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1、简易水塔水位控制电路郑州轻工业学院本科课程设计（论文） 题 目 简易水塔水位控制电路 学生姓名 杨二兵 专业班级 电信11-01 学 号 541101030143 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师(职称) 完成时间 2013年6月25日 郑州轻工业学院课程设计任务书题目 简易水塔水位控制电路 专业 电信工程11-01 学号 541101030143 姓名 杨二兵 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容1阅读相关科技文献。2学习protel软件的使用。3学会整理和总结设计文档报告。4学习如何查找器件手册及相关参数。技术要求1. 要求电路能够通过控制两个水泵实现对水位的控制。假定水位范
2、围是S1S2（S1S2），S为实际水位。当SS1时，两个水泵都放水；当S1SS2时，仅一个水泵放水；当SS2时，两个水泵都关闭。2. 要求电路在S1、S2处不能出现跳闸现象，即水泵不能在短时间内反复在放水和关闭的状态之间转换。3. 要求电路能够显示出水泵的状态。4. 要求电路能够手动调节水位控制的范围。主要参考资料1何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5康华光，电子技术基础，高教出版
3、社，2003完 成 期 限： 2013年6月30日 指导教师签章： 专业负责人签章： 2013 年 6 月 22日简易水塔水位控制电路摘 要随着科技的发展人们对水位控制的需求越来越多，它不仅要具有控制水位的功能，而且要能自动控制，从而能解放人力，在不需要人为控制的同时它还要能够调节控制水位的范围，我设计的这个电路由电源电路，水位监测电路，水位范围测量电路，水泵开关电路和显示电路组成。它采用了水压传感器、74LS00、74139、二极管、三极管、稳压管、继电器、三端稳压电路等多种电子元件来实现各部分电路。水位范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水位范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免
4、跳闸现象。水泵开关电路的功能是完成控制电路和水泵是否工作，显示电路的功能是显示水泵是否在工作，有三种颜色不同的发光二极管实现对水位状态的显示。电源电路则为以上电路提供直流电源。关键词 电源/水压传感器/比较器/74LS00/继电器/74139目录简易水塔水位控制电路2摘 要21 电路综合设计方案及原理41.1 综合设计图41.2 电路设计原理41.2.1 电源电路41.2.2 水位检测及范围测量电路51.2.3 水位状态显示电路61.2.4 电动机控制电路82 本实验所用器件清单及说明82.1 水压传感器82.2 迟滞比较器92.2.1 电路组成92.2.2 门限电压的估算102.2.3 传输
5、特性112.3 稳压二极管112.4 发光二极管122.5 三极管132.6 电磁继电器152.7 74LS20016致 谢17参考文献18附录1:元器件清单19继电器19附录2:总设计原理图20 1 电路综合设计方案及原理1.1 综合设计图 显示电路水泵开关电路水位范围测量电路水位检测电路电源电路图1.1综合构架图如图1.1所示，该电路每部分相应的功能：首先有水位检测电路产生整个电路的输入信号，该信号传至范围测量电路，输出其他电路的控制信号，控制其他电路的工作，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，而水位的变化直接关系到信号的产生，水位
6、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状态，因此有个循环过程：由“信号产生信号处理电机控制电机信号处理”这个循环就能使该水塔具有自动控制水位的能力。本设计图由电源电路给各个电路提供直流电源。 1.2 电路设计原理1.2.1 电源电路图1.2.1 电源电路如图1.2.1为电源电路直接可以从电网供电，通过变压器电路，整流电路，滤波电路，和稳压电路直接将电网中的220V交流电转换成+12V的支流电压。采用常规的铁心变压器，将高压转变为低压。二极管桥式电路，任务是将交流电换成直流电。由C1，C2，C3，C4构成，用于滤去整流输出电压中的纹波，本电路采用电容输入式，电容具有平波作用
7、。使纹波较小，适用于负载电压较高，负载变动不大的电路。采用三端稳压集成电路，有输入，输出和接地端，内部由启动电路，基准电压电路，取样比较放大电路，调整电路和保护电路组成。电路中接入电容用来实现频率补偿防止稳压器自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，另一方面以减少稳压电源输出端由输出电源引入的低干扰。1.2.2 水位检测及范围测量电路图1.2.2 水位检测电路及范围测量电路水位监测电路由可变电阻R3R4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
8、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R3和R4的作用是通过调节可变电阻的阻值，就可以调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：第一部分是由电阻R1、R2和稳压管D1、D2构成的参考电压产生电路；第二部分是由迟滞比较器构成的水位范围测量电路。参考电源产生电路的功能是产生一个稳定的电压，由于参考电源产生电路输出端介入比较器的输入，为了防止出现输出电流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。其中稳压管的稳压电压为8V，而输出VREF1=+8V，VREF2=+4V。水位范围测量电路的功能有两个：第
9、一是确定实际水位和水位控制范围的大小关系；第二是防止出现跳闸的现象。首先，Vs1和Vs2分别输入到运算放大器的同相输入端，而Vs则同时输入到这两个运算放大器的反相输入端。当水位低于S1时，Vs VREF2，Vo1和Vo2输出都为高电平；当水位高于S1低于S2时，VREF2Vs VREF1，Vo1和Vo2输出都为低电平。本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来防止跳闸现象的出现。迟滞比较器U1的特性表达式为迟滞比较器U1B的特性表达式为：=R10*Vs1/(R10+R8)+R8*V1/(R10+R8)=(7.3+1.1)V=8.4(V)= R10*Vs1/(R10+R8)+0=7.3(V)由此可得
10、到回差范围=()-()=1.1（V）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1.1V的回差范围，从而就可以防止跳闸现象的出现。同理迟滞比较器U2的特性表达式为=()-()=1.1（v）1.2.3 水位状态显示电路本原理图用三个发光二极管表示水位的状态，红色二极管表示正常水位低于S1水位，即缺水状态，黄色二极管亮表明水位在S1和S2之间，绿色二极管亮表明水满状态。图1.2.3 显示电路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：表1.2.3 二极管驱动真值表水位AB绿灯D7黄灯D8红灯D9SS111100S1SS200100有真值表可以得出D7=A
11、”B”,D8=A”B,D9=AB,(注：A”表示A非)此电路有74LS00来实现，其拥有四个两输入端与非门，再配合反相器，就能实现这个电路。1.2.4 电动机控制电路图1.2.4 电动机控制电路及水泵状态电路水泵开关电路时由三极管电路和继电器电路构成的。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。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。三极管接为共射极电路，当输入电压为高电平时，三机管导通饱和，可以将输入电流放大倍；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
12、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。显示电路由发光二极管构成。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。2 本实验所用器件清单及说明2.1 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：图2.1 水压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/陶瓷晶体等做为变压器的感压芯片，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
13、度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成420mA、05VDC、010VDC、0.54.5VDC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。2.2 迟滞比较器2.2.1 电路组成迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。图2.2.1迟滞比较器电路 图2.2.3传输特性图2.2.2 Vi及Vo波形图2.2.2 门限电压的估算由于比较器中的运放处于开环状态或正反馈状态，因此一般情况下，输出电压vO与输入电压vI不成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入端之间的电压才可近似认为等于零，即或 （1）设运放是理想的并利用叠加原理，则有（2）根据输出电压vO的不同值（VOH或VOL），可求出上门限电压VT+和下门限电压VT分别为（3）（4） 门限宽度或回差电压为 （5）设电路参数如图XX_02a所示，且 ，则由式(3)(5)可求得 ， 和 。2.2.3 传输特性设
