简易水塔水位控制电路电子专业课程设计.doc

目 录
1 概述 1
2 系统总体方案设计 2
3 重要单元电路设计 3
3.1 电源电路 3
3.2 水位检测电路和水位范畴测量电路 3
3.3 水泵开关电路及显示电路 5
4 元器件选型 8
4.1 水压传感器 8
4.2 比较器 8
4.3 稳压管 9
4.4 稳压芯片 10
4.5 普通二极管 10
4.6 发光二极管 11
4.7 三极管 11
4.8 电磁继电器 12
4.9 变压器 14
4.10 桥式整流电路 14
4.11 CD4011 15
4.12 迟滞比较器 16
结论及展望 17
参照文献 18
附录 19

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，用它来构成稳压电源只需很少外围元件，电路非常简朴，且安全可靠。水位测量和水位监测电路重要由电阻型水压传感器和迟滞比较器构成。电阻型水压传感器是最典型也是最简朴一种压力传感器。迟滞比较器不但可以测量水位范畴，还可以防止跳闸现象浮现。水泵开关电路和显示电路重要由电流放大电路和继电器构成。继电器可以提供水泵所需要交流电，而电流放大电路是由三极管构成，是一种比较典型和简朴电路。用发光二极管显示来检测水位状态和水泵状态。

核心词 水压传感器 继电器 比较器
1 概述
本次设计是一种水塔水位控制电路，电路可以通过控制两个水泵实现对水位控制。水位范畴在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，仅一种水泵放水；当S＞S2时，两个水泵都关闭。同步本电路设计了水位检测电路，通过发光二极管显示来检测水位状态。
咱们都懂得，在寻常生活和工业生产中，水位控制装置有着广泛应用。如水塔、楼房水箱、锅炉等。水位控制装置形式有诸各种，浮子开关式，电节点式，压力式，电子式，微机式等。这些装置或多或少存在着某些缺陷：浮子开关式采用机械构造，维护起来不以便；微机式控制装置，虽然操作以便，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，该装置构造简朴，维护以便，工作可靠性能价格比优良，并且在不同限度上克服了其她办法某些缺陷。可以在经济上节约资金，减少损耗，节约资源，有诸多场合下均可采用。
2 系统总体方案设计
简易水塔水位控制电路总体框图如图2-1所示。它是由水位检测电路、水位范畴测量电路、水泵开关电路、显示电路和电源电路5某些构成。
电
源
电
路

水位检测电路

水位范畴测量电路

水泵开关电路

显示电路

图2-1简易水塔水位控制电路总体框图
每某些电路均有其相应功能：一方面有水位检测电路产生整个电路输入信号，该信号传至水位范畴测量电路，输出其她电路控制信号，控制其她电路工作。电机控制电路某些接受到有信号解决电路输出有效控制信号后正常工作驱动电机转动抽水，使水位上升，而水位变化有直接关系到信号产生，因而有个循环过程，虽然水位保持在一定范畴内：水位显示电路接受到有效信号后驱动显示屏工作，使其显示该时刻水位；由“信号产生→信号解决→电机控制→电机→信号产生”这个循环就能使水塔具备自动控制水位能力。

3 重要单元电路设计
3.1 电源电路
电源电路原理图如图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220V交流电转换成+12V直流电压。电路中变压器采用常规铁心变压器，电源变压器将交流电网电压220V变为适当交流电压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变为脉动直流电压12V。C1、C2、C3和C4完毕滤波功能，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影响,保持输出电压12V稳定。

图3-1电源电路
3.2 水位检测电路和水位范畴测量电路
如图3-2所示，水位检测电路由可变电阻R1和一种电阻型水压传感器构成。电阻型水压传感器是最简朴也最典型一种水压传感器，它工作原理是通过阻抗变化来表达水压变化，同步将水压信号转化为电信号Vs，即Vs代表了实际水位S。本电路采用电阻型水压传感器型号为PT500-501，是水压传感器，即传感器阻抗随水压增长而增长。可变电阻R1作用是通过调节可变电阻阻值，就可以调节VS范畴，也就可以调节水位控制范畴。
水位范畴测量电路由两某些构成：
1 由电阻R2、R4和稳压管D1、D2构成参照电压产生电路；
2 由迟滞比较器构成水位范畴测量电路。
A B
参照电压产生电路产生两个稳定电压，分别代表水位范畴上限值S2和下限值S1。由于参照电源产生电路输出端接入比较器输入，为了防止浮现输出电流不稳导致参照电源不稳定状况，电路采用电阻和稳压管相结合方式构成。其中稳压管稳定电压均为+8V，而输出VREF1=+8V VREF2=12V－8V＝4V
水位范畴测量电路功能有两个：
1 拟定实际水位和水位控制范畴大小关系；
2 防止浮现跳闸现象。
一方面，VREF输入到两个运算放大器同相输入端，而Vs1和Vs2则同步分别输入到这两个运算放大器正相输入端。这样，当Vs<VREF1时，V1输出是高电平；当Vs>VREF2时，V1输出为低电平；当Vs<VREF2时，V2输出为高电平；当Vs>VREF2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范畴大小关系就拟定了。
另一方面，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浮现。迟滞比较器AR1特性表达式为
(2-1) (2-2)由式（2-1）和式（2-2）可得到回差范畴△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分界点电压值有了1.1V差别，从而就可以防止跳闸现象出像。
同理，迟滞比较器AR2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AR2V2T+ -V2T-之差（4.7V～3.6V）同样具备1.1V回差范畴，由此可以防止跳闸现象浮现。

图3-2水位检测电路和水位范畴测量电路
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。电路输入即为图3-2电路中输出，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。
由于水泵中通过都是大电流，产生大功率，而直流电源无法提供大电流和大功率，因而水泵需要交流供电，这样一来，电路中开关必要采用继电器电路。
图3-3水泵开关电路及显示电路
而普通运算放大器输出电流无法驱动继电器，因而需要加入电流放大电路。由三极管电路构成电流放大电路是一种比较典型和简朴电路。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。继电器连接三极管集电极，当有电流驱动时，开关吸合，相应水泵通电；当无电流启动时，开关断开，相应水泵不通电，同步在继电器两端并联入二极管进行保护。
显示电路分两某些，由发光二极管构成。
一某些通过发光二极管亮灭来表达水泵与否通电，同步由于继电器驱动电流过大，需要加入限流电阻保护发光二极管。
另一某些用三个发光二极管表达水位状态。
可知当水位是低水位，即水位在范畴之下时(s<s1)，U1，U2(两个比较器) 都输出高电平（1 1），当水位在范畴之内时(s1<s<s2)，U1输出高电平（1），U2输出低电平（0）即U1U2(1 0)。当水位在范畴之上（s>s2）,都输出低电平（0 0）。
本原理图用三个发光二极管表达水位状态。由电路输出可列出二极管驱动真值表如表3-1：A为U1控制电机逻辑值，为1则电机转动；B为U2控制电机逻辑值，为1则电机转动；LED灯逻辑值为1则点亮。本电路采用不同红黄绿三个发光二极管来显示。
表3-1 二极管驱动真值表
水位
A
B
绿
Q3
黄
Q2
红
Q1
S<S1
1
1
0
0
1
S1<S<S2
0
1
0
1
0
S2<S
0
0
1
0
0
当水位S<S1，S<S2，U1，U2都输出高电平，两个水泵都启动，此时水位为局限性状态，发光二极管红灯亮；当水位在范畴之上（S>S2），两个水泵都关闭，此时水位为水满状态，发光二极管绿灯亮。当水位在范畴之内时(S1<S<S2)，U1输出高电平，U2输出为低电平，一种水泵启动，此时水位状态为两者之间，发光二极管黄灯亮；此某些电路由红黄绿三个发光二极管来显示水位状态。
由图可知，三个输出驱动电压分别得由三个与非门实现。此电路选用CD4011，其中由四个两输入与非门构成，完全能实现所需要功能。逻辑电平与所需相反时，只需在电路中加一种反相器就行了。
注：

4 元器件选型
4.1 水压传感器
本电路采用电阻型水压传感器型号为PT500-501，是水压传感器，即传感器阻抗随水压增长而增长。如图4-1：

图4-1 PT500-501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/陶瓷晶体等做为变送器感压芯片，选进贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质压力转换成4～20mA、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC等原则电信号。产品构造采用全封焊构造，使之产品抗冲击能力、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。产品过程连接某些和电气连接某些有各种方式，可以最大限度满足顾客需求。
4.2 比较器
集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻多级直接耦合放大电路，它种类诸多，电路也不同样，但构造具备共同之处，如图4-2表达集成运放内部电路构成原理框图。

电压放大级
输出级
差分输入级

偏置电流

图4-2 集成运放内部电路构成原理框图
如图4-2集成运放输入级普通是由BIT、JFET或MOSFET构成差分式放大电路，运用它对称特性可以提高整个电路共模抑制比和其她方面性能。它两个输入端构成整个电路反相输入端和同相输入端。电压放大级重要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路构成。输出级普通由电压跟随器或互补电压跟随器所构成，以减少输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为个级提供适当工作电流。其代表符号和输入输出传播特性如图4-3所示。

图4-3
4.3 稳压管
稳压器二极管也叫齐纳二极管，稳压原理：给稳压二极管施加反向电压并使其值增大，当反向电压之值达到稳压二极管稳定电压时，其正常雪崩击穿，若在此状况下，一定范畴内变化电源电压波动或变化负载电流大小，齐纳电流IZ和动态电阻随之而变化，然而，齐纳电压UZ却稳定不变。稳压二极管串联一种电阻来提供一种稳定参照电压VREF，其中稳压二极管选用1N4735，其稳定电压为，限流电阻选用1K。稳压二极管1N4735重要参数：最大工作电流 IZM 146mA 稳定电压 UZ 6.2V 最大耗散功率 P 1W 。
4.4 稳压芯片
该电路中使用是MC7812CP芯片，该芯片内部设有电流过流﹑过热和调节管安全区保护电路，以防止过载而损坏，用它来构成稳压电源只需很少外围元件，电路简朴，且安全可靠
4.5 普通二极管
二极管又称晶体二极管,简称二极管，此外，尚有初期真空电子二极管；它是一种具备单向传导电流电子器件。在半导体二极管内部有一种PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压方向，具备单向电流转导性。普通来讲，晶体二极管是一种由p型半导体和n型半导体烧结形成p-n结界面。在其界面两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起扩散电流和由自建电场引起漂移电流相等而处在电平衡状态，这也是常态下二极管特性。二极管有正向特性和反向特性，其中正向特性是指外加正向电压时，在正向特性起始某些，正向电压很小，局限性以克服PN结内电场阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通正向电压称为死区电压。当正向电压不不大于死区电压后来，PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用电流范畴内，导通时二极管端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管正向电压；反向特性是指外加反向电压不超过一定范畴时，通过二极管电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处在截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管反向饱和电流受温度影响很大。在本电路中运用是二极管反向特性。
4.6 发光二极管
发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）化合物制成二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为批示灯，或者构成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光如图4-4所示为二极管实物图：

图4-4发光二极管
发光二极管原理：发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成，其核心是PN结。因而它具备普通P-N结I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具备发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域少数载流子（少子）一某些与多数载流子（多子）复合而发光，假设发光是在P区中发生，那么注入电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，尚有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放能量不大，不能形成可见光。发光复合量相对于非发光复合量比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光，因此光仅在接近PN结面数μm以内产生。
4.7 三极管
三极管工作原理：:三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。提成NPN和PNP两种。咱们仅以NPN三极管共发射极放大电路为例来阐明一下三极管放大电路基本原理。
一、电流放大
下面分析仅对于NPN型硅三极管。咱们把从基极B流至发射极E电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E电流叫做集电极电流Ic。这两个电流方向都是流出发射极，因此发射极E上就用了一种箭头来表达电流方向。三极管放大作用就是：集电极电流受基极电流控制（假设电源可以提供应集电极足够大电流话），并且基极电流很小变化，会引起集电极电流很大变化，且变化满足一定比例关系：集电极电流变化量是基极电流变化量β倍，即电流变化被放大了β倍，因此咱们把β叫做三极管放大倍数（β普通远不不大于1，例如几十，几百）。如果咱们将一种变化小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib变化，Ib变化被放大后，导致了Ic很大变化。如果集电极电流Ic是流过一种电阻R，那么依照电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大变化。咱们将这个电阻上电压取出来，就得到了放大后电压信号了。
二、偏置电路
三极管在实际放大电路中使用时，还需要加适当偏置电路。这有几种因素。一方面是由于三极管BE结非线性（相称于一种二极管），基极电流必要在输入电压 大到一定限度后才干产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间电压不大于0.7V时，基极电流就可以以为是0。但实际中要放大信号往往远比0.7V要小，如果不加偏置话，这样小信号就局限性以引起基极电流变化（由于不大于0.7V时，基极电流都是0）。如果咱们事先在三极管基极上加上一种适当电流（叫做偏置电流，Rb就是用来提供这个电流，因此它被叫做基极偏置电阻），那么当一种小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流变化，而基极电流变化，就会被放大并在集电极上输出。另一种因素就是输出信号范畴规定，如果没有加偏置，那么只有对那些增长 信号放大，而对减小信号无效（由于没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定电流，当输入基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小信号和增大信号都可以被放大了。
4.8 电磁继电器
如图4-5。继电器是一种电子控制器件，它具备控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），普通应用于自动控制电路中，它事实上是用较小电流去控制较大电流一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁式继电器普通由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等构成。只要在线圈两端加上一定电压，线圈中就会流过一定电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引作用下克服返回弹簧拉力吸向铁芯，从而带动衔铁动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧反作用力返回本来位置，使动触点与本来静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中导通、切断目。对于继电器“常开、常闭”触点，可以这样来区别：继电器线圈未通电时处在断开状态静触点，称为“常开触点”；处在接通状态静触点称为“常闭触点”。

图4-5电磁继电器
电磁继电器普通由电磁铁、险贴、弹簧片、触点等构成，其工作电路由低压控制电路工作电路两某些构成。电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。只要在线圈两端加上一定电压，线圈中就会流过一定电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引作用下克服返回弹簧拉力吸向铁芯，从而带动衔铁动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧反作用力返回本来位置，使动触点与本来静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中导通、切断目。对于继电器“常开、常闭”触点，可以这样来区别：继电器线圈未通电时处在断开状态静触点，称为“常闭触点”；处在接通状态静触点称为“常开触点”。
4.9 变压器
如图4-6。变压器是电子电路，用来升压降压电力变压器，变压器原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立共用一种铁芯线圈。分别叫作变压器次级线圈和初级线圈。
电流方向和大小随时间变化,变压器初级通上交流电时,变压器铁芯中产生了交变磁场（其中接电源绕组叫初级线圈，别的绕组叫次级线圈），在次级就感应出频率相似交流电压.变压器初次级线圈匝数比等于电压比。变压器只能变化交流电压,不能变化直流电压,由于直流电流是不会变化,电流通过变压器不会产生交变磁场，因此次级线圈只能在直接接通一瞬间产生一种瞬间电流和电压。
变压器重要参数：电压比 n=U1/U2=N1/N2 效 率 η=P2/P1*100% 额定功率 P

图4-6变压器 图4-7桥式整流电路
4.10 桥式整流电路
桥式整流电路由四个二极管构成，如图3-6所示。
工作原理：U2正半周时:D1、D3导通，D2、D4截止；U2负半周时：D2、D4 导通， D1、D3截止
重要参数：
输出电压平均值：UL=0.9U2
输出电流平均值:IL= UL/RL =0.9U2/ RL
流过二极管平均电流：ID=IL/2
二极管承受最大反向电压：25V–1000V
4.11 CD4011
CD4011是惯用2输入四与非门集成电路。CD4011电气特性:
VDD电压范畴：－0.5V to 18Ｖ
功耗：
双列普通封装 700mW 小型封装 500mW
工作温度范畴：
CD4011BM -55℃ - +125℃
CD4011BC -40℃ - +85℃
CD4011内部构造框图如图4-8，CD4011功能表如图4-9，引脚图如图4-10。管脚功能：
1A 数据输入端 2A 数据输入端 3A 数据输入端 4A 数据输入端
1B 数据输入端 2B 数据输入端 3B 数据输入端 4B 数据输入端
1Y 数据输出端 2Y 数据输出端 3Y 数据输出端4Y 数据输出端
VDD 电源正 VSS 地

4-8 CD4011内部构造框图

4-9 CD4011功能表 4-10CD4011引脚图
4.12 迟滞比较器
迟滞比较器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、普通为单端输出（Differential-in，single-ended output）高增益（gain）电压放大器，由于刚开始重要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一种抱负迟滞比较器必要具备下列特性：无限大输入阻抗、等于零输出阻抗、无限大开回路增益、无限大共模排斥比某些、无限大频宽。最基本迟滞比较器如图所示。一种迟滞比较器模组普通涉及 正输入端(OP_P)、一种负输入端(OP_N)和一种输出(OP_O)。

图4-11 迟滞比较器符号
迟滞比较器是一种具备迟滞回环传播特性比较器。在反相输入单门限电压比较器基本上引入正反馈网络，就构成了具备双门限值反相输入迟滞比较器。由于反馈作用这种比较器门限电压是随输出电压变化而变化。它敏捷度低某些，但抗干扰能力却大大提高。
结论及展望
通过本周课程设计，我掌握了关于水位控制电路方面知识，我结识到课本上知识实际应用，激发了学习兴趣，培养了我认真思考能力。在这次课程设计撰写过程中，遇到了某些问题，但通过一次又一次思考，一遍又一遍检查终于找出了因素所在，也暴露出了在前期学习中我这方面知识欠缺和经验局限性。实践出真知，通过亲自动手制作，使咱们掌握知识不再是纸上谈兵。在此过程中，我得到了许多人协助。
一方面，我要感谢我教师在课程设计上予以我指引、提供应我支持和协助。尚有,我要感谢协助过我同窗，她们帮我解决了诸多我不太清晰问题。使我记忆力更加深刻，结识问题清晰，这次课程设计让我结识到了知识和实践重要性。只有牢固掌握了所学知识，才干有清晰思路，懂得每一步该如何走。才干顺利解决每一种问题。
刚开始听到这个课题时候，感觉心里很没有底气，由于咱们没有接触到过这样东西，但真正进一步理解时候。其实并没有那么难，并且它会使得你激发出你好奇心，使你一步一步地喜欢上它，在实际生活中你会发现它影子，这会更加激发咱们热情，让咱们进一步摸索，逐渐理解。因此我要努力学好基本知识，牢固掌握了所学知识，把自己所学知识充分发挥出来。
不知不觉地一周课程设计结束了，但是在这期间所学知识和教师指引却让我难以忘掉。同步，让我感受到了集体力量，同窗协助，集体温暖，深深印在了我心里。本次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂知识，受益良多。

参照文献
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[10] 户川治郎,使用电源电路设计[M].北京：科学出版社，.6.

附录
符号
类别
数目
R1
可变电阻
1
R5，R7，R13，R14
R16，R17，R18,
1K
7
R2，R4，R6，R8，R9，R10 R11，R12
10K
8
R15
4K
1
C1
470Uf
1
C2，C4
0.1uF
2
C3
47uF
1
D
整流桥
1
D1 D2
1N4735
2
J1，J2
继电器
2
D3，D4，D10
二极管
3
U1，U2
反相器
2
D5，D6，D7，D8，D9
发光二级管
5
U4
MC78L12CP
1
AR1，AR2
比较器
2
T
变压器
1
T1，T2
三极管
2
A1
电阻式水压传感器
1
M1，M2
电机
2
U3
CD4011
1