学生创意设计论文.doc

太原科技大学

设 计（论 文）

设计(论文)题目：家用水箱水位自动控制

姓 名 __ 郭 吉 武 _
学院（系）___机 电 系____ __
专 业 _过程装备与控制工程
年 级 _____1121_______
指导教师 _____王 强__________

2012年 6月 8日

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家用水箱水位自动控制

[摘要] 水位自动控制电路的作用是根据水位的高低，自动地控制电动机的运行和停机。电机和水位的高低是相互反馈的。这样就可以实现水位自动控制的目的。本文所设计的水位制动控制装置是有以下几部分组成：点击传感、控制电路、驱动电路、直流稳压电源电路和故障报警电路。水位自动控制在一定范围内（如 2 -6 米 ），当水位低至 2 米 时使电机启动，带动水泵上水；当水位升至 6 米 时，使电机停转。出现特殊情况时报警器报警。设有手动按键，便于随机控制，特别对于水箱需定期清洗，才能保持生活用水的卫生与质量。
在具体电路中是采用数字电路与模拟电路相结合、集成电路与分立元件相结合的方法,通过液位电极将水箱水位的高低信号转换成开关数字信号,然后在控制电路和驱动电路的作用下实现对水箱水位的自动控制和故障报警。该电路具有简单、经济、稳定可靠、容易实现的特点,适用于城镇居民楼房,特别是农村住宅楼房生活用水水箱的水位自动控制。同时联系水箱给太阳能热水器供水，从而实现在节约水资源的同时倡导了低碳生活，更加联系此次科普创意创新大赛的举办意义，通过考虑实际生活需要，在设计中提高了公民科学素质，并紧紧围绕社会热点，传播科学，以达到普及科学知识的目的。

[关键词] 水箱水位；自动控制；科普

通过对一些城镇的用水调查发现居民普遍饮用自来水,但供水时间短,主要是白天供水且用水高峰时水压不足,非用水高峰时,有时水压较高。其中80%以上农村乡镇家庭都使用不锈钢水箱贮水来弥补水压不足及停水后的用水问题。在使用水箱过程中,供水水箱存在以下两方面的问题。
　　1.水箱是不透明的不锈钢桶,水箱中的水位情况,外观中看不到,不知何时需要用水泵向水箱中注水，以及水箱放在高处不便于水位观察控制。
2.房顶水箱水位大都未能实现自动控制,时常出现高层楼房断水和水箱溢水事故。通过观察记录得到仅1小时内溢水达0.5吨，这给居民的生活带来了极大的不便,同时也造成了不必要的水资源流失。
针对以上的问题，为了解决经常停水和有效地避免水资源的浪费,节约能源,倡导建设节约型社会。设计了一个适用于城镇居民楼房,特别是农村住宅楼房生活用水水箱水位控制器。

一　设计思想
在水箱水位控制方面,多年来的实践证明,以往的一些常规的检测与控制方法或多或少存在一些问题。本方案设计水箱水位控制器,在水位的检测与转换以及对电机的控制方面进行设计创新[1]。首先,在水位的检测方面,采用了液位电极进行水位检测,避免了采用浮球、杠杆等所带来的卡死、漏水和不稳定等现象,水位检测的可靠性提高;其次, 在驱动电路设计方面,将常用的交流接触器改用双向晶闸管,变过去的有触点控制为无触点控制,克服了触点频繁动作和“打火”带来的后患,延长了控制器的使用寿命，保证了供水安全;第三,在控制电路的设计方面,除了采用光电耦合器件之外,还使用了功耗小、稳定性高的集成芯片

74HC00 和74HC02 。整个电路采用数字电路与模拟电路相结合,集成电路与分立元件相结合,具有成本低、容易实现、控制灵活等优点。
二　控制原理及电路设计
2．1　控制原理
水箱水位控制器是一种新型的实用电路。具体地说,它是一种能够维持水箱水位界于下水位和上水位之间的水位自动控制装置。它包括电极传感、控制电路、驱动电路、直流稳压电源电路和故障报警电路[2]五个部分, 其设计如图1所示。
再结合自动控制原理的相关知识[3]，自动控制的任务是使受控对象的被控量自动地跟随给定值的变化,自动控制系统是由受控对象和控制装置所组成,而控制应具备三种基本功能:测量、计算和执行,这需要相应的元器件来承担,结合设计实际情况需明确下列问题:
1)受控对象:贮水容器中的水;
2)被控量:水位高低;
3)干扰:随机用水造成的扰动;
4)测量元件: 液位电极,将水位高低转变为相应的电位高低;
5)给定值:水位探测点的高低;
6)计算比较:给定值与反馈值的比较;
7)执行机构:驱动水泵装置。
在设计中选择反馈控制方式即按偏差调节的控制系统,可以获得很高的控制精度,如图2所示。从
图中可以看出系统存在一个闭合作用的回路,由于系统是按偏差调节原则设计,所以只要被控量出现偏差。系统就能自行纠正。

图1 电路设计图

图2 按偏差调节的系统原理方框图

基于水箱水位控制的要求,将水箱的上、下两个水位信号转换成两个数字信号送至控制电路实现水位自动控制。这里关键在于这两个信号的引出与转换,该方案中采用的是利用水本身具有微导电性，设置三根液位电极, 以感知水位变化情况。其中液位电极B处于下限水位, 液位电极A处于上限水位, 液位电极C接+5V电源, 液位电极A、液位电极B各通过一个电阻与地相连。
当水箱水位达到或高于上水位时,A、B两电极输出都为高电平信号,此时水箱中水已满,应该停止供水;当水箱中水位低于下水位时, A、B两电极输出均为低电平信号,此时水箱中水快用完,应该进行供水;如果A电极输出低电平信号,B电极输出高电平信号,此时根据使用要求应该让水泵处于保持状态。而当A电极输出高电平信号,而B电极输出低电平信号时,认为它处于错误状态,系统需设置故障报警,同时水泵电机停止工作。根据以上对控制原理的分析, 可将四种情况下的逻辑要求归纳如表1所示。

表1 逻辑要求
序号
A电极
B电极
水泵操作
1
高电平
高电平
水泵关
2
低电平
低电平
水泵开
3
低电平
高电平
保持
4
高电平
低电平
故障报警

2.2　控制电路
以液位电极为核心的检测电路将水位信号转换为0或1数字信号后,直接送给四2 输入与非门集成芯片74HC00 的1A 和四2 输入或非门集成芯片74HC02 的U2A 输入端。与非门1B 和1C 组成RS 触发器[4] ,信号从RS 触发器的Q 端输出。或非门U2C 的输出送到故障报警电路。它们之间的逻辑关系和水泵工作状态可用表2进行描述。

表2 逻辑关系
A（上水位）
B（下水位）

水泵工作状态
0
0
1
0
0
开泵
0
1
1
1
×
保持原态
1
0
0
1
1
关泵并报警
1
1
0
1
0
关泵

8

A
B

0
1

1
0
1
1
0
A
B

0
1
0
0
1
1
1
1
a 的卡诺图 b 的卡诺图

图4 卡诺图

根据表2中逻辑关系，可画出 和 的卡诺图,如图4所示,并通过化简得:
= A , = A + B 。从而可设计出控制电路如图6所示。
对图6的控制原理分析可得，RS 触发器Q 端的输出信号通过R3 接至发光二极管LED1 的阴极, 当触发器Q 端输出低电平0 时, 发光二极管LED1 导通并发光; 同时通过光电耦合器MOC3021 给双向晶闸管提供一个触发信号, 双向晶闸管导通, 水泵电机得电而运转。当RS 触发器Q 端输出高电平1时, 发光二极管不导通并停止发光, 光电耦合器MOC3021 不提供触发信号, 双向晶闸管不导通, 水泵电机失电而停止运转。发光二极管LED1 用作水泵电机工作状态指示。

至驱动电路

A电极
B电极

图5 控制电路

2.3　驱动电路
驱动电路主要由BTA16 -600B 双向晶闸管和压敏电阻等组成。双向晶闸管的触发信号由光电耦合电路提供。压敏电阻RV1 起保护双向晶闸管的作用。

接控制电路

C电极
图6 驱动电路

2.4　故障报警电路
当检测到的水箱水位信号出现异常(即上水位输出信号为1, 下水位输出信号为0)时,或非门U2C, 如图4所示, 输出为1, 送至报警电路R7 的左端, 致使9013 (NPN 型)三极管导通,蜂鸣器发出声音报警。正常情况下,或非门U2C 输出为0, 报警电路不工作。电路原理如图7所示。

图7　报警电路

三 方案评价与改进
本设计方案的水箱水位控制器具有一定创新的设计思想和简单可靠的控制电路。在电路元器件正确安装完毕以后,只需稍作调整即可正常运行。实践表明,系统运行以后工作稳定可靠,抗干扰能力强,在完全无需人工干预的情况下,能有效地进行水箱水位自动控制,节省了劳动力,减少了用电量,降低了成本。
该水位自动控制装置还可以根据使用者的要求，对最高、最低水位进行调节。同时也适用于工农业及民用自动供水，推广到单位水塔，养鱼塘、养鸡场、家庭贮水池等场所的的间断供水。
但本方案还可以通过使用红外光传感器来对水箱水位进行测量,因为水对红外光的吸收非常大,没有水时和有水时的透光度不一样,所以可以用来实现信号的转换，从而实现电与水的隔离，从而安全性更好。

参考文献

[1]汤光华. 水箱水位控制器的设计与实现[J].自动化仪表，2006，12：34-36
[2]陈有卿,谢　刚. 新颖电子模块应用手册[M].北京:机械工业出版社, 2003
[3]刘银汉.采用单片门电路设计的水位自动控制装置[J].荆门职业技术学院学报,2007,22(12)
[4]姚　勇,李忠勤,邳志刚. 水箱水位控制的模拟装置[J].煤炭技术, 2004,23（12）
[5]360doc.工业变频[OL].液位自动控制器电路图.2008，12
[6]汤光华,宋　涛. 电子技术[M]. 北京:化学工业出版社, 2005.