简易水塔水位控制电路课程设计

1、XXXXX学院电子技术课程设计 题 目： 简易水塔控制电路 成 绩： _ _ _ 学生姓名： 专业班级： 学 号： 院 （系）： 电气信息工程学院 指导教师： 完成时间： 2014年 2月23日 XXXXX学院课程设计（论文）任务书题目 简易水塔水位控制电路 专业 学号 姓名 XXX 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软件的使用。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的控制。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

2、一个水泵放水；当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的状态之间转换。3. 要求电路能够显示出水泵的状态。4. 要求电路能够手动调节水位控制的范围。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： 2014年 2月23日 指导教师签章： 专业负责人签章：

3、 2014年 2月17日目 录中文摘要1 概述I2 电路设计方案 II2.1 系统组成框图32.2 电路设计原理3 水位监测电路3 水泵开关电路5 电源电路6 原理总结73 主要元器件的简介III3.1 二极管83.2 稳压管103.3 发光二极管113.4 三极管123.5 电磁继电器143.6 迟滞比较器15总 结17参考文献18附录19附录1 元件清单表19附录2 简易水塔水位控制原理总电路图20简易水塔水位控制电路摘 要 本次设计主要是设计一个简易水塔水位控制电路，其中包括本方案的目的是设计一个简易水塔水位控制系统，该电路主要由电源电路、水位监测和水位范围测量电路以及水泵开关和显示电路

4、三部分构成。其中电源电路是将电网电通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路来将220V电路转化为低压直流电路是整个系统的供电系统。水位监测电路的功能是利用水压传感器的特性监测水位的变化，同时将水压信号转化为电信号。水位范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水位范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。水泵开关电路的功能是完成控制电路和水泵电路的开关。显示电路的功能是利用发光二极管将水泵通电与否显示出来。关键词 水位监测 二极管 比较器 控制电路1 概述随着社会的飞速发展，简易水塔控制电路的设计将满足人们快节奏的生活方式，该水塔控制电路全部自动化，大大节约了人们的时间，方便了人

5、们的生活。简易水塔水位控制电路设计要求有:能够通过控制水泵实现对水位的控制,假定水位范围是S1S2（S1S2），S为实际水位,当SS1时，两水泵都放水,当S1SS2时，两水泵都关闭；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的状态之间转换；电路能够显示水泵的状态；要求电路能够手动调节水位控制的范围。2 电路设计方案2.1 系统组成框图简易水塔水位控制电路的总框图如下图所示，它是由水位监测电路、水位范围测量电路、水泵开关电路、显示电路和电源电路五部分构成的。水位监测功能是利用探针监测水位的变化，同时将水位信号转化为电信号。水位范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现

6、水位范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。水泵开关电路的功能是完成控制电路和进水的快慢转化。显示电路的功能是利用发光二极管将水泵是否工作显示出来。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。水位测量显示电路水泵开关水位范围测量 电源电路图2.1.1系统组成框图2.2 电路设计原理2.2.1 水位监测电路和水位范围测量电路水位监测电路由可变电阻R3和可变电阻R4以及液位探针G、A、B构成。它的工作原理如图是通过探头监测到水位变化，同时将液位信号转化为不同的电信号Vr1,Vr2。图2.2.1 水位监测电路和水位范围测量电路水位范围测量电路由两部分构成：第一部分是由电阻R1和R2构成

7、的参考电压产生电路；第二部分是由迟滞比较器构成的水位测量电路。水位范围测量电路的功能有两个：第一是确定实际水位和水位控制范围的大小关系；第二是防止出现跳闸的现象。首先，参考电源产生电路的功能是产生两个稳定的电压，这两个电压代表水位范围的上限值S2和下限值S1。通过调节R3、R4控制Vs在+8V至+10V之间。设Vs=10V,由于参考电源产生电路输出端接入比较器的输入，为了防止出现输出电流导致参考电源不稳定的情况，电路采用电阻和稳压管相结合的方式构成。其中稳压管的稳定电压均为+8V，而输出Vr2=+8V, Vr1=+4V。其次，Vr1和Vr2分别输入到两个比较器的同相输入端，而Vs则同时输入到这

8、两个比较器的反相输入端。这样，当Vs Vr1时，V1A和V1B输出都为高电平；当Vr1Vs Vr2时V1A和V1B输出都为低电平，其中V1A和VB为两个比较器的输出电压。其次，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的出现。迟滞比较器U1A的特性表达式为：=R9*Vr1/(R7+R9)+R7*V1/(R7+R9)=(7.3+1.1)V=8.4 (V) = R9*Vr1/(R7+R9)+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的分界点电压值有了1.1V的回差范围，从而就可以防止跳闸现象的出现。同理迟滞比较器U2B的特性表达

9、式为=()-()=1.1 V ，同样具有1.1V的回差范围。2.2.2 水泵开关电路和显示电路图 水泵开关电路和显示电路如图中电路所示，水泵的开关电路是由三极管电路和继电器电路构成的。电路的输入即为图的输出，由于水泵启动时的电流过大，致使直流电流源无法提供大电流，因此水泵需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须采用继电器电路。而一般的运算放大器的输出电无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。其中R11和R12为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。三极管接为共射极电路，当输入为高电平时，三极管导通饱和，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。继电器连接三极管集电极

10、，当有电流驱动时，开关吸合，对应的水泵工作；当无电流驱动时，开关断开，对应的水泵不工作，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。可通过发光二极管亮灭来表示水泵是否工作，同时由于继电器的驱动电流过大，需加入限流电阻（可用负载起到限流的作用）。2.2.3 电源电路图 电源电路电源电路的设计可采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池供电，第二种方法是直接从电网供电，通过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成+12V的直流电压。电路中变压器采用常用的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，C1、C2、C3和C4完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。2.2.4

11、原理总结采用传感器对水塔水位进行监测，并根据水塔水位的变化将其信号传递给迟滞比较器，经过迟滞比较器的运算、比较、放大，来控制水泵是否工作。并通过发光二极管来显示水泵的工作状态，易于判断和检修。迟滞比较器的运用避免了由于水波的波动而造成的水泵的反复的放水与闭合，实现了水塔水位的自动控制。3 主要元器件的简介3.1 二极管 二极管，（英语：Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过。许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器 大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying）”功能。

12、二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上二极管并不会表现出如此完美的开与关的方向性，而是较为复杂的非线性电子特征这是由特定类型的二极管技术决定的。二极管使用上除了用做开关的方式之外还有很多其他的功能反向性:外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向电流比锗管小得多，小功率硅管的反响饱和电流在nA数量级，小功率锗管在A数量级。温度升

13、高时，半导体受热激发，少数载流子数目增加，反向饱和电流也随之增加。击穿:外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管因为灯丝的热损耗，效率比晶体二极管低，所以现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体

14、二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V，锗管正向管压降为0.3V，发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。主要有三种颜色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为2.0-2.2V，黄色发光二极管的压降为1.82.0V，绿色发光二极管的压降为3.03.2V，正常发光时的额定电流约为20mA。二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。特性曲线：与PN结一样，二极管具有单向导电性。硅二极管典型伏安特性曲线。在二极管加有正向电压，当电压值较小时，电流极小

15、；当电压超过0.6V时，电流开始按指数规律增大，通常称此为二极管的开启电压；当电压达到约0.7V时，二极管处于完全导通状态，通常称此电压为二极管的导通电压，用符号UD表示。对于锗二极管，开启电压为0.2V，导通电压UD约为0.3V在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流IS。当反向电压超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号UBR表示。不同型号的二极管的击穿电压UBR值差别很大，从几十伏到几千伏。早期的二极管包含“猫须晶体（Cats Whisker Crystals）”以及真空管(英国称为“热游离阀（Thermioni

16、c Valves）”)。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的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的扩散电流和自建电场引起的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的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。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的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空

17、穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。p-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。图2.1 二极管实物图3.2 稳压管图2.2稳压管的特性曲线稳压二极管，英文名称Zener diode，又叫齐纳二极管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性见图，稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的

18、击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 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，负载两端的电压将基本保持不变。如图画出了稳压管的伏安特性及其符号。输入电压为整流滤波后的电压，稳压管与负载并联，稳压管反向工作，使流过稳压管的电流不超过最大极限，同时当电网电压波动时，通过R上的压将调节，使输出电压基本不变。3.3 发光二极管发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）

19、、磷（P）的化合物制成的二极管，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。它是半导体二极管的一种，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区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光

20、的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N 半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，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的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红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流

21、流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率，在近几年来已经有明显的提升，同时，在每千流明的购入价格上，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响，而明显下降。虽然越来越多人使用LED照明作办公室、家具、装饰、招牌甚至路灯用途，但在技术上，LED在光电转换效率(有效照度对用电量的比值)上仍然低于新型的荧光灯，是国家以后发展民用的去向。图3.3发光二极管的实物图3.4 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

22、的器件。它最主要的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结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的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)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。图 NPN型三极管符号BJT的开关作用对应于触点开关的断开和闭合。 如图1.

23、1(a)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 BJT的开关工作状态 图(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的基极b起控制的作用，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两端的电压即为开关电路的输出电压vO。当输入电压vI为高电平时，晶体管导通，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。这就是晶体三极管的

24、理想稳态开关特性。晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。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(b)所示。如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态，就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关的断开状态，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，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

25、的。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的绝对值，当大于VBO时，发射结处于反向偏置而截止，流过发射结的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 的增加基极电位vB升高，而随着集电极电流iC的增加，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的情况。这时集电结为零偏，晶体管出现临界饱和。如果进一步增

26、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的增大而增大的速度减小。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的控制作用，或者说这时晶体管的放大能力大大减弱了。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0.7V，VCE(sat)近似等于0.3V。由图 (a)可看出，集电极电流iC的增加受外电路的限制。由电路可得出iC的最大值为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-V

27、BE(sat)/RC晶体管临界饱和时的基极电流IBS=ICS/=(VCC-VBE(sat)/RC 。3.5 电磁继电器电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种“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。电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静

28、触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“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的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。图图3.5 电磁继电器工作图3.6 迟滞比较器 图3.6 迟滞比较器符号迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引入正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。单限比较器，如果输入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。迟滞比较器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为