简易水塔水位控制电路-毕业论文.doc

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。假定水位范围是S1～S2（S1＜S2），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。
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 2
1 电路综合设计方案及原理 4
1.1 综合设计图 4
1.2 电路设计原理 4
1.2.1 电源电路 4
1.2.2 水位检测及范围测量电路 5
1.2.3 水位状态显示电路 6
1.2.4 电动机控制电路 8
2 本实验所用器件清单及说明 8
2.1 水压传感器 8
2.2 迟滞比较器 9
2.2.1 电路组成 9
2.2.2 门限电压的估算 10
2.2.3 传输特性 11
2.3 稳压二极管 11
2.4 发光二极管 12
2.5 三极管 13
2.6 电磁继电器 15
2.7 74LS200 16
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。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R3﹑R4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，VREF2<Vs< VREF1，Vo2输出为高电平，Vo1输出为低电平；当水位高于S2时，Vs> 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

A
B
绿灯
D7
黄灯
D8
红灯
D9
S<S1
1
1
1
0
0
S1<S<S2
1
0
0
1
0
S>S2
0
0
1
0
0
有真值表可以得出D7=A”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，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成4～20mA、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC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
设从 ， 和 开始讨论。
当vI由零向正方向增加到接近 前，vO一直保持 不变。当vI增加到略大于 ，则vO由VOH下跳到VOL，同时使vP下跳到 。VI再增加，vO保持 不变。
若减小vI，只要 ，则vo将始终保持 不变，只有当 时， 才由 跳到VOH。其传输特性如图XX_02b所示。
由以上分析可以看出，迟滞比较器的门限电压是随输出电压vo的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。
2.3 稳压二极管
二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。p-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。
稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。如图画出了稳压管的伏安特性及其符号。
输入电压为整流滤波后的电压，稳压管与负载并联，稳压管反向工作，使流过稳压管的电流不超过最大极限，同时当电网电压波动时，通过R上的压将调节，使输出电压基本不变。

图2.3稳压管的特性曲线
2.4 发光二极管
发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，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指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化钾二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N 半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

图2.4 发光二极管的实物图
2.5 三极管
半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。　　三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。  

图2.5 NPN型三极管符号
BJT的开关作用对应于触点开关的"断开"和"闭合"。 如图2.5所示为一个共发射极晶体三极管开关电路。

 (a)电路

(b)工作状态图解
图2.5.1 BJT的开关工作状态
 图2.5.1 (a)中BJT为NPN型硅管。电阻Rb为基极电阻，电阻Rc为集电极电阻，晶体三极管T的基极b起控制的作用，通过它来控制开关开闭动作，集电极c及发射极e形成开关两个端点，由b极来控制其开闭，c.e两端的电压即为开关电路的输出电压vO。当输入电压vI为高电平时，晶体管导通，相当于开关闭合，所以集电极电压vc≈0，即输出低电平，而集电极电流iC≈VCC/RC。当输入电压vI为低电平时，由图可见，晶体管截止，相当于开关断开，所以得集电极电流iC≈0，而集电极电压vc≈VCC，即输出为高电平。这就是晶体三极管的理想稳态开关特性。晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。晶体三极管输出特性三个工作区，即截止区、放大区、饱和区,如图2.5.1 (b)所示。如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态，就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关的断开状态，就应该使之工作于截止区，发射极电流iE=0，这时晶体三极管处于截止状态，相当于开关断开。集电结加有反向电压，集电极电流iC=ICBO，而基极电流iB=-ICBO。说明三极管截止时，iB并不是为0，而等于-ICBO。
基极开路时，外加电源电压VCC使集电结反向偏置，发射结正向偏置晶体三极管基极电流iB=0时，晶体管并未进入截止状态，这时iE=iC =ICEO还是较大的。
晶体管进入截止状态，晶体管基极与发射极之间加反向电压，这时只存在集电极反向饱和电流ICBO，iB =-ICBO，iE=0，为临界截止状态。进一步加大基极电压的绝对值，当大于VBO时，发射结处于反向偏置而截止，流过发射结的电流为反向饱和电流IEBO，这时晶体管进入截止状态iB = -(ICBO+ IEBO)，iC= ICBO。
  发射结外加正向电压不断升高，集电极电流不断增加。同时基极电流也增加，随着基极电流iB 的增加基极电位vB升高，而随着集电极电流iC的增加，集电极电位vC却下降。当基极电流iB增大到一定值时，将出现vBE =vCE的情况。这时集电结为零偏，晶体管出现临界饱和。如果进一步增大iB ，iB增大，使得集电结由零偏变为正向偏置，集电结位垒降低，集电区电子也将注入基区，从而使集电极电流iC随基极电流iB的增大而增大的速度减小。这时在基区存储大量多余电子-空穴对，当iB继续增大时，iC基本维持不变，即iB失去对iC的控制作用，或者说这时晶体管的放大能力大大减弱了。这时称晶体管工作于饱和状态。一般地说，在饱和状态时饱和压降VBE(sat)近似等于0.7V，VCE(sat)近似等于0.3V。由图2.5.1 (a)可看出，集电极电流iC的增加受外电路的限制。由电路可得出iC的最大值为ICM= VCC/ RC。晶体管进入饱和状态，基极电流增大，集电极电流变化很小，iC=ICS=(VCC-VBE(sat))/RC晶体管临界饱和时的基极电流IBS=ICS/β=(VCC-VBE(sat))/βRC 。
2.6 电磁继电器
电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

图
2.7 74LS200
74LS200是常用的2输入端与非门集成电路。

图2.71 74LS00内部结构图
工作真值表：74LS00真值表：

图2.72 74LS00真值表及引脚图

2.8 2-4译码器
2-4译码器有2个输入端，4个输出端和一个使能端。在使能端为有效电平时，对应每一组输入代码，只有其中一个输出端为有效电平，其余输出端则为相反电平。输出信号可以是高电平有效，也可以是低电平有效。具体来说，2输入变量，A1 ，A0共有4种不同状态组合，因而译码器有4个输出信号𝑌0～𝑌   
3 并且输出为低电平有效，其真值表如表1所示

3系统硬件总图

致 谢

在这次课程设计的过程中，我得到了许多人的帮助。
首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。
其次，我要感谢帮助过我的同学。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。
最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学
通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。这是我第一次做课程设计，给我留下了很深的印象。虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我受益匪浅。
这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。才能顺利的解决每一个问题。就以这次课程设计为例，刚拿到题目的时候，大致看一下要求，根据平时所学的知识，脑海中就立刻会想到应该用到的元器件，然后再去图书馆去查这些元器件的资料，很快地初步方案以及大概的电路原理图就出来了。但是，在具体的细节设计上，我却不知道为什么，从而明白了自己基础知识掌握得不牢固。所以，这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外，更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺，让我坚定了以后努力学习知识的决心。
一周的课程设计虽然结束了，但是在这期间所学的知识和老师的指导却让我难以忘记。

参考文献
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，高教出版社，2003

附录1:元器件清单

序号
元件类型
元件规格
数量
备注
1
比较器

2

2
继电器

2

3
74LS00

1

4
稳压管

2

5
二极管

6

6
LED

5

7
可变电阻

2

8
电容
470u 47u 0.1u
若干

9
放大器

2

10
电阻型水压传感器
PT500-501
1

11
2-4译码器
7139
1

12
电阻
10k 1k
8 2

附录2:总设计原理图

22