简易水塔水位控制电路课程设计论文.

1、郑州轻工业学院本科课程设计（论文） 题 目 简易水塔水位控制电路 专业班级 电信11-01 院 （系） 电气信息工程学院 完成时间 2013年6月25日 郑州轻工业学院课程设计任务书题目 简易水塔水位控制电路 专业 电信工程11-01 学号 541101030143 姓名 杨二兵 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容1阅读相关科技文献2学习protel软件地使用3学会整理和总结设计文档报告4学习如何查找器件手册及相关参数技术要求1. 要求电路能够通过控制两个水泵实现对水位地控制假定水位范围是s1s2（s1s2）,s为实际水位当ss1时,两个水泵都放水；当s1ss2时,仅一个水泵放水；当

2、ss2时,两个水泵都关闭2. 要求电路在s1、s2处不能出现跳闸现象,即水泵不能在短时间内反复在放水和关闭地状态之间转换3. 要求电路能够显示出水泵地状态4. 要求电路能够手动调节水位控制地范围主要参考资料1何小艇,电子系统设计,浙江大学出版社,2001年6月2姚福安,电子电路设计与实践,山东科学技术出版社,2001年10月3王澄非,电路与数字逻辑设计实践,东南大学出版社,1999年10月4李银华,电子线路设计指导,北京航空航天大学出版社,2005年6月5康华光,电子技术基础,高教出版社,2003完 成 期 限： 2013年6月30日 指导教师签章： 专业负责人签章： 2013 年 6 月 2

3、2日简易水塔水位控制电路摘 要随着科技地发展人们对水位控制地需求越来越多,它不仅要具有控制水位地功能,而且要能自动控制,从而能解放人力,在不需要人为控制地同时它还要能够调节控制水位地范围,我设计地这个电路由电源电路,水位监测电路,水位范围测量电路,水泵开关电路和显示电路组成它采用l水压传感器、74ls00、74139、二极管、三极管、稳压管、继电器、三端稳压电路等多种电子元件来实现各部分电路水位范围测量电路地功能是利用比较器地原理实现水位范围地确定,同时利用迟滞比较器地迟滞特性避免跳闸现象水泵开关电路地功能是完成控制电路和水泵是否工作,显示电路地功能是显示水泵是否在工作,有三种颜色不同地发光二

4、极管实现对水位状态地显示电源电路则为以上电路提供直流电源关键词 电源/水压传感器/比较器/74ls00/继电器/74139目录简易水塔水位控制电路2摘 要21 电路综合设计方案及原理41.1 综合设计图41.2 电路设计原理4电源电路4水位检测及范围测量电路5水位状态显示电路6电动机控制电路82 本实验所用器件清单及说明82.1 水压传感器82.2 迟滞比较器9电路组成9门限电压地估算10传输特性112.3 稳压二极管112.4 发光二极管122.5 三极管132.6 电磁继电器152.7 74ls20016致 谢17参考文献18附录1:元器件清单19继电器19附录2:总设计原理图20 1 电

5、路综合设计方案及原理1.1 综合设计图 显示电路水泵开关电路水位范围测量电路水位检测电路电源电路图1.1综合构架图如图1.1所示,该电路每部分相应地功能：首先有水位检测电路产生整个电路地输入信号,该信号传至范围测量电路,输出其他电路地控制信号,控制其他电路地工作,电机控制电路部分接收到有信号处理电路输出地有效控制信号后正常工作驱动电机转动抽水,使水位上升,而水位地变化直接关系到信号地产生,水位显示电路接收到有效信号后驱动显示器工作,使其显示该时刻地水位状态,因此有个循环过程：由“信号产生信号处理电机控制电机信号处理”这个循环就能使该水塔具有自动控制水位地能力本设计图由电源电路给各个电路提供直流

6、电源 1.2 电路设计原理 电源电路图 电源电路如图为电源电路直接可以从电网供电,通过变压器电路,整流电路,滤波电路,和稳压电路直接将电网中地220v交流电转换成+12v地支流电压采用常规地铁心变压器,将高压转变为低压二极管桥式电路,任务是将交流电换成直流电由c1,c2,c3,c4构成,用于滤去整流输出电压中地纹波,本电路采用电容输入式,电容具有平波作用使纹波较小,适用于负载电压较高,负载变动不大地电路采用三端稳压集成电路,有输入,输出和接地端,内部由启动电路,基准电压电路,取样比较放大电路,调整电路和保护电路组成电路中接入电容用来实现频率补偿防止稳压器自激振荡和抑制电路引入地高频干扰,另一方

7、面以减少稳压电源输出端由输出电源引入地低干扰 水位检测及范围测量电路图 水位检测电路及范围测量电路水位监测电路由可变电阻r3r4和一个电阻型水压传感器构成电阻型水压传感器是最简单也最典型地一种水压传感器,它地工作原理是通过阻抗地变化来表示水压地变化,同时将水压信号转化为电信号vs,即vs代表l实际水位s本电路采用地电阻型水压传感器型号为pt500-501,是水压传感器,即传感器地阻抗随水压地增加而增加可变电阻r3和r4地作用是通过调节可变电阻地阻值,就可以调vs地范围,也就可以调节水位控制范围水位范围测量电路由两部分构成：第一部分是由电阻r1、r2和稳压管d1、d2构成地参考电压产生电路；第二

8、部分是由迟滞比较器构成地水位范围测量电路参考电源产生电路地功能是产生一个稳定地电压,由于参考电源产生电路输出端介入比较器地输入,为l防止出现输出电流导致参考电源不稳定地情况,电路采用电阻和稳压管相结合地方式构成其中稳压管地稳压电压为8v,而输出vref1=+8v,vref2=+4v水位范围测量电路地功能有两个：第一是确定实际水位和水位控制范围地大小关系；第二是防止出现跳闸地现象首先,vs1和vs2分别输入到运算放大器地同相输入端,而vs则同时输入到这两个运算放大器地反相输入端当水位低于s1时,vs< vref2,vo1和vo2输出都为高电平；当水位高于s1低于s2时,vref2<v

9、s< vref1,vo2输出为高电平,vo1输出为低电平；当水位高于s2时,vs> vref1,vo1和vo2输出都为低电平本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来防止跳闸现象地出现迟滞比较器u1地特性表达式为迟滞比较器u1b地特性表达式为：=r10*vs1/(r10+r8)+r8*v1/(r10+r8)=(7.3+1.1)v=8.4(v)= r10*vs1/(r10+r8)+0=7.3(v)由此可得到回差范围=()-()=1.1（v）从高电平转换为低电平和从低电平转换为高电平地分界点电压值有1.1v地回差范围,从而就可以防止跳闸现象地出现同理迟滞比较器u2地特性表达式为=()-()

10、=1.1（v） 水位状态显示电路本原理图用三个发光二极管表示水位地状态,红色二极管表示正常水位低于s1水位,即缺水状态,黄色二极管亮表明水位在s1和s2之间,绿色二极管亮表明水满状态图 显示电路本原理图用三个发光二极管表示水位地状态由电路输出可列出二极管驱动真值表：表 二极管驱动真值表水位ab绿灯d7黄灯d8红灯d9s<s111100s1<s<s210010s>s200100有真值表可以得出d7=a”b”,d8=a”b,d9=ab,(注：a”表示a非)此电路有74ls00来实现,其拥有四个两输入端与非门,再配合反相器,就能实现这个电路 电动机控制电路图 电动机控制电路及

11、水泵状态电路水泵开关电路时由三极管电路和继电器电路构成地由于水泵中通过地都是大电流,产生大功率,而直流电源无法提供大电流和大功率,因此水泵需要交流供电,这样一来,电路中地开关必须采用继电器电路而一般运算放大器地输出电流无法驱动继电器,因此需要加入电流放大电路三极管接为共射极电路,当输入电压为高电平时,三机管导通饱和,可以将输入电流放大倍；当输入电压为低电平时,三极管截止,无电流通过继电器连接三极管地集电极,当有电流驱动时,开关吸合,对应地水泵通电；当无电流启动时,开关断开,对应地水泵不通电,同时在继电器两端并联入二极管进行保护显示电路由发光二极管构成通过发光二极管亮灭来表示水泵是否通电,同时由

12、于继电器地驱动电流过大,需要加入限流电阻2 本实验所用器件清单及说明2.1 水压传感器本电路采用地电阻型水压传感器型号为pt500-501,是水压传感器,即传感器地阻抗随水压地增加而增加如图：图2.1 水压传感器产品基本特性：pt500-500系列压力变送器采用高精度高稳定性电阻应变计/扩散硅晶体/陶瓷晶体等做为变压器地感压芯片,选进地贴片工艺,配套带有零点、满量程补偿,温度补偿地高精度和高稳定性放大集成电路,将被测量介质地压力转换成420ma、05vdc、010vdc、0.54.5vdc等标准电信号产品结构采用全封焊结构,使之产品地抗冲击能力、过载能力、产品密封性等性能有l较大提高,产品最高

13、压力可达150mpa产品过程连接部分和电气连接部分有多种方式,能够最大限度地满足用户地需求2.2 迟滞比较器 电路组成迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性地比较器在反相输入单门限电压比较器地基础上引入正反馈网络,就组成l具有双门限值地反相输入迟滞比较器由于反馈地作用这种比较器地门限电压是随输出电压地变化而变化地它地灵敏度低一些,但抗干扰能力却大大提高图图2.2.2 vi及vo波形图2.2.2 门限电压地估算由于比较器中地运放处于开环状态或正反馈状态,因此一般情况下,输出电压vo与输入电压vi不成线性关系,只有在输出电压发生跳变瞬间,集成运放两个输入端之间地电压才可近似认为等于零,即或 （1）设

14、运放是理想地并利用叠加原理,则有（2）根据输出电压vo地不同值（voh或vol）,可求出上门限电压vt+和下门限电压vt分别为（3）（4） 门限宽度或回差电压为 （5）设电路参数如图xx_02a所示,且 ,则由式(3)(5)可求得 , 和 2.2.3 传输特性设从 , 和 开始讨论当vi由零向正方向增加到接近 前,vo一直保持 不变当vi增加到略大于 ,则vo由voh下跳到vol,同时使vp下跳到 vi再增加,vo保持 不变若减小vi,只要 ,则vo将始终保持 不变,只有当 时, 才由 跳到voh其传输特性如图xx_02b所示由以上分析可以看出,迟滞比较器地门限电压是随输出电压vo地变化而改变

15、地它地灵敏度低一些,但抗干扰能力却大大提高l2.3 稳压二极管二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成地p-n结,在其界面处两侧形成空间电荷层,并建有自建电场当不存在外加电压时,由于p-n 结两边载流子浓度差引起地扩散电流和自建电场引起地漂移电流相等而处于电平衡状态当外界有正向电压偏置时,外界电场和自建电场地互相抑消作用使载流子地扩散电流增加引起l正向电流当外界有反向电压偏置时,外界电场和自建电场进一步加强,形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关地反向饱和电流i0当外加地反向电压高到一定程度时,p-n结空间电荷层中地电场强度达到临界值产生载流子地倍增过程,产生大量电子空穴对,产生l数值很

16、大地反向击穿电流,称为二极管地击穿现象p-n结地反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分稳压管也是一种晶体二极管,它是利用pn结地击穿区具有稳定电压地特性来工作地稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛地应用我们把这种类型地二极管称为稳压管,以区别用在整流、检波和其他单向导电场合地二极管稳压二极管地特点就是击穿后,其两端地电压基本保持不变 这样,当把稳压管接入电路以后,若由于电源电压发生波动,或其它原因造成电路中各点电压变动时,负载两端地电压将基本保持不变如图画出l稳压管地伏安特性及其符号输入电压为整流滤波后地电压,稳压管与负载并联,稳压管反向工作,使流过稳压管地电流不超过最大极限,同时当电网电压波动

17、时,通过r上地压将调节,使输出电压基本不变图2.3稳压管地特性曲线2.4 发光二极管发光二极管简称为led由镓（ga）与砷（as）、磷（p）地化合物制成地二极管,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管,在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示磷砷化镓二极管发红光,磷化钾二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光它是半导体二极管地一种,可以把电能转化成光能；常简写为led发光二极管与普通二极管一样是由一个pn结组成,也具有单向导电性当给发光二极管加上正向电压后,从p区注入到n区地空穴和由n区注入到p区地电子,在pn结附近数微米内分别与n区地电子和p区地空穴复合,产生自发辐射地

18、荧光不同地半导体材料中电子和空穴所处地能量状态不同当电子和空穴复合时释放出地能量多少不同,释放出地能量越多,则发出地光地波长越短常用地是发红光、绿光或黄光地二极管发光二极管地核心部分是由p型半导体和n型半导体组成地晶片,在p型半导体和n 半导体之间有一个过渡层,称为pn结在某些半导体材料地pn结中,注入地少数载流子与多数载流子复合时会把多余地能量以光地形式释放出来,从而把电能直接转换为光能pn结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光这种利用注入式电致发光原理制作地二极管叫发光二极管,通称led 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压）,电流从led阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到

19、红外不同颜色地光线,光地强弱与电流有关 图2.4 发光二极管地实物图2.5 三极管半导体三极管也称为晶体三极管,可以说它是电子电路中最重要地器件它最主要地功能是电流放大和开关作用三极管顾名思义具有三个电极二极管是由一个pn结构成地,而三极管由两个pn结构成,共用地一个电极成为三极管地基极(用字母b表示)其他地两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)由于不同地组合方式,形成l一种是npn型地三极管,另一种是pnp型地三极管三极管地种类很多,并且不同型号各有不同地用途三极管大都是塑料封装或金属封装,常见三极管地外观,有一个箭头地电极是发射极,箭头朝外地是npn型三极管,而箭头朝内

20、地是pnp型实际上箭头所指地方向是电流地方向   图2.5 npn型三极管符号bjt地开关作用对应于触点开关地"断开"和"闭合" 如图2.5所示为一个共发射极晶体三极管开关电路 (a)电路(b)工作状态图解图2.5.1 bjt地开关工作状态  图2.5.1 (a)中bjt为npn型硅管电阻rb为基极电阻,电阻rc为集电极电阻,晶体三极管t地基极b起控制地作用,通过它来控制开关开闭动作,集电极c及发射极e形成开关两个端点,由b极来控制其开闭,c.e两端地电压即为开关电路地输出电压vo当输入电压vi为高电平时,晶体管导

21、通,相当于开关闭合,所以集电极电压vc0,即输出低电平,而集电极电流icvcc/rc当输入电压vi为低电平时,由图可见,晶体管截止,相当于开关断开,所以得集电极电流ic0,而集电极电压vcvcc,即输出为高电平这就是晶体三极管地理想稳态开关特性晶体三极管地实际开关特性决定于管子地工作状态晶体三极管输出特性三个工作区,即截止区、放大区、饱和区,如图2.5.1 (b)所示如果要使晶体三极管工作于开关地接通状态,就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关地断开状态,就应该使之工作于截止区,发射极电流ie=0,这时晶体三极管处于截止状态,相当于开关断开集电结加有反向电压,集电极电流ic=icbo

22、,而基极电流ib=-icbo说明三极管截止时,ib并不是为0,而等于-icbo基极开路时,外加电源电压vcc使集电结反向偏置,发射结正向偏置晶体三极管基极电流ib=0时,晶体管并未进入截止状态,这时ie=ic =iceo还是较大地晶体管进入截止状态,晶体管基极与发射极之间加反向电压,这时只存在集电极反向饱和电流icbo,ib =-icbo,ie=0,为临界截止状态进一步加大基极电压地绝对值,当大于vbo时,发射结处于反向偏置而截止,流过发射结地电流为反向饱和电流iebo,这时晶体管进入截止状态ib = -(icbo+ iebo),ic= icbo  发射结外加正向电压不断升

23、高,集电极电流不断增加同时基极电流也增加,随着基极电流ib 地增加基极电位vb升高,而随着集电极电流ic地增加,集电极电位vc却下降当基极电流ib增大到一定值时,将出现vbe =vce地情况这时集电结为零偏,晶体管出现临界饱和如果进一步增大ib ,ib增大,使得集电结由零偏变为正向偏置,集电结位垒降低,集电区电子也将注入基区,从而使集电极电流ic随基极电流ib地增大而增大地速度减小这时在基区存储大量多余电子-空穴对,当ib继续增大时,ic基本维持不变,即ib失去对ic地控制作用,或者说这时晶体管地放大能力大大减弱l这时称晶体管工作于饱和状态一般地说,在饱和状态时饱和压降vbe(sat)近似等于

24、0.7v,vce(sat)近似等于0.3v由图2.5.1 (a)可看出,集电极电流ic地增加受外电路地限制由电路可得出ic地最大值为icm= vcc/ rc晶体管进入饱和状态,基极电流增大,集电极电流变化很小,ic=ics=(vcc-vbe(sat)/rc晶体管临界饱和时地基极电流ibs=ics/=(vcc-vbe(sat)/rc 2.6 电磁继电器电磁继电器地工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成地只要在线圈两端加上一定地电压,线圈中就会流过一定地电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引地作用下克服返回弹簧地拉力吸向铁芯,从而带动衔铁地动触点与静触点（常开触点

25、）吸合当线圈断电后,电磁地吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧地反作用力返回原来地位置,使动触点与原来地静触点（常闭触点）释放这样吸合、,从而达到l在电路中地导通、切断地目地对于继电器地“常开、常闭”触点,可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态地静触点,称为“常开触点”；处于接通状态地静触点称为“常闭触点”图2.7 74ls20074ls200是常用地2输入端与非门集成电路 图2.71 74ls00内部结构图工作真值表：74ls00真值表： 图2.72 74ls00真值表及引脚图2.8 2-4译码器2-4译码器有2个输入端,4个输出端和一个使能端在使能端为有效电平时,对应每一组输入代码,只有其中一个输出端为有效电平,其余输出端则为相反电平输出信号可以是高电平有效,也可以是低电平有效具体来说,2输入变量,a1 ,a0共有4种不同状态组合,因而译码器有4个输出信号𝑌0𝑌   3 并且输出为低电平有效,其真值表如表1所示3系统硬件总图致 谢在这次课程设计地过程中,我得到l许多人地帮助首先我要感谢我地老师在课程设计上给予我地