数电课设论文1.doc

数字电子技术基础
课程设计(论文)
水位自动控制装置

院（系）名称
电子与信息工程学院
专业班级
电子信息工程
学号
120404020
学生姓名
韩刚
指导教师

起 止 时 间： 2014.12.29—2015.1.11

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程
学 号
120404020
学生姓名
韩刚
专业班级
电子121班
课程设计（论文）题目
水位自动控制装置
课程设计（论文）任务
任务要求：
水位自动控制装置是采用数字电路设计的能够自动控制水位的装置，即将水位控制在一定范围内，由控制电路、报警电路、显示电路等部分组成。
技术要求：
1、采用中、小规模数字集成电路实现。
2、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。
3、当水位升至6米时，使电机停转。
4、因特殊情况水位超限（如高至7米 、低至1米）报警器报警。
5、设有手动按键，便于随机控制。
6、由数码管直观显示当前水位。
7、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。
指导教师评语及成绩

平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩：
总成绩： 指导教师签字：
年 月 日
注：平时成绩占20%，答辩成绩占40%，论文成绩占40%。

本科生课程设计（论文）
摘 要
水位自动控制装置实现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，因特殊情况水位超限（如高至 7 米 、低至 1 米 ）报警器报警的功能。采用信号处理与处理、水位显示电路、电机控制电路、报警控制电路四个单元来实现目标。
信号产生由电机控制产生，信号处理采用编码器74LS148与74LS04反相器构成。水位显示电路则由BCD-7段译码显示器驱动器74LS47；显示器为共阴极七段数码显示器来实现。水位报警电路主要包括四输入与非门、继电器、手动开关、电机四个部分。电机控制电路由74LS20和与非门以及单刀双掷开关构成。
应用Multisim软件画出各部分电路图，进行仿真，完成要求。

关键词：水位自动控制装置；信号产生与处理；水位显示；电机控制；报警控制

目 录
第1章 绪论 1
1.1 自动控制装置的发展概况 1
1.2本文研究内容 1
第2章 水位自动控制装置总体设计方案 2
第3章 水位自动控制装置硬件电路设计 3
3.1 水位自动控制装置具体电路设计 3
3.1.1 信号产生电路设计 3
3.1.2 信号处理电路设计 4
3.1.3 水位显示电路设计 5
3.1.4 电机控制电路设计 6
3.1.5 报警控制电路设计 7
3.2 元器件型号选择 8
3.3 水位自动控制装置总体电路图 8
第4章 仿真与调试 9
4.1 Multisim仿真与调试 9
4.2 仿真结果分析 10
第5章 水位自动控制装置实物制作 11
5.1 信号产生电路焊接 11
5.2 报警电路焊接 11
5.3 水位显示电路焊接 11
5.4 水位自动控制装置作品 11
5.5作品测试与数据分析 11
第6章 课设总结 12
参考文献 13
附 录 I 14
附 录 II 15

II
第1章 绪论
1.1 自动控制装置的发展概况
水位控制器是指通过机械式或电子式的方法来进行高低水位的控制，可以控制电磁阀、水泵等，成为水位自动控制器或水位报警器，从而来实现半自动化或者全自动化。水位控制器广泛应用于工业锅炉、民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造纸、食品、污水处理等行业内开口或密闭储罐，地下池槽中各种液体的液位测量，被检测的介质可分水、油、酸、碱、工业污水等各种导电及非导电液体。与电动阀组成一套先进的液位显控设备，自动开、关电动阀。本设计主要包括信号的产生与处理，报警控制，水位显示，电机控制等。
1.2本文研究内容
分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。
任务要求：
水位自动控制装置是采用数字电路设计的能够自动控制水位的装置，即将水位控制在一定范围内，由控制电路、报警电路、显示电路等部分组成。
技术要求：
1、采用中、小规模数字集成电路实现。
2、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。
3、当水位升至6米时，使电机停转。
4、因特殊情况水位超限（如高至7米 、低至1米）报警器报警。
5、设有手动按键，便于随机控制。
6、由数码管直观显示当前水位。
7、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试

第2章 水位自动控制装置总体设计方案
根据课题的要求，大体可以把电路分成五个部分：信号采集、信号处理、电机控制电路、报警电路和显示译码电路组成，整体电路框图如下图所示：

报警控制

报警器

信号产生

信号处理

显示器

水位显示

电机控制

图2.1 整体电路框图

每部分电路都有其相应的功能：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，输出信号作为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受到由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。
按照该电路设计，电路具有水位自动控制、显示水位和超出范围报警的功能，基本上能满足设计的要求。

15
第3章 水位自动控制装置硬件电路设计
3.1 水位自动控制装置具体电路设计
由任务分析可知，该设计电路主要有三个功能：水位控制、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。
3.1.1 信号产生电路设计
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，假设一水塔高8米，令该水塔水位到达7米或低于1米时报警，也就是说水塔最起码要有7米深，因此可以将探头个数设计为八个，分别检测八个点的水位，原理图如下图2-2所示。
a—h为八个检测探头，其中a探头到水箱底部的高度为1米，其他探头一次放置在相差一米的位置上，即只能检测到1—8米的水位。COM为公共电极，接+5V。为了提高精确度，将公共电极尽可能的靠近探头，即使电极与探头的距离尽量小，有利于电信号的传递。当水位上升到套头位置时，+5V电信号经过介质水接通到所在的探头；而当水位下降时断开，因此只要测出哪些探头接通电信号时，就大概可以确定水位的高度。比如说只有abcd有电信号输出，而efgh都没信号(或者说输出低电平)输出时，就基本上可以确定水位在探头d以上e以下，即在4—5米之间，再将该电信号输入到信号处理部分进行处理输出相应的控制信号即可。

图2.2 探头原理图
3.1.2 信号处理电路设计
经过信号产生电路产生的信号，还必须经过编码处理。由以上电路的设计与分析可知，该编码电路最少应有八个输入端，作为八个探头输出信号的输入端，而且有效电平为低电平，因此应设计成具有优先编码功能的编码电路，所谓“优先”编码即多个输入端同时满足编码条件时，只对最高位编码。
根据要求该电路设计成以编码器为核心的编码电路，具体设计的电路图如图2-3所示：

图2.3 信号编码电路

上图中，左侧八个引脚为信号输入端，右侧ABCD四个端口为信号输出端口，编码器选74LS148，反相器为74LS04。
3.1.3 水位显示电路设计
该部分主要是用七段数码显示器显示水位。
七段数码显示器一般有两种接法：一种是共阴极接法；一种是共阳极接法。无论哪种接法，其都是由七组发光二极管构成。当其为共阴极接法时则对高电平有效，即要输入高电平时才能使其点亮；当其为共阳极接法时对低电平有效，只有输入低电平时才会显示，显示器原理图如下图2-4中（a）、（b）、（c）所示。

(a)结构引脚图 (b)共阴极接法 (c)共阳极接法
图2.4 七段数码管显示器原理

由原理图可知，该显示器有七个发光二极管分别用a、b、c、d、e、f、g，因此只要点亮相应的发光二极管，就能使其显示特定的数字，比如说对于共阴极接法的显示器同事对a、b、c输入高电平时使a、b、c段二极管点亮而其他的都灭即显示出数字“7”。
该部分电路直接由显示译码器对编码信号译码后驱动显示器工作，电路图如图2-5所示：

图2.5 显示器原理图

其中，DCBA为二进制码信号输入端，OA—OG为译码后信号的输出端。信号输出后经过限流电阻直接接到显示器输入端，驱动显示器工作。
3.1.4 电机控制电路设计
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2-6米。即水位低于2米时使电机工作升到6米时使电机停止工作。而由信号产生部分设计可知：当水位低于2米时只有探头a接通电信号。因此要将该电信号设计为控制电机转动的控制信号。而该电信号通过编码处理后输出为四位二进制码0001，所以就是要使输出信号为0001时使电机工作。而水位上升到6米时要控制电机停止工作。因此时水位在6米时有六个探头接通电信号，为a、b、c、d、e、f。根据编码器的工作原理，只有探头f的电信号才为有效信号，即只对f的电信号编码处理。此时才为有效信号，即只对f的电信号编码处理。此时由f引进来的信号经过编码后成为二进制码0110，因此要将0110设计为电机停止工作的控制信号，即当输入到电机驱动的信号为0110时使电机停止。
根据分析将该部分电路设计成如图2-6所示：

图2.6 电机控制电路

DCBA为信号输入端。74LS20为四输入与非门，手动开关为三路选择开关。
3.1.5 报警控制电路设计
根据任务设计要求只要将编码处理输出的信号DCBA为0000或0111时设为报警电路的控制信号即可
当水位低至1米或升到7米时编码器编码输出的信号DCBA为0000或0111，再经过反相器输入到四输入或非门输入端后电阻驱动报警器工作。因此可以通过报警器来判断整个控制电路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再经过限流的工作是否正常。四输入与非门选用74LS20，反相器为74LS04，与门为74LS32，报警器用发光二极管替代。、

图2.7 报警控制电路

3.2 元器件型号选择
信号处理部分电路：编码器74LS148，反相器74LS04。
74LS148为优先编码器，编码输入有效电平为低电平，编码输出为BCD反码，即当输入端有“0”输入时，输出端就输出与之对应的BCD反码。如“2”，“4”同时输入“0”，则按“4”进行编码，内部编码成BCD码0100，输出则为BCD反码1011
水位显示电路：译码器选用BCD-7段译码显示器驱动器74LS47；显示器为共阴极七段数码显示器；R阻值220欧姆。
报警控制电路：编码器74LS20片子，反相器74LS04，继电器两个。
水位报警电路：74LS20芯片，反相器74LS04，与门74LS32。
当水位低于1米或升到7米时编码器编码输出的信号DCBA为0000或0111，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再经过限流电阻驱动报警器工作。
3.3 水位自动控制装置总体电路图
将信号产生电路、信号处理电路、电机控制电路、数码管显示电路和报警电路级联在一起，激得到水位自动控制装置电路的总体电路图，用发光二极管来代替电机控制电路和报警电路中的电机和报警器，得到的电路图如下图2.8所示：

图2.8 总体电路图

第4章 仿真与调试
4.1 Multisim仿真与调试
将各个电路图级联在一起，得到总体电路图后，用Multisim仿真，得到在水位在1米时的仿真图如图3.1所示：

图3.1 仿真电路图

由图中我们可以看出，当水位低至1米时，报警电路的发光二极管和电机控制电路的发光二极管都亮了，说明报警电路可以正常工作，电机开始工作。
当水位高至7米时，仿真如图3.2所示：

图3.2 仿真电路图

由上图可以看出，当水位高达7米时，报警电路报警，能满足设计要求。
4.2 仿真结果分析
由上面的仿真图可以看出，当水位处在1米或者7米的时候，报警电路的发光二极管都会亮，即能起到报警的作用；数码管显示电路能够实时的显示当前的水位，也能正常工作；电机控制电路在水位低到1米时，电机会启动，在6米时，电机会停止工作，基本上能够满足设计的要求。

第5章 水位自动控制装置实物制作
5.1 信号产生电路焊接
5.2 报警电路焊接
5.3 水位显示电路焊接
5.4 水位自动控制装置作品
5.5作品测试与数据分析
第6章 课设总结
本次设计的水位自控控制装置，简便、实用、功能较全。此装置能够自动控制水位，即将水位控制在一定范围内，当水位超出这个范围时能够自动通过装置下降水位至正常水位；水低了就通过抽水机使水池内的水位上升至正常水位，节省了人为的工作。
本次设计的水位自动控制装置主要有信号产生与处理、水位显示电路、电机控制电路、报警控制电路四个单元电路组成，用来实现水位控制、水位显示与报警的功能。其中，水位控制电路主要由高低电平来模拟，用74LS148芯片给输入的模拟信号编码，其输出信号作为有效的驱动信号，驱动其他的电路工作；电机控制电路主要是用74LS20和与非门组成；水位显示电路则由BCD-7段译码显示器驱动器74LS47；水位报警电路主要包括四输入与非门、继电器、手动开关、电机四个部分。
将各个单元电路级联在一起，就得到水位自动控制装置的总体电路图，通过Multisim软件的仿真，结果基本上可以满足题目的要求。但是，由于在电路的连接和焊接的过程中，出现了一些不可避免的问题，使整体电路在做测试和调试的时候，没有达到预期的要求。

本人签字：

参考文献
[1] 阎石主编.数字电子技术基础.第五版.北京：高等教育出版社.2010.
[2] 彭芥华主编. 电子技术课程设计指导. 北京：高等教育出版社.2008.
[3] 高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计. 电子工业出版社.2012.
[4] 方建中主编.屈民军副主编电子线路实验.北京：清华大学出版社.2011.
[5] 路而红主编.专用集成电路设计与电子设计自动化.浙江大学出版.2013.
[6] 康华光主编.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社.2009.
[7] 阎石主编.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社.2010.
[8] 康华光主编.电子技术基础.数字部分. 4版. 北京：高等教育出版社.2010.
[9] 郑家龙主编.集成电子技术基础教程. 北京：高等教育出版社.2012.
[10] Altera 可编程逻辑器件及其应用.刘宝琴，译，北京：清华大学出版社.2009.

附 录 I
总体电路图

附 录 II

元器件名称
参数
元器件名称
参数
编码器
74LS148
编码器
74LS20
二入与非门
74LS00
BCD码驱动器
CD4511
反相器
74LS04
7段LED数码管

或门
74LS32
LED

元器件清单