電子課程設(shè)計(jì) 數(shù)理 學(xué)院 應(yīng)用物理 專業(yè)題 目： 帶保護(hù)裝置的水塔自動(dòng)進(jìn)水裝置 姓 名： 林錦森 學(xué) 號(hào)： 132412130 指導(dǎo)教師： 米啟超、寧蘊(yùn)緋 時(shí)間： 2015年 1 月 05 日 2015 年 1月 10日請(qǐng)預(yù)覽后下載！目錄一、設(shè)計(jì)目的3 二、設(shè)計(jì)要求3 三、設(shè)計(jì)方案4 四、設(shè)計(jì)組成及原理分析6 五、整體電路圖10 六、元器件的選用及其參數(shù)11 七、設(shè)計(jì)總結(jié)13八、參考文獻(xiàn)15 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ 一、設(shè)計(jì)目的通過這次設(shè)計(jì)熟練對(duì)電子設(shè)計(jì)的動(dòng)手技能提高電子設(shè)計(jì)的能力同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生收集、整理、分析和刷選利用資料及各類信息的能力也使得學(xué)生通過這次的設(shè)計(jì)對(duì)所學(xué)的數(shù)電和模電知識(shí)及各種電路、電路元件的功能更好的理解和運(yùn)用。2、 設(shè)計(jì)要求(1)要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)帶保護(hù)裝置的水塔自動(dòng)進(jìn)水裝置。 (2)要求有水滿、進(jìn)水、水量不足指示,當(dāng)水位底時(shí)要自動(dòng)進(jìn)水水滿時(shí)斷電停水,水位過低時(shí)能進(jìn)行斷電保護(hù)信號(hào)。 本文設(shè)計(jì)了一種水位控制電路。當(dāng)水位超出規(guī)定范圍時(shí),系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整水位,使其落在規(guī)定的范圍內(nèi)；當(dāng)水位低于規(guī)定范圍時(shí)就控制水泵工作抽水，使水塔內(nèi)的水位上升，到達(dá)規(guī)定高度。從而達(dá)到不用人工專門去控制即可使水位保持在一定范圍內(nèi)的目的。另外本電路還具有顯示水位和超出一定范圍報(bào)警的功能。 常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，水位控制裝置有著廣泛的應(yīng)用，如水塔、樓房水箱、鍋爐等。水位控制裝置的形式有很多種，浮子開關(guān)式電節(jié)點(diǎn)式，壓力式，電子式，微機(jī)式等。這些裝置或多或少的存在著一些缺點(diǎn)，浮子開關(guān)式采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，維護(hù)起來(lái)不方便；微機(jī)式控制裝置，雖然操作方便，但造價(jià)較貴本文從實(shí)用型和經(jīng)濟(jì)型出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種水位控制裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，工作可靠，性能價(jià)格比優(yōu)良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺點(diǎn)請(qǐng)預(yù)覽后下載！，并提供了自動(dòng)報(bào)警自動(dòng)保護(hù)功能。有很多場(chǎng)合下均可采用。 3、 設(shè)計(jì)方案 1、設(shè)計(jì)思路 每部分電路都有其相應(yīng)功能，首先有信號(hào)產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個(gè)電路的輸入信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理部分處理之后輸出其他電路的控制信號(hào)，控制其他電路工作，電機(jī)控制電路部分接收到有信號(hào)處理電路輸出的有效控制信號(hào)后正常工作驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，使水位上升，而水位的變化又直接關(guān)系到信號(hào)的產(chǎn)生，因此有個(gè)循環(huán)的過程，即使水位保持在一定范圍內(nèi)，水位顯示電路接收到有效信號(hào)后驅(qū)動(dòng)顯示器工作，使其顯示該時(shí)刻的水位；水位超限時(shí)輸出為報(bào)警電路的有效2 控制信號(hào)使報(bào)警電路工作，驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。由“信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)處理電機(jī)控制電機(jī)信號(hào)產(chǎn)生”這個(gè)循環(huán)就能使水塔具有自動(dòng)控制水位的能力。 2、 現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的分析 （1）繼電器式自動(dòng)上水控制裝置 繼電器式自動(dòng)上水控制裝置工作原理是通過接入220V繼電器控制電路的3個(gè)探測(cè)電極來(lái)檢測(cè)水位高低使繼電器閉合或開啟，控制水泵電動(dòng)機(jī)的開停，達(dá)到控制水位的目的，控制電路較簡(jiǎn)單，但要注意以下幾點(diǎn): 1)在維修水塔中的水位探測(cè)電極時(shí)，須斷開主回路和控制回路電源開關(guān)，以防止N線回路由于零電位漂移而帶電，或從控制回路線圈回路串過來(lái)使N線帶電請(qǐng)預(yù)覽后下載！，造成維修人員的觸電危險(xiǎn)。 2)在水塔的低水位探測(cè)電極C的引線端必須進(jìn)行N線的重復(fù)接地。接地電阻要求小于4，使C點(diǎn)水位探測(cè)電極保持良好的零電位，以利于繼電器的可靠吸合，使自控電路運(yùn)行穩(wěn)定。 3)在水泵向水塔供水時(shí)，由于水流的沖擊，使水塔內(nèi)的水位波動(dòng)起伏，容易導(dǎo)致繼電器吸合、斷開的頻繁跳動(dòng)，影響自控電路的正常穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這個(gè)問題，我們可以在水塔中放置一木排浮漂，使水塔的水位上升平衡穩(wěn)定。（2）晶體管式自動(dòng)上水控制裝置 晶體管式自動(dòng)上水控制裝置工作原理是水位高低控制串接探測(cè)電極的2支晶體三極管的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而控制繼電器回路，達(dá)到自動(dòng)(可手動(dòng))啟停水泵電動(dòng)機(jī)的目的以控制水位。設(shè)計(jì)與使用中應(yīng)注意以下問題: 1)自制電子式自控裝置所選用的電子電器元件必須是正規(guī)產(chǎn)品，并應(yīng)對(duì)元器件的主要技術(shù)參數(shù)逐項(xiàng)檢測(cè)。對(duì)裝配好的整機(jī)要進(jìn)行電老化及熱老化的試驗(yàn)，并在電氣試驗(yàn)室作額定工作狀態(tài)的頻繁動(dòng)作100次以上的傳動(dòng)試驗(yàn)，以及絕緣耐壓試驗(yàn)等。 2)由于三極管輸出信號(hào)較小，需通過中間繼電器來(lái)控制主回路接觸器，以延長(zhǎng)器件壽命，增加可靠性。 3)水位探測(cè)電極，至少要用6mm2的銅芯塑料線，如用30mm3mm或40mm4mm銅排則更好。其端部要用電烙鐵加熱搪錫，以防止探測(cè)電極氧化銹蝕降低電極3 的導(dǎo)電性能。 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ 4)定期對(duì)整個(gè)控制電路檢修維護(hù)和探測(cè)電極的清掃除垢。 3、總體設(shè)計(jì)框圖 由任務(wù)分析可知該設(shè)計(jì)電路有兩個(gè)功能：水位控制、水位顯示。而要有這些功能就必須要有使其工作的控制信號(hào)，所以首先即必須要有輸入信號(hào)，因?yàn)槿蝿?wù)要求是自動(dòng)控制，所以輸入信號(hào)也必須由電路自己產(chǎn)生而不能人為加入，因此可以將整個(gè)電路設(shè)計(jì)為以下部分：信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)處理、電機(jī)控制和水位顯示電路。整體電路框架如下圖1所示。 圖1總體設(shè)計(jì)框圖4、 設(shè)計(jì)組成及原理分析 4.1信號(hào)產(chǎn)生部分 該電路的目的是產(chǎn)生有效的輸入信號(hào)，主要原理是利用水的弱導(dǎo)電性。水屬于弱導(dǎo)電質(zhì)、即使這樣也可以通過水來(lái)傳遞微弱的電信號(hào)，鑒于此原理，初步將該電路設(shè)計(jì)成由水面上升與下降來(lái)控制電信號(hào)的接通與斷開；當(dāng)水位上升時(shí)接通電信號(hào)；當(dāng)水位下降時(shí)斷開電信號(hào)。按此分析，只要在水塔里放上用來(lái)傳遞電信號(hào)的探頭，請(qǐng)預(yù)覽后下載！則水位上升到探頭位置時(shí)接通電信號(hào)；水位低于探頭位置時(shí)斷開電信號(hào)。把電信號(hào)接通時(shí)設(shè)為有效信號(hào)即當(dāng)做輸入信號(hào)，而斷開時(shí)設(shè)為無(wú)效信號(hào)，因此可以由電信號(hào)的接通與斷開之間的變化產(chǎn)生信號(hào)當(dāng)做控制信號(hào)。在水塔的不同位置放置幾個(gè)探頭時(shí)就可以根據(jù)水位的高低接通某些探頭和斷開某些探頭。因此只要知道每個(gè)探頭具體位置，再根據(jù)其輸出電信號(hào)的情況就能大致確定水位的位置，將探頭輸出的電信號(hào)當(dāng)做輸入信號(hào)經(jīng)過處理后成為電路的控制信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)水塔分水滿、不足、兩者之間三部分，因此可用探頭個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為三個(gè)點(diǎn)的水位，原理圖如下 a-c為三個(gè)檢測(cè)探頭，其中a探頭表示水箱底部水不足的臨界點(diǎn)，b表示在水滿和水不足之間，c探頭表示水滿的觸點(diǎn)。COM為公共電極接+5V，為了提高精確度，將公共電極盡可能的靠近探頭，即使電極與探頭的距離盡量小，有利于電信號(hào)的傳遞。 圖2 探頭原理圖4.2信號(hào)處理部分 請(qǐng)預(yù)覽后下載！ 該部分主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理輸出其他電路的控制信號(hào)，由于水的導(dǎo)電性十分微弱，不一定能夠成為滿足電路工作的控制信號(hào)，因此可以接一個(gè)反相器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。 圖3信號(hào)處理部分4.3水位顯示部分 由以上電路的設(shè)計(jì)，可選用74LS147的優(yōu)先編碼器，所謂“優(yōu)先”編碼即多5 個(gè)輸入端同時(shí)滿足編碼條件時(shí)，只對(duì)最高位編碼。先用優(yōu)先編碼器把所輸入信號(hào)進(jìn)行編碼，編碼后由于輸出低電平信號(hào)有效所以用反相器進(jìn)行校正，校正后驅(qū)動(dòng)顯示器進(jìn)行工作。 用開關(guān)的通斷來(lái)分別表示水滿、不足、中等這幾個(gè)信號(hào)，水滿時(shí)顯示器可顯示3，水不足時(shí)顯示1。 根據(jù)要求該電路設(shè)計(jì)以編碼器為核心的編碼電路，具有設(shè)計(jì)的電路如下圖4所示：請(qǐng)預(yù)覽后下載！圖4信號(hào)編碼電路4.4電機(jī)控制電路 該部分為整個(gè)設(shè)計(jì)電路的重點(diǎn)部分，也是難點(diǎn)部分。主要目的就是要控制電機(jī)的工作，通過控制電機(jī)的工作來(lái)控制水位，這也就是本實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)目的。 現(xiàn)用燈泡的亮滅代替電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于任務(wù)要求：當(dāng)水位低時(shí)要自動(dòng)進(jìn)水，滿時(shí)要及時(shí)斷電停水。也就是說(shuō)只有A開關(guān)閉合時(shí)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)在用燈泡來(lái)表示即為燈滅；當(dāng)3個(gè)開關(guān)都閉合是即顯示3燈亮。該部分電路設(shè)計(jì)如下圖： 請(qǐng)預(yù)覽后下載！圖5電機(jī)控制電路 由于當(dāng)DCBA為0011是燈亮，DCBA為0001是燈滅，故上圖開關(guān)A閉合表示B=1，A打開表示B=0. 其原理為：A1和A2是兩個(gè)555時(shí)基集成電路，其中，A1及R1、R2、C2組成自激多諧振蕩器，A1的3腳每50s輸出一個(gè)寬度僅為0.1s的低電平脈沖。A2與R4、C3組成延遲約為70s的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 當(dāng)水池中水位最低時(shí)即顯示器顯示1時(shí)，上面開關(guān)斷開，此時(shí)A2的2腳為低電平，3腳為高電平，燈不亮。當(dāng)水位上升最高點(diǎn)時(shí)開關(guān)閉合，A2的2腳仍為高電平，A2的3腳變?yōu)榈碗娖?，燈亮?表1 請(qǐng)預(yù)覽后下載！DCBA燈0001滅0010保持0011亮5、 整體電路圖圖6整體電路圖6、 元器件的選用及其參數(shù) （1）在這里選擇的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，是由555定時(shí)器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。先對(duì)555定時(shí)器做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。如圖7示是它的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖。 請(qǐng)預(yù)覽后下載！圖7 555定時(shí)器下表是555定時(shí)器的功能表充分說(shuō)明了它的特性。 表2 555功能表 555定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。 在這里用到的555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器其工作特性是沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)一直保持低電平不變，有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，先會(huì)進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)再回到穩(wěn)定狀態(tài)。555時(shí)基電路(IC)接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形式請(qǐng)預(yù)覽后下載！，繼電器接在IC輸出端3腳與地之間，2腳為觸發(fā)信號(hào)輸入端。平時(shí)3腳輸出信號(hào)V=0，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有一負(fù)觸發(fā)脈沖Vi作用于2腳時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出信號(hào)Vo=VCC。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是每觸發(fā)一次555時(shí)基電路便驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作一個(gè)固定的時(shí)間，該工作時(shí)間等于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出脈寬丁(T=1.1RC)。在這里主要發(fā)揮了它的三大特點(diǎn):其一，觸發(fā)電流僅為0.5A，特別適用于電極式水位觸發(fā)導(dǎo)通電流越小越好的關(guān)鍵技術(shù)特性；其二，輸出負(fù)載電流大，最大可達(dá)200mA，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器；其三，可利用單穩(wěn)態(tài)電路的延時(shí)特性避免由于水流沖擊導(dǎo)致水塔內(nèi)水面波動(dòng)起伏而影響輸出繼電器頻繁跳動(dòng)的不良現(xiàn)象，以使自控電路工作更加穩(wěn)定可靠。如圖8示為555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路圖。 圖8 555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路圖（2）其他元器件及其參數(shù) 表3器件及其參數(shù)請(qǐng)預(yù)覽后下載！Q1-Q8、Q9三極管 9013 9014R1-R8、R9、R10-R16電阻10k 2k 220歐姆IC1編碼器 74147IC2反相器7404IC3、IC4四輸入與非門7420IC5譯碼器7448IC6二輸入或門4071IC7二輸入與門7400C1-C8電解電容10uf報(bào)警器NE555時(shí)基定時(shí)器顯示器顯示器7、 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)數(shù)字電子方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計(jì)過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測(cè)調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。 這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下請(qǐng)預(yù)覽后下載！，終于游逆而解。課程設(shè)計(jì)誠(chéng)然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升，同時(shí)又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。 通過這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了信號(hào)產(chǎn)生部分；了解了電機(jī)控制電路的方法；以及如何提高信號(hào)處理的性能等等，掌握了電路仿真的方法和技術(shù)，通過查詢資料，也了解了555定時(shí)器原理。 我認(rèn)為，在這學(xué)期的實(shí)驗(yàn)中，不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。 在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說(shuō)得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。實(shí)驗(yàn)過程中，也對(duì)團(tuán)隊(duì)精神的進(jìn)行了考察，讓我們?cè)诤献髌饋?lái)更加默契，在成功后一起體會(huì)喜悅的心情。果然是團(tuán)結(jié)就是力量，只有互相之間默契融洽的配合才能換來(lái)最終完美的結(jié)果。此次設(shè)計(jì)也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時(shí)請(qǐng)教或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動(dòng)腦思考，動(dòng)手實(shí)踐，就沒有弄不懂的知識(shí)，收獲頗豐。 請(qǐng)預(yù)覽后下載！八、參考文獻(xiàn) 1 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）M. 華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組 編.高等教育出版社 2006年1月第5版. 2008年12月第6次印刷. Page 203-230 2 卿太全，李簫，郭明瓊.常用數(shù)字集成電路原理與應(yīng)用M.北京：人民有點(diǎn)出版社，2006 3 劉修文. 實(shí)用電子設(shè)計(jì)制作300例M.中國(guó)電力出版社，2005 4 劉浩斌. 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)M.電子工業(yè)出版社，2007 5 閻 石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.高等教育出版社，2005 附錄：請(qǐng)預(yù)覽后下載！請(qǐng)預(yù)覽后下載！ （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正，謝謝!） 請(qǐng)預(yù)覽后下載！