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1、课 程 设 计设计名称 水塔水位控制器的设计全套设计加扣3012250582 学年学期 2013-2014（上） 课程名称 电子技术课程设计 专业年级 电气112 姓 名 学 号 提交日期 2014.1.3 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院水塔水位控制器目录1设计任务与要求42方案比较与论证521各种方案比较与选择522方案证论53总体设计框图64选择器件65单元模块设计851信号产生部分852信号处理部分953水位显示电路1054 电机控制电路1055 报警控制电路126最终电路以及仿真结果137结论148设计总结15参考文献16附 录17致 谢21水塔水位控制器设计摘 要在工农业生产过
2、程中，经常需要对水位进行测量与监控。水位控制在日常生活中的应用也相当的广泛，比如水塔，地下水，水电站等情况下的水位控制。而实现水位监测可以有多种方法实现，比如机械控制，逻辑电路控制，机电控制等。本文采用数字电路进行主控制。在水塔上安装一个自动测水装置。利用水的导电性能，连续地全天候地对水位进行监测，把测得的水位变化转换成相应的电平信号，主控电路根据电平信号经74LS147编码器编码后，对电机进行控制。以完成相应水位显示、故障报警等一些任务。完成对水塔水位的控制。关键词： 水位控制 数字电路 74LS147 编码器 1设计任务与要求11设计并制作一个水塔水位控制器该控制器具有四个水位检测输入，由
3、低到高分别为H1、H2、H3、H4；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。12控制要求1水位检测，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；13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14题目评析该题目的选取充分考虑到水位控制器在现实生活中的广泛应用，结合生活经验以及所学知识。利用74LS147编码器实现了对水位的监控和电机控制。该电路简
4、单明了，难点在于逻辑电平信号的产生，以及编码器逻辑电路的设计。该设计具有使用简单，性能可靠，制作成本低廉，便于实现自动化等一系列优点。该控制器适用性强，抗干扰能力强等优点。2方案比较与论证21各种方案比较与选择方案一：通过浮球开关来控制水位。利用电缆式浮球开关，通过一弹性电线与水泵连接。该控制器浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤维状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。使用寿命相对短些，而且多数直接接220V,存在一定的安全隐患终有一天因为电线破损而漏电伤人。方案二：采用555电路的电子水位控制器，该控制器采用555定时器作为主控电路的核心，该方案在555定时器的设计
5、上比较难以实现。方案三：基于74LS147编码器电路实现水位控制。该电路在实现过程中，相对简单，成本低，可靠性高，安全便捷。因此将该方案确定为最终方案。22方案证论该方案是基于74LS147编码器电路实现水位控制。当水位处于不同水位时，把测得的水位变化转换成相应的电平信号，主控电路根据电平信号经74LS147编码器编码后，实现对电机进行控制。以完成相应水位显示，故障报警等一些任务。完成对水塔水位的控制。方案电路简单，实现简单，在同类功能的控制器中，成本低廉，可靠性也能满足一般用户的基本要求。每部分电力都有其相应的功能：首先由信号产生部分产生整个电路的输入信号，该信号经过信号处理部分处理后输出其
6、他电力的控制信号，控制其他电力工作：电机控制电力部分接受到由信号处理电力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，而水位的变化又直接关系到信号的产生，因此有一个循环的过程，即使水位保持在一定范围内；水位显示电路接受到有效信号后驱动显示器工作使其显示该时刻的水位；水位超限时输出为报警电路的有效控制信号使报警电路工作驱动报警器报警。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总体设计框图由任务分析可知，该设计电路主要有三个功能：电机控制、水位显示与报警。而要有这些功能就必须要有使其工作的控制信号，所以首先就必须要有输入信号，因为任
7、务要求是自动控制所以输入信号也必须由电路自己产生而不能人为加入。水位控制器主要由水位传感器、电源电路和控制电路三部分构成。整体电路框架如下图所示。 图 3.1电路设计图4选择器件1）本次课程设计所用器件如下表： 表4.1 元器件型号名称数目74LS04非门474LS08两输入与门274LS20四输入与非门274LS147优先编码器274LS32两输入与门2图4.2 74LS147逻辑符号2) 74LS147为优先编码器，在同时输入多个数字时，只对最大数字进行编码其功能表如下图。表4.3 功能表3）非门的应用当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平。因此输出与输入的电平之间
8、是反向关系。 4）或门的应用 或门是实现或运算的门电路，当输入中有高电平时输出等于高电平，而输入中全为低电平时输出等于低电平。 5）与门的应用与门是实现与运算的门电路，当输入中有低电平时输出等于低电平，而输入中全为高电平时输出等于高电平。5单元模块设计各单元模块功能介绍及电路设计51信号产生部分 该部分的目的是产生有效的输入信号。主要原理是利用水的弱导电性。水属于弱导电质，即使这样也可以通过水来传递微弱的电信号。鉴于此原理，初步将该部分设计成由水面的上升与下降来控制电信号的接通与断开：当水位上升时接通电信号；当水位下降时断开电信号。按此析，只要在水塔里放上用来传递电信号的探头，则水位上升到探头
9、位置时接通电信号；水位低于探头位置时断开电信号。把电信号接通时设为有效信号即当作控制信号。在水塔的不同放置几个探头时就可以根据水位的高低接通某些探头和断开某些探头。因此只要知道每个探头的具体位置，在根据其输出电信号的情况就能大致确定水位的位置，将探头输出的电信号当作输入信号经过处理后成为电路的控制信号。 设计该部分主要在于探头个数的选择与探头放置位置的选择。因为探头的个数直接关系到水位检测的精确度：探头个数越多检测点也就越多检测水位就越准确。但如果探头太多就会给其他电力设计带来麻烦：一个是信号处理的输入端要多，一个是水位显示也要相应的增加，加大了工作量。根据任务设计的要求，一水塔有四水位，令该
10、水塔水位低于1时报警，因此可以将探头个数设计为4个，分别检测4个点的水位。 图 5.1 信号发生器52信号处理部分该部分主要是对输入信号进行处理输出其他电路的控制信号。由于水的导电性十微弱，由公共端通过探头的电信号会很小，不一定能够成为满足电路工作的控制信号，因此有必要先对输入信号进行放大处理。根据元器件的功能可知，晶体管具有放大、饱和和截止三种工作状态，可选用一种状态输入信号进行处理。图5.2信号处理电路由探头出来的电信号输入到信号输入端，由信号输出端输出。当有电流从公共电极流入探头时，经过电阻R到达晶体管Q的基极，此时三极管的发射结合集电结电压都正偏。当发射结电压超过三极管的导通电压时，由
11、晶体管的工作条件可知此时其处于饱和状态，即相当于开关的闭合状态，接通集电极与发射极，使集电极输出低电平。只要涉及电阻R的阻值合理，就能比较稳定地使晶体管工作。53水位显示电路该部分主要是用74LS147将信号编为四水位由数码管显示出来其电路图如下图5.4.2 水位数码管显电路仿真图54 电机控制电路该部分为整个设计电路的重点部分，也是难点部分。主要目的即是要靠那个值电机的工作通过控制电机的工作来控制水位，这也就是本实验的主要设计目的。由任务的设计要求：要将水塔的水位控制在1-4水位。即水位低于1时使两台电机工作升到3时使一台电机停止工作，水位升到4时两台电机停止。而由信号产生部分设计可知，要将
12、电信号1，3和4设计为控制电机转动和停止的控制信号。而该电信号通过编码处理后输出为四位二进制码0001，0011和0100所以就是要使输出信号为0001，0011和0100时控制电机工作。表5.4.1电机控制逻辑电平真值表ABCM1M20001110011010111100100100图5.4.3电机控制电路由电路图可知，该电路主要由三个部分组成：两输入与门、或门、电机。电机, 电路工作原理：假设刚开始水塔的水位在1时，使两台电机接通工作抽水，当水位上升到3时，关掉一台电机，当水位上到4时关掉两台电机，当为0001,0000,0010，时两或门输出均为一，两电机工作，当信号变为0011时上边或
13、门输出为0，下边或门输出为1，一台电机停止工作，当信号变为0100时，两或门输出0，电机全部停止工作。该电路所用的元器件已经标在图上。反相器7404，或门为071，与门为7400。55 报警控制电路 根据任务设计要求只要将编码处理输出的信号DCBA为0000时设为报警电路的控制信号即可。该电路主要由四输入与非门、反相器、或门、报警器构成。 当水位低于1时编码器编码输出的信号DCBA为0000 ，再经过反相器输入到四输入或非门输入端后输出为低电平再经过反相器后变为高电平。该高电平通过或门后驱动报警器工作，报警时备用电机开始工作，损坏电机支路指示灯熄灭。因此可以通过报警器来判断整个控制电路的工作是
14、否正常。四输入与非门选用7420，反相器为7404，或门为4071，报警器用小灯泡来代替。图5.5水位报警电路6最终电路以及仿真结果图6.1水位控制最终电路仿真图 7结论水位控制器是近年来开发的一项新技术，它是传感器、硬件、软件等几项技术紧密结合的产物，作为水塔水位控制装置，其主要任务是保证水塔的安全、稳定、经济的运行，减轻工作人员的劳动强度。采用集成电路，能对水塔水位进行自动检测、自动控制等多项功能。从而来实现半自动化或者全自动化。该水位控制器在设计中由于作者水平有限，其电路设计方面还存在许多的不足，有待改进，所使用芯片也较多，不利于二次开发，维护比较困难。8设计总结在这次水位控制器的课程设计中，我学到了许多的知识，知道了做好一件事是并非想象中那么简单，不是了解了老师教的东西和书本里的知识就可以做好，事实不是想象中那样的完美，做事也不能想当然，在现实生活中有许多未知的困难在等着我们，有时会令人烦躁，有些时候像无头的苍蝇到处瞎撞，不过也磨练了我的意志，让我学会了坚持。通过此次课
