水位控制器的设计毕业论文.doc

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1、河南质量工程职业学院毕 业 设 计（论 文）题 目：数控直流稳压电源的设计系 别： 机电工程系 专 业： 电子测量技术与仪器 班 级：2006级电子测量（1）班 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 河南质量工程职业学院毕业设计（论文）任务书专业班级08级检测技术及应用姓名 学号02023080108指导教师 设计（论文）题 目水位控制器的设计主要研究内容 本任务的目的是为了让水箱具有自动控制水位的能力。当水位超出这个范围时能够自动调整水位使其落在规定的范围内，水位低了就控制水泵工作抽水，使水箱内的水位上升，到达一定高度时水泵停止抽水，从而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围的目的。另

2、外还要使水箱具有显示水位和超出一定范围报警的功能。主要技术指标或研究目标1、可以实现供水自动化；2、可以实现自动报警；3、方便操作，利于管理。基本要求1、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；2、因特殊情况水位超限（如高至 7 米 、低至 1 米 ）报警器报警。；3、由数码管直观显示当前水位。主要参考资料及文献【1】曹克澄单片机原理及应用机械工业出版社2009.1【2】付 涛传感检测与测量仪器机械工业出版社2010.6【3】张志良电子技术基础机械工业出版社2009.1摘要本设计的目的是为了让水箱具有自

3、动控制水位的能力。传感器收集到信号后由放大电路传递到编码器，产生控制电路的信号。当水位超出设定范围时能够自动调整水位使其落在规定的范围内；水位低了就控制电机工作抽水，使水箱内的水位上升，到达一定高度时电机停止抽水，从而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围的目的。另外还要使水箱具有显示水位和超出一定范围报警的功能。关键词：水位控制；报警；显示AbstractThis is designed to let water tank of water level with automatic control ability. Sensors to collect signal by ampli

4、fying circuit after passed to the encoder, produce control circuit signal. When the water beyond set range can automatically adjust the water level in its fall within the scope stipulated by; Water levels low control motor, that tank pumping water level rose when reach a certain height, the motor st

5、ops pumping, thus achieved without artificial specifically to control water can make the purpose of keeping within a certain range. Also make cistern display of water level and beyond a certain range of functions. Police Keywords：Level control； alarm ；display 目录摘要3Abstract41引言62 总体方案设计62.1 设计思路62.2

6、总体设计图63设计组成及原理分析73.1信号产生部分73.1.1信号的产生73.1.2传感器的选择83.2信号处理部分83.3 电机控制电路103.4水位显示电路113.5 报警控制电路134 小结15致谢15参考文献15附录161引言 在日常生活和生产中，水位控制装置有着广泛的应用，如水塔、楼房水箱等。水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式、行程开关式、电节点式、压力式、电子式、微机式等。这些装置或多或少都存在一定的缺点：浮子开关式采用机械结构，维护起来不方便；微机式控制装置虽然操作方便，点造价较贵。本文从实用性和经济性出发设计一种水位自动控制装置，该装置结构简单，维护方便，工作可靠性能价格

7、优良，在多中场合下均可采用。2 总体方案设计2.1 设计思路 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其他电路的控制信号，控制其他电路工作：电机控制电路部分接收到由信号处理电路输入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；水位显示电路接收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驱动报警器报警。由信号产生-信号处理-电机控制-电机-信号产生，这个循环就能使水箱具有自动控制水位的能力。2

8、.2 总体设计图由任务分析可知，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认为加入。因此也可以将整个电路设计为五个部分：信号产生，信号处理，电机控制，报警控制和水位显示电路，整体电路框架如下图所示。图1 整体电路框图 3设计组成及原理分析 3.1信号产生部分 3.1.1信号的产生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

9、接通与断开：当水位上升时接通点信号；当水位下降时断开电信号。按此分析，只要在水箱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，水位低于探头时断开电信号。把电信号接通时设为有效信号即输入信号，而断开时设为无效信号，因此可以由电信号的连接与断开之间的变化产生信号当作控制信号，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。图2 信号采集图3.1.2传感器的选择电容式传感器将被测物理量的变化转换为电容的变化，从而实现将非电量转化为可测的电信号。电容式传感器结构简单、体积小、分辨率高、稳定性好，因此采用其收集信号。工作原理 由两个分开的平行金属板组成，电容量 C= = A为

10、两极板相互遮盖的有效面积；d为两极板间的距离，也称极距；为两极板间的介电常数；为两极板间介质的相对介电常数；为真空的介电常数，=8.85（）。由公式可知，在A、d、三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C发生变化。固定三个参量中的任意两个，可做成三种类型的电容传感器：变面积型；变极距型；变介电常数型。我们这里主要用到变极距型电容式传感器。3.2信号处理部分待添加的隐藏文字内容1该部分主要是对输入信号进行处理输出其他电路的控制信号。由于水的导电性十分微弱，由于公共端通过探头的电信号会很小，不一定能够成为满足电路工作的控制信号，因此有必要先对输入信号进行放大处理。根据元器件的功能可知，晶体管

11、具有放大、饱和截止三种工作状态，可选用一种状态对输入信号进行处理。图3 放大电路由探头出来的电信号输入到信号输入端，由信号输出端输出。当有电流从电机流入探头时，经过电阻R到达晶体管Q的基极，此时三极管的发射结和集电结都正偏。当发射结电压超过三极管的导通电压时，由晶体管的工作条件可知此饱和状态，即相当于开关的闭合状态，接通集电极与发射极，使集电极输出低电平。经过三极管处理的信号还只是一个低电平的信号，没有控制其他电路工作的能力，还必须经过编码处理，所以设计成具有编码功能的电路。图4 信号转换a-h为信号输入端，DCBA为信号输出端。编码器74147 编码输入有效电平为低电平，编码输出为BCD反码

12、，即当输入端有 0 输入时，输入端输出与之对应的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。表1 74147真值表输入输出123456789DCBA11111111111110111111111110011111111101011111111000111111011011111010011110010111000010111注：1高电平；0低电平；任意态。由真值表可以知道，当在编码器输出端接上反相器即可使输出的BCD码与其输入“0”的高位输入端相对应，即当“3”输入“0”时输出BCD码0011与十进制的“3”相对应。3.3 电机控制电

13、路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

14、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。图5 电机控制电路 DCBA为信号输入端。IC7420为四输入与非门，手动开关为三路选择开关。 由电路图可知，该电路主要由四个部分组成：四输入与非门、继电器、手动开关、电机。当DCBA输入为0001信号时经反相器后接到四输入与非门输入端为1111则输出为低电平0，接到与门一端使其锁住；当DCBA输入为0110时经反相器接到四输入与非门输入端为1111亦输出低电平0，经过反相器后输出高

15、电平1接到或门一端。电路工作原理：假设刚开始水塔的水位在2米以下，则先将手动开关拨向3使电机接通AC220V工作抽水，当水位上升到2米以上6米以下时，再将其拨向1，则此时由继电器控制电机。因为这时经过编码处理输出的BCD码DCBA不是为0001或0110，所以四输入与非门的两个输出端Y1与Y2都输出为高电平1。由于二输入与门的另一个输入端为低电平，则输出为低电平；而Y2输出经过反相器后亦为低电平，因此三极管处于截止状态，继电器没有工作，即放开铁片。则此时电机任由继电器的第二通道接通220V工作。当水位继续上升到6米时输入信号DCBA为0110，此时Y2输出低电平0，经反相器后为高电平1，通过逻

16、辑或门接到三极管的基极使三极管导通工作，即接通发射极与集电极，使继电器通电工作吸合铁片。从而断开电机与220V使电机停止工作，也就使水位停止在6米处。因此时继电器吸合铁片，是+5V的电源由继电器的第一通道接到与门，与Y1同为高电平则使逻辑与门输出为高电平，这样即使水位下降，Y2接到三极管的基极为低电平时也能使三极管工作在导通状态，是继电器工作吸合铁片不让电机工作。而当水位下降到低于2米时，输入端DCBA变为0001，Y1输出低电平0，锁住与门，即使与门输出为低电平0，因此时没有电流流到三极管基极而使其处于截止状态，从而断开继电器的电源使其放开铁片，这样又将电机由继电器的第二通道接通到电源，转动

17、抽水，既能将水位控制在2米以上。该电路所用的元器件已经标在图上。四输入与非门选用7420，反相器7404，或门为071，与门为7400，三极管为NPN型9013，电阻为2k，继电器为JZC-21F型直流电磁继电器，并在继电器两端的二极管主要是用来放掉继电器存储的电荷，选用4148。3.4水位显示电路用七段数码显示器显示水位。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

18、原理图如下图6（a）、（b）、（c）所示。图6 七段数码管显示器原理图由原理图可知，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，电路图如下图7所示。图7 显示器原理图DCBA为二进制码信号输入端，ag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。 经过分析，译码器选用BCD-7段译码显示器驱动器7448；显示器为共阴极七段

19、数码显示器；R阻值220欧姆。 7448译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器，其功能表如下。 表4 7448功能表十进制输入输出DCBAabcdefg000001111110100010110000200101101101300111111001401000110011501011011011601100011111701111110000810001111111由功能表可以知道，当输入信号DCBA为二进制码0000，即相当于十进制的“0”时，输出abcdefg为1111110，接到显示器上的相应输入端即显示数字“0”；当DCBA为0101，即相当于十进制的“5”时，abcdefg输出为

20、1011011，接到显示器时点亮a、c、d、f、g即显示出“5”。3.5 报警控制电路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。由555定时器和三极管构成的报警电路如图3.2所示。其中555构成谐振荡器，振荡频率其输出信号经三极管推动扬声器发声。PR为控制信号当PR为高电平时多谐振荡器工作；反之则停止工作。PR信号是由74LS20产生的。该电路主要由四输入与非门、反相器、或门、报警器构成。 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

21、。该高电平通过或门后再经过限流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的工作是否正常。四输入与非门选用7430，反相器为7404，或门为4071，报警器用石英晶体振荡器来代替。 图8 水位报警电路 4 小结本设计采用电容式传感器制作成水位传感器，让水位自动控制在一定范围内，当水位到达限制最低点时使电机启动，带动水泵上水；当水位升至最高限制点时，使电机停转；因特殊情况水位超限报警器报警。并使水箱具有自动控制水位的能力，从而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围的目的。当传感器接收到信号，经过放大电路放大成为可用的电信号，再由编码器处理，产生BCD反码，流经反相器转换，一部

22、分连接到LED数码管，显示水位，另一部分连接电机，控制电路。水箱还具有水位超出一定范围报警的功能。当电路工作异常时，振荡器会产生震荡电流，通过蜂鸣器产生振动，可以人工控制电路。致谢在此次设计中，我得到过老师和同学的帮助与支持。尤其是我的指导老师陆晓强老师。在他紧张而又繁忙的工作之中，还要抽出一定的时间为我们解答设计课题相关的问题，并且不断的对我进行指导，也正是有陆老师的耐心指导，我此次的设计才能够顺利并按时的完成，在这里我深深的对他表示感谢。最后，再次感谢学校及领导的大力支持，以及机电工程系的各位老师和许多的朋友、同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后，谢谢你们！参考文献1 曹克澄单片机原理及应用机械工业出版社2009.12 付涛传感检测与测量仪器机械工业出版社2010.63 张志良电子技术基础机械工业出版社2009.14 张庆双电子元器件的选用与检测机械工业出版社20035 龚华生元器件自学通电子工业出版社2005附录总电路图