COMS 芯片组成主控电路。在这里我们选用的编码驱动跟译码驱动分别是 74LS147 和 4511BD，门电路芯片有非门 74LS04，与非门 4011。 该电路具
2、有兼顾多种功能的特点，其能给出高低水位声光提示、能显示当前水位的高度等。并且该电路工作稳定性强，效率高，具有可动性，在现实生活中也能够得到灵活运用，例如在水库，家庭水塔等方面都可以应用。在设计本电路过程中，我们主要往生活实用的方向来设计，该电路结构简易，避免引入多种集成复杂电路模块，使人一看就不会觉得复杂难懂而感到头痛。由于作者水平有限，错误难免，敬祈专家和老师指正。广西第二届电子设计竞赛11、总体方案设计1.1 主控制系统设计方案一、利用 61 单片机设计。根据接收单元接收到的信号通过 IO 口传输给单片机主控芯片，经过程序处理后输出数字信号，经过译码电路处理后显示水位。逻辑如图 1.1 所
3、示：单片机程 序处理接收信号显示水位图 1.1 单片机设计框图方案二、利用数模组合电路设计。根据水的导电性给双向模拟开关集成电路 CD4066 芯片的控制端输入高电平以达到模拟开关的闭合，使整个电路通电与正常工作。其特征是：数模电路与接收单元直接相连，电路接有显示和报警系统。逻辑如图 1.2 所示：接收信号数模电路 信号处理显示与报警图 1.2 信号处理系统框图由于在单片机学习和程序编程上能力有限，而对比方案二而言，电路设计简单，原件常见，所要求的功能及发挥部分都较容易实现，经过比较及考虑，我们决定选用方案二来实现要求。1.2 报警系统设计，方案一、单片机语音系统。 基于 61 单片机语音控制
4、系统的实现，本语音控制系统由单片机及其外围系统组成，通过软件编程给本系统加入语音报警功能。方案二、蜂鸣器报警系统。蜂鸣器报警系统由蜂鸣器、一个三极管和一个电阻，三极管起到开关作用。系统设计起来简单，经济又实用。逻辑如图 1.3：.三极管导通电流信号报警图 1.3 报警系统框图单片机结合软件编程能实现语音播报功能，但我们程序编程上能力有限，而方案二电路设计简单，元件廉价，而且能够声音警报，基于能力上的限制，我们决定选用方案二来实现要求。2、单元模块设计2.1 水位监测模块设计我们选用一块简易带有探针覆铜板制成，该模块在结构设计上较为简单。电路设计如图 2.1 所示:01234567891110图
5、 2.1 探测模块设计2.2 数模主控模块设计主板上主要是由双向模拟开关 CD4066 芯片作为信号处理器，把接收到的信号转化为数字信号传输给各个部分。包括发光二极管、数码显示以及报警系统。图 2.2 给出的是一部分的电路图，其他部分原理相同。CNTL13 IN/OUT1OUT/IN2U1ACD4066BMJ1KR1Res2DS1LED1VCC 信信信信图 2.2 数模主控电路设计2.3 显示模块设计显示模块是由主板上给出的信号经过编码驱动以及译码驱动处理后输送到数码显示器显示出来。该模块主要元件选用 74LS147、4511BD，门电路广西第二届电子设计竞赛374LS04、与非门 4011
6、等芯片集成电路组合，信号经过门电路的处理传输给编码器，在用门电路处理后译码显示出来。电路如图 2.3 所示，BT1Battery1234567891011P1Header 11A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10DS1Dpy Amber-CAA1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10DS2Dpy Amber-CA1KR3Res21KR4 Res21KR5Res21KR6Res21KR7Res21KR8Res21KR9Res2Q1 2N39041KR1 Res21KR2Res2I111I212I313I41I52I63I74I85I910A9B7C6D14VCC16GND8U1SN74
7、LS147N12U3ASN74LS04N34U3BSN74LS04N56U3CSN74LS04N89U3DSN74LS04N1011U3ESN74LS04N1213U3FSN74LS04N12U4ASN74LS04N34U4BSN74LS04N56U4CSN74LS04N89U4DSN74LS04N1011U4ESN74LS04N123U5ACD4011BMN564U5BCD4011BMN8910U5CCD4011BMN121311U5DCD4011BMN123U6ACD4011BMN564U6BCD4011BMNA7B1C2D6LE5BI4LT3a13b12c11d10e9f15g14VDD
8、16GND8U2MC54HC4511J图 2.3 数码显示模块电路设计2.4 电路总框图接收模块把接收到的信号传输给数模电路，电路把模拟信号转化为数字信号，然后把数字信号传输给显示部分以及声光报警部分，分别处理后进行显示与警报。整体电路逻辑如图 2.4 所示：信号接收数模电路 信号处理数码显示声光报警图 2.4 电路总框图3、系统调试3.1 测试仪器万用表、刻度尺、电路软件仿真系统万用表主要用来测量电阻值和检查电路是否正常导通，刻度尺用来测量水位的精确度，电路软件仿真系统用来检验电路的可行性。3.2 系统调试每个电路内部有 11 个独立的模拟信号传送开关，当容器里无水或水位低于5 厘米时，由于
9、 180K 电阻的作用，使 11 个开关的控制端为低电平。开关断开 LED 不发光，第一块 IC 的 1 脚为高电平，三极管导通，峰鸣器发出警报。随着水位的增加，由于水的导电性，故使得第一块 IC 的 13 脚为高点平，第一个开关接通，1 脚变为低电平，LED1 发光，蜂鸣器停止警报，同时，数码显示部分显示当前水位为 5cm。当水位逐渐增高时，由数模电路内部自动控制作用，发光二极管依次指示当前水位，同时数码管也会显示当前水位值。水满时，第三块 IC 的 6 脚为高电平，三极管再次导通，蜂鸣器发出警报，同时 LED11 发光，数码管显示水位为 15cm。软件仿真如图 3.1 所示：U174LS1
10、47DA9 B7 C6 D14313 41 52212111857463910U24511BD_5VDA7 DB1 DC2 DD6OA13OD10 OE9 OF15OC11OB12OG14EL5 BI4 LT3U3A74LS04DU3B74LS04DU3C74LS04DU3D74LS04DU3E74LS04DU3F74LS04DU4A74LS04DU4B74LS04DU4C74LS04DU6A B C D E F GCK123567R120 809101112131415160J1VCC 5VU8A B C D E F GCK4R220 035VCC 5VVCC1819202136U10B74
11、LS04DJ2AKey = A 30313233J3A Key = S VCCQ1BJT_NPN_4T_VIRTUAL48R31k 44U15A4011BD_5VU15B 4011BD_5VU15C4011BD_5VU15D4011BD_5VU16A4011BD_5VU16B4011BD_5V2541U5B74LS04N39503834474622452324294351图 3.1 显示模块软件仿真4、系统功能以及参数本系统在通电后无人的情况下能够自动的检测水位以及高低水位警报，在低水位（5cm 以下）的时候，警报系统蜂鸣器发出“滴、滴”的声音提示，发光管全灭，数码管没有显示；在水位逐渐增加以
12、后（达到 5cm 以上） ，蜂鸣器停止警报，发光管随着水位的增加逐个点亮，数码管显示当前水位高度。当水位达到 15cm 以上（包括 15cm）时，发光管全部点亮，蜂鸣器再度发出警报，数码管显示为 15。广西第二届电子设计竞赛5功能参数记录表水位高度小于5cm5cm515cm15cm二极管发光情况不发光发光逐次发光发光蜂鸣器是否报警是否否是数码管显示05当前水位1574LS147 真值表4、结论对于此次竞赛我们选用双向模拟开关集成电路 CD4066 为核心部分，采用水的导电性给控制端提供电平输入，实现声光警报与数字显示两大板块。系统的基本功能达到基本要求，其中分辨率指标达到发挥要求。在当今越来越
13、趋向于自动化的社会，该系统的可用性及简易性更加能取得广泛的应用。通过这次竞赛我们从中学到了许多东西，也了解到在电子制作方面的很多独特发明。他们得发明并不是偶然取得，而是通过长期的学习积累，我们也学到了他们那种坚决不放弃得制作精神。参考文献：1 汪红等， 电子技术 ，电子工业出版社2 微电子技术附录一：数模电路总图CNTL13 IN/OUT1OUT/IN2VDD14GND7U1ACD4066BMJ CNTL5 OUT/IN3IN/OUT4VDD14GND7U1BCD4066BMJ CNTL6 IN/OUT8OUT/IN9VDD14GND7U1CCD4066BMJ CNTL12 IN/OUT11O
14、UT/IN10VDD14GND7U1DCD4066BMJCNTL13 IN/OUT1OUT/IN2VDD14GND7U2ACD4066BMJ CNTL5 OUT/IN3IN/OUT4VDD14GND7U2BCD4066BMJ CNTL6 IN/OUT8OUT/IN9VDD14GND7U2CCD4066BMJ CNTL12 IN/OUT11OUT/IN10VDD14GND7U2DCD4066BMJCNTL13 IN/OUT1OUT/IN2VDD14GND7U3ACD4066BMJ CNTL5 OUT/IN3IN/OUT4VDD14GND7U3BCD4066BMJ CNTL6 IN/OUT8OUT
15、/IN9VDD14GND7U3CCD4066BMJ CNTL12 IN/OUT11OUT/IN10VDD14GND7U3DCD4066BMJ1KR1Res11KR2Res11KR3Res11KR4Res11KR5Res11KR6Res11KR7Res11KR8Res11KR9Res11KR10Res11KR11Res11KR12Res11KR13Res11KR14Res11KR15Res11KR16Res11KR17Res11KR18Res11KR19Res11KR20Res11KR21Res11KR22Res11KR23Res11KR24Res1DS1LED0DS3LED0DS2LED0DS4LED0DS5LED0DS7LED0DS8LED0DS6LED0DS10LED0DS12LED0DS9LED0DS11LED0BT1 BatteryD1Diode 1N4148D2Diode 1N4148LS1Speaker1KR100Res2Q1 2N39041 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26P1Header 13X2A附录二：数模电路软件仿真图
