电子技术课程设计——水位控制器设计.doc

电子技术课程设计（报告）

东 北 石 油 大 学

课 程 设 计

课 程 电子技术课程设计
题 目 水位控制器设计
院 系 电气信息工程学院
专业班级 自动化12-07班
学生姓名 林彦超
学生学号 120601140717
指导教师 白丽丽

2014年 7月 6日

9

东北石油大学课程设计任务书

课程 电 子 技 术 课 程 设 计
题目 水 位 控 制 器 设 计
专业 自 动 化 姓名 林彦超 学号 120601140717

主要内容：
根据设计要求，运用所学的模拟电子技术及电路基础等知识，自行设计一种水位控制器，能够实现水箱中的水位低于预定的水位时，自动启动水泵抽水；而当水箱中的水位达到预定的高水位时，使水泵停止抽水，始终保持水箱中有一定的水。
Ø 工作温度范围：-40℃～+50℃
Ø 连续工作时间：可24小时连续工作。
Ø 水位探头线长度小于1.5米（过长的话容易引入无线电干扰信号，而使系统无法正常工作）。
Ø 具有自动启动水泵抽水的功能。
主要参考资料：
[1] 潘松著. EDA技术实用教程[M] ．北京：科学出版社，2005.
[2] 阎石. 数字电子技术基础[M] ．北京：高等教育出版社2001．
[3] 曹国清．数字电路与逻辑设计[M] ．徐州：中国矿业大学出版社，2001．
[4] 乔铁柱．水位传感器研究及测控仪研究[D] ．山西：太原理工大学，2004．
[5] 彭介华. 电子技术课程设计指导[M] ．北京：高等教育出版社，1997.
[6] 孙梅生. 电子技术基础课程设计[M] ．北京：高等教育出版社，1998.
[7] 高吉祥．电子技术基础实验与课程设计[M] ．北京：电子工业出版社，2002.

完成期限 2014.6.30—2014.7.6
指导教师 白 丽 丽
专业负责人
2014年 6 月30 日

目 录
1 任务和要求 1
2 总体方案设计与选择 1
2.1 簧管触发双稳态水位控制器 2
2.2 三相水位控制器 2
2.3 两线水位控制器 2
3 电路总原理框图设计 3
4 单元电路设计 4
4.1 传感器电路设计方案 4
4.2 逻辑门电路设计方案 4
4.3 继电器设计电路 5
4.4 电机参数与作用 6
5 单元电路的级联设计 6
6 实验调试结果 6
7 设计总结 7
参考文献 8
附 录 9

1 任务和要求

(1)任务：设计一种可自动控制水面高度的水位控制器。
(2)水位控制器性能要求：
Ø 工作温度范围：-40℃～+50℃。
Ø 连续工作时间：可24小时连续工作。
Ø 水位探头线长度小于1.5米（过长的话容易引入无线电干扰信号，而使系统无法正常工作）。
Ø 具有自动启动水泵抽水的功能。
2 总体方案设计与选择
2.1 簧管触发双稳态水位控制器
簧管触发双稳态电路来控制水泵，干簧管A用于低水位检测，千簧管B用于高水位检测。刚接通电源时，只要水位不在最高位置，电路即会处于V2饱和导通、V3截止的状态，继电器K吸合，其常开触头接通水泵电动机的工作电源，水泵开始抽水。

当水箱内水位上升至最高水位时，水上的浮体 (内有磁铁)靠近干簧管B，在磁场的作用下，干簧管A内部的常开触头接通，使V4导通，V3和V2截止，K释放，水泵停止抽水。当水位降至低水位时，干簧管A的常开触头在浮体内磁铁的磁场作用下接通，使Vl导通，V2饱和导通，V3截止，K吸合，水泵又开始抽水。如此周而复始，使水箱内水位始终在高水位与低水位之间升降变化。

图1 簧管触发双稳态水位控制器原理图
2.2 三相水位控制器
。
。
。
。
三相水位控制器原理如图2接通刀开关Q，按动S2后，KM通电吸合，其常开触头吸合，水泵电动机通电工作。与此同时，相线L2与零线N之间的220V交流电压经Cl降压、VDl和VD2整流、VS稳压及C2滤波后，产生9V直流电压。该电压一路直接加至IC的l脚 (输入端);另一路经R2和电极a、b之间水的电阻加至IC1的5脚 (控制端)，使IC内部的电子开关接通，其2脚的输出电压经R4将VLC内部的发光二极管点亮，VLC内部的光敏晶体管导通，其发射极输出的高电平通过V加至VT的门极，使VT受触发而导通，中间继电器KA通电吸合，其常开触点接通，使KM在S2松开复位后仍锁定为吸合状态。水被抽干后，电极a,b之间的阻值增大，使IC的5脚变为低电平，其内部的电子开关断开，VLC和VT截止，KA和KM断电释放，水泵电动机M停止工作。

图2 三相水位控制器原理图
2.3 两线水位控制器
本设计采用金属探针作为水位检测传感器，将水位信息输出到555定时器与逻辑门电路组合的电路中，通过组合电路判断出当前水位的情况，由两个与非门驱动继电器，使给、排水电机工作，达到自动控制水位的效果。水位探针用细金属制作，垂直安放在盛水容器内。水位探针可以同供水器安装成一体，从盒体下部伸出，也可单独安装，其间用导线与供水器相连。
当探针 A、B都为高电位时，信号进入555定时器后，输出转化为低电位，通过非门U2A转化为高电位，此时继电器K1打开，使给水电机工作。同时信号也经过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为低电位，继电器K2仍然关闭，排水电机不工作。实现补水。当探针A、B都为低电位时，信号进入555定时器后，输出转化为高电位,经过U2A非门转化为低电位，此时继电器K1关闭，给水电机不工作。同时信号也经过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为高电位，继电器K2打开，使排水电机工作，实现放水。

图3 两线水位控制器原理图
方案一用到了双干簧管，价格比较高，虽然探测的效果比较好，但是制作起来比较麻烦，不适合作为课程设计的选择。方案二简单明了，但运用了光敏原件，容易受到外界条件的干扰，方案三用到了简单的元件并且设计合理，既具备了方案一的优点又解决了方案二的不足。因此选用方案三作为本课题的原理方案。
3 电路总原理框图设计
水位控制器的原理框图如图4示。
探针探测
液位高度水
逻辑门电路
给排水发光二极管显示
给排水继电器
给排水电机
系统电源
电机电源开关

图4 水位控制器原理图
4 单元电路设计
4.1 传感器电路设计方案
水位传感器的敏感元件是利用单晶硅的压阻效应原理制成的，在单晶硅上形成1个与传感器量程相应厚度的弹性膜片，采用微电子工艺在弹性膜片上形成4个应变电阻，组成1个惠斯顿电桥，如图5所示。当压力作用后，弹性膜片就会产生变形，形成正、负2个应变区，材料的电阻率就要发生相应的变化。当单晶硅片受到压力作用时，电桥一个对臂的2个电阻阻值增大，另一个对臂上的2个电阻阻值减小。这样，在一定电源激励下，电桥的输出端就会输出一个与被测压力成一定比例关系的电压信号。
R2+△R
R1-△R

E
A

D
B

R4-△R
R3+△R
C

。
。

图5 传感器采集水位信号原理图

图5中△R是由于压阻效应产生的电阻的变化量。在水的压力作用下，电桥的输出UBD=I△R，可见电桥的输出与电阻的变化量成正比，也就是与水的压力(或深度)成正比，从而将水位物理量变成对应的近似成线性比例关系的电信号。当水位升高或降低时，单晶硅所受压力随之改变，输出正比于水位的电压信号。
水位传感器利用水的压力与水的深度成正比的关系来测量水位，水压力即差压。当把传感器探头投入到水中某一位置时，测点的水压力为：

式中P——测点的水压力，g/cm2。
H——测点水深，即测点至水面距离，cm。
ρ——水的密度，kg/m3。
可推算得，测点水深：H=P/ρ。

4.2 逻辑门电路设计方案
逻辑门电路的主要作用是判断探针传来的液位信息，分析可知，当A、B都为高电位时应使给水电机工作，A、B都为低电位时应使排水电机工作，其他状态均不工作。逻辑门电路如图6所示。

图6 逻辑门电路
当A和B均为低电平时，则两个均导通，T1导通而M4和M5均截止，输出L为高电平。与此同时，M1通过M2和M5被VDD所激励，从而为T2的基区存储电荷提供一条释放通路。另一方面，当两输入端A和B中之一为高电平时，则M2和M3的通路被断开，并且M4或M5导通，将使输出端为低电平。M1或M6为T1的基极存储电荷提供一条释放道路。因此，只要有一个输入端接高电平，输出即为低电平。
4.3 继电器设计电路
继电器是一种电子控制器件，是具有隔离功能的自动开关元件，可以将电动机的干扰有效的隔离。它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“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。本设计继电器采用固态继电器，以降低功耗。固态继电器是一种没有机械，不含运动零部件的继电器，但具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小，能以微小的控制信号直接驱动大电流负载等优点。

图7 继电器原理图
继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断导通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。
释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即　Kf= xf /xx ，触点上输出的控制功率Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系数，即Kc=PC/P0。
4.4 电机参数与作用
电机采用24V供电直流电机。负责给水、排水。
5 单元电路的级联设计
将传感器、逻辑门电路、继电器、电机按图4所示顺序用直接耦合的方式连接，就构成了完整的水位控制器。
6 实验调试结果
当探针 A、B都为高电位时，信号进入逻辑门电路组合的电路中，输出转化为高电位，此时继电器K1打开，LED2显示红灯亮，使给水电机工作。同时信号也经过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为低电位，继电器K2仍然关闭，排水电机不工作。实现补水。
当探针A、B都为低电位时，信号进入555定时器与逻辑门电路组合的电路中，输出转化为低电位，此时继电器K1关闭，给水电机不工作。同时信号也经过U2B与A端输入信号的非信号进行与,转化为高电位，继电器K2打开，LED1显示绿灯亮，使排水电机工作。实现放水。从而实现对水位的控制。
7 设计总结
本设计通过电子探头对液位进行检测，再由液位检测专用芯片对检测到的信号进行处理,当被测液体到达动作点时，芯片输出高或低电平信号，再配合水位控制器，从而实现对液位的控制。
此设计尚不成熟，采用了比较简易的设计方法，但基本上满足要求。由于我的能力所限这个设计不是很完善，还有许多的地方需要加以改善。在与同学们的讨论和老师的指导下，我终于完成了本次的课程设计。通过本次的课程设计我学会了设计电路的基本设计方法和设计的思路，同时也感觉到自己基础知识的不牢固和知识面的缺乏。从本次设计中体会到平时应该注重知识面的扩展和基础知识的积累。并且应该多亲自动手设计，巩固基础知识,拓展知识面,提高电子设计的能力。
参考文献
[1] 潘松著. EDA技术实用教程[M] ．北京：科学出版社，2005.
[2] 阎石. 数字电子技术基础[M] ．北京：高等教育出版社，2001．
[3] 曹国清．数字电路与逻辑设计[M] ．徐州：中国矿业大学出版社，2001．
[4] 乔铁柱．水位传感器研究及测控仪研究[D] ．山西：太原理工大学，2004．
[5] 彭介华. 电子技术课程设计指导[M] ．北京：高等教育出版社，1997.
[6] 孙梅生. 电子技术基础课程设计[M] ．北京：高等教育出版社，1998.
[7] 高吉祥．电子技术基础实验与课程设计[M] ．北京：电子工业出版社，2002.

附 录
表1 元件清单
序号
器件名称
型号
单位
数量
备注
1
电阻R1
5K
个
1

2
电阻R2
5K
个
1

3
电阻R3
220K
个
1

4
电阻R4
220K
个
1

5
发光二极管LED

红色和绿色
个
2

6
继电器K
固态
个
2

7
U1
555
片
1

8
U2
74LS04
片
2

9
U3
74LS08
片
1

10
电机M
24V
个
2

东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
电 子 技 术 课 程 设 计
题目名称
水 位 控 制 器 设 计
学生姓名
林彦超
学号
120601140717
指导教
师姓名
白丽丽
职称
教授
讲师
序号
评价项目
指 标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20

2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45

3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5

4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30

总分

评语：

指导教师： 年 月 日