畢業(yè)設計（論文）-水位控制器設計.doc

繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）題目：水位控制器設計院、系（站）：渭南工業(yè)學校函授站學 科 專 業(yè)： 應用電子技術 學 生： 學 號： 指 導 老 師： 2012年12月摘 要介紹了水箱水位控制中一種新型的實用電路。它是采用數(shù)字電路與模擬電路相結合、集成電路與分立元件相結合的方法，通過紅外光電傳感器將水箱水位的高低信號轉換成開關數(shù)字信號，然后在控制電路和驅動電路的作用下實現(xiàn)對水箱水位的自動控制和故障報警。該電路具有簡單、經(jīng)濟、穩(wěn)定可靠，容易實現(xiàn)的特點，適用于城鎮(zhèn)居民樓房，特別是農(nóng)村住宅樓房生活用水水箱的水位自動控制。 關鍵詞：水箱水位 自動控制 故障報警目 錄緒論1第一章 任務與要求2第二章 水位控制器的概念和特點32-1水位控制器的概念32-2水位控制器的特點3第三章 水位控制器的分類43-1浮球式43-2 目測式(直讀式)53-3 機械式73-4 壓力式83-5 電容式83-6超音波式9第四章 水位控制器設計方案114-1方案一 自動控制水泵機114-1-1電路圖114-1-2工作原理124-2方案二 高架游泳池144-2-1電路圖144-2-2工作原理144-3方案三 簡單的水位控制器154-3-1電路圖154-3-2工作原理16結束語17致 謝18參考文獻19西安工業(yè)大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）緒 論在以大量運現(xiàn)代化的社會中，各種感應(測)器的發(fā)明與使用大幅地改變了我們的世界，日常生活中的抽水馬桶便是利用浮球開關水位控制的最好例子。浮球式水位控制器的原理不但很簡單且材料也很低廉，但利用浮球開關所做的水位控制器也有缺點，其浮球連桿的支點常故障且容易生銹腐蝕，經(jīng)人們改善后，工業(yè)已制作出壓力式、直讀式、機械式、微波式、重量式、重錘式、輻射線式、電容式、電極式、超音波式等水位控制電路系統(tǒng)；化學工廠，鋼鐵工廠、面粉工廠、飼料工廠、水泥工廠等工業(yè)可用使得生產(chǎn)得以自動化。本專題之主要目的在于協(xié)助本科新成立之感測實驗室設計適合教學之感測系統(tǒng)，使學子們能熟悉類比式水位控制回路系統(tǒng)，使用三支水位感測電極棒，來感測出水位高低并且將訊號傳送到控制器中，再利用繼電器接收訊號，并啟動光電感應器與電磁閥，以達成水位控制目的。經(jīng)由操作本系統(tǒng)后，可以了解到家庭中的浮球式抽水馬桶與本系統(tǒng)有何差別，并且可使學子們從系統(tǒng)中得知電子組件的特性。為了讓教學上有更好的效果，本專題設計了直立式廣告牌，使老師授課時可以方便說明，進一步激發(fā)學子們之學習興趣。第一章 任務與要求1接通電源后，若水箱中無水，水箱進水，水位上升到正常水位。2當用戶開始用水時，水箱內水位不斷下降，一旦水位低于低水位，電磁閥開始新一輪供水工作，周而復始。3在上述工作過程中，若出現(xiàn)低水位不能正常供水的情況，電路報警，提醒用戶引起注意，在進水過程中，若水位超過了高水位，后級報警電路同樣會發(fā)出報警訊響。第二章 水位控制器的概念和特點2-1水位控制器的概念 全自動水位控制器是專門針對現(xiàn)有水塔、高位水箱設計生產(chǎn)的配套供水系統(tǒng)，其工作原理是通過水塔或高位水箱內水位的水位自動控制水泵的工作狀態(tài)。即：當水位達預先設定的上限時，水泵自動關閉，而當水位達到預先設定的下限時，自動啟動水泵，一直到水位升高到上限時水泵停止運轉。這可使水塔或高位水箱保持一定的水位，同時達到無人操作的目的。 它有置于水箱中并與水箱連接的管狀體，管狀體下部有進水口與水箱相通，上部管口有外螺紋與夾緊螺母的內螺紋連接，管狀調節(jié)體下端插入管狀體上端內，管狀調節(jié)體內有能上下移動的水浮球，管狀調節(jié)體上部壁上有排水孔，頂端有隔水橡膠膜密封，膜上方有微動開關，微動開頭的A、C兩個接線端與水泵電源開關和水泵串聯(lián)于電源線路，水泵出水口與水箱間有管道連接。 2-2水位控制器的特點 主要應用于太陽能熱水器的溫度溫差?？販鼐雀?，抗干擾能力強，自由設定兩溫區(qū)的溫差啟動及溫差停止的參數(shù)，及自動加熱的溫度設定值，自帶水位檢測控制。兩路傳感器帶自檢功能，溫度誤差帶修正功能（兩溫區(qū)各獨立校正），強大的控制功能，便于用戶使用。第三章 水位控制器的分類3-1浮球式以往，一般家庭所用之水位自動控制器，皆為如3-1-1(a)(b)所示之浮球開關。水位低時浮球開關的接點閉合，抽水機抽入水塔，水位高時，接點打開，抽水機停止抽水。其動作情形如下：1.當水位低于L時，浮球B與浮球A兩者之重量和使接點閉合，電路接通，抽水機抽水入水塔。 2.水位高達L后，雖然浮球B隨著水面上浮，但是浮球A的重量使接點保持閉合，因此抽水機繼續(xù)抽水。 3.水位升高至H后，浮球A亦隨著水面上浮，則浮球A及B均不加重量于接點，接點靠彈簧的力量打開。 4.當打開水龍頭用水，而使水塔的水面降至H以下L以上時，雖然浮球A對接點施以重力，但浮球B還浮于水面上（被水托?。虼私狱c保持打開。 5.直至水位低于L時，浮球A與浮球B之重量和使接點閉合，使抽水機再度過電抽水。 (a)浮球開關之實體圖 (b) 浮球開關之原理圖圖3-1-1 浮球開關3-2 目測式(直讀式) 目測式液位感測器是目前市面上最簡單的。如圖3-2-1，而在工業(yè)中，量測時， 插入一根桿子(附有刻度)于容器中，然后拔出之后，在觀察桿子上的刻度。或者利用有刻度的容器直接觀察，如圖3-2-2。此方式與本專題制作的涵意相似，都是為了讓人們能直接了解液位的高低。 圖3-2-1 目測式液位傳感器 圖3-2-2 目測式液位傳感器目測式液位量測中還有兩種，(a)置換式，(b)帶球式。如圖3-2-3，置換式是采用阿基米德原理，利用一物體在水中減少的重量，等于它排開液體體積之重量。如3-2-4，帶球式則是利用浮球在液面上，且由一條帶子綁住，帶子的尾端就是指出器，當液面升高時，帶子會使指針往下移。在這幾種的液位控制告訴本專題以簡單的方式及利用清楚的容器展現(xiàn)出水位高低會有何改變。圖3-2-3 置換式 圖3-2-4 帶球式3-3 機械式如圖3-3-1，利用浮球做液位的偵測器再結合杠桿原理來控制入水口的啟閉。并且將連桿與控制電路連線組成一套回路。從此回路中本專題得知利用電磁閥也可以有如上的效果。電磁閥是運用電磁鐵的吸引力，使閥瓣切換，作為水的控制。圖3-3-1 機械式液位控制器3-4 壓力式如圖3-4-1，利用裝置在容器右下方的壓力感測器來檢測流體的靜止壓力，因為液體的高度等于被液體所分配的壓力。此種方式應用水的壓力來得到數(shù)值，但卻無法讓學子們親自觀察到水壓的變化，故本專題利用透明的容器呈現(xiàn)水的高低位置，及利用有刻度的容器將水位的高低展示出來，好讓學子們知道其過程。 圖3-4-1 壓力式液位控制器3-5 電容式利用檢出對象和空氣的介電系數(shù)不同，而用電極將設定位準以電容的變化而檢出。電容值的變化可經(jīng)由一個振蕩器及AC電橋測出經(jīng)電子電路變換成電流或電壓信號。電容式液位控制最適用于工業(yè)用水、化學純水的液位控制、飼料漏斗內的食物、汽油、柴油、NH3等器爆性物質、塑化原料等。電容式液位控制因大部份使用在高危險性的工業(yè)上，及衛(wèi)生性高的工廠。故此在成本上當然也相對的增加，但電容式卻為大眾提高了安全性的生活。 3-6超音波式如圖3-6-1，對欲測量物體發(fā)出超音波，依其反射波回來的時間，此時間與位準(位的高低)成正比。此種方式為無接觸式液位量測。超音波式有反射、遮斷、振動阻抗變化等測量方式。在本文中以反射為主題，反射式是在空氣中發(fā)出超音波，當接收到反射波的時間時，正好和物體的距離成正比。超音波式液位控制適用于礦石、煤碳等鋼鐵原料廠及水泥、灰石等大型貯放槽的位準控制。圖3-6-1 超音波式液位控制器表1-1 各式水位控制之綜合比較名稱：優(yōu)點：缺點：浮球式簡便、廉價支點容易銹蝕、易故障、精確度低。目測式簡便、廉價無法記錄、不適合做控制連線、精確度低。機械式簡便、可做控制連線。支點容易銹蝕、易故障、精確度低。壓力式可做控制連線、簡便。成本較高、無法觀察及記錄。電容式可做控制連線、可觀察、可記錄。成本較高、較復雜。超音波式可做控制連線、精確度好。成本較高、較復雜、無法觀察。電極式簡便、可做控制連線、可觀察、可記錄、成本較低。精確度低。第四章 水位控制器設計方案4-1 方案一 自動控制水泵機4-1-1 電路圖控制器電路如圖1所示。指示器電路如圖2所示。4-1-2 工作原理自動控制水泵機原理是當水箱中的水低于下限水位時，電動機自動接通電源而工作；當水灌滿水箱時，電動機自動斷開電源。該控制電路只用一只四組雙輸入與非門集成電路(CD4011)，因而控制電路簡單，結構緊湊而經(jīng)濟。供電電路采用12V直流電源，功耗非常小。圖1是控制器電路圖，在水箱中有兩只檢測探頭A和B，其中A是下限水位探頭，B是上限水位探頭，12V直流電源接到探頭C，它是水箱中儲存水的最低水位。下限水位探頭A連接到晶體管T1(BC547)的基極，其集電極連到12V電源，發(fā)射極連到繼電器RL1，繼電器RL l接入與非門N3第腳。同樣，上限水位探頭B接到晶體管T2的基極(BC547)，其集電極連到12V電源，發(fā)射極經(jīng)電阻R3接地，并接入與非門N1第、腳，與非門N2的輸出第腳和與非門N3的第腳相連，N3第腳輸出端接到N2第腳輸入端，并經(jīng)電阻R4與晶體管T3的基極相連，與晶體管T3發(fā)射極相連的繼電器RL2用來驅動電動機M。當水箱的水位在探頭A以下，晶體管T1與T2均不導通，N3輸出高電平，晶體管T3導通，使繼電器RL2有電流通過而動作，因而電動機工作，開始將水抽入水箱。當水箱的水位在探頭A以上、探頭B以下時，水箱中的水給晶體管T1提供了基極電壓，使T1導通，繼電器RL1得電吸合N3第 腳為高電平，由于晶體管T2并無基極電壓，而處于截止狀態(tài)，N1第、腳輸入為低電平，第腳輸出則為高電平，而N2第腳輸入端仍為高電平，因而N2第腳輸出則為低電平，最終N3第11腳輸出為高電平，電動機繼續(xù)將水抽入水箱。當水箱的水位超過上限水位B時，晶體管T1仍得到基極電壓，繼電器RL1吸合。N3第腳仍為高電平，同時，水箱中的水也給晶體管T2提供基極電壓使其導通，N1第、腳輸入端為高電平，第腳輸出端為低電平，N2第腳輸出端為高電平，N3第腳第終輸出低電平，使T3截止，電動機停止抽水。若水位下降低于探頭B但高于探頭A，水箱中的水依然供給晶體管T1的基極電壓，繼電器RL1繼續(xù)吸合，使N3第腳仍為高電平，但晶體管T2不導通，N1第、腳輸入端為低電平，其第腳輸出端為高電平，N2第腳為低電平，則N2第腳輸出為高電平，最終N3第腳輸出端繼續(xù)保持低電平，電動機仍停止工作。若水位降到探頭A以下，晶體管T1與T2均不導通，與非門N3輸出高電平，驅動繼電器RL2，電動機又開始將水抽入水箱。圖2為指示器監(jiān)控器電路圖，共有五個發(fā)光二極管，如果發(fā)光二極管全部亮，表示水箱中的水已充滿。12V電源送到水箱底部的水中，晶體管(T3T7)只要得到基極電壓，就會導通并點亮相應的發(fā)光二極管(LED5LEDl)。當水箱中的水到達最低水位C時，晶體管T7導通，LED1點亮；當水位上升到水箱的14時，晶體管T6導通，LED1與LED2點亮；當水位升到水箱的一半時，晶體管T5導通，則LED1、LED2和LED3點亮；當水位升到水箱的34時，晶體管T4導通，則LED1LED4均點亮；當水箱的水充滿，晶體管T3導通，五個發(fā)光二極管全亮。因此從發(fā)光二極管點亮的狀態(tài)，就能知道水箱中的水位發(fā)光二極管與水箱中的水位對應關系如附表所示。發(fā)光二極管應安裝在容易監(jiān)視的位置。改變探頭A和B的高度可調節(jié)水位，但應注意調整螺絲A、B和C，其它水位探頭之間必須絕緣，從而避免短路。4-2 方案二 高架游泳池4-2-1 電路圖圖1 自動水位控制電路4-2-2 工作原理本文所示的電路圖1是控制高架游泳池的簡單便量方案。電路非常簡單并且非常容易制造。圖1中的SW1（通常閉合）和SW2（通常開路）是密封的PVC管中的微型舌簧開關。管的兩端做成防水的,用防水密封膠密封它們。1個磁鐵安裝在可以浮在水面的熱孔隙薄片上。磁鐵可隨水面上下移動并可驅動舌簧開關。當水池完全放空時磁鐵安置在制動器上（如圖1所示）,而SW2閉合。12V電源通過SW1和SW2連接到RL繼電器的線圈上。繼電器被激勵,而且經(jīng)繼電器的1個公共端連接VAC到水泵的電機。當水泵開始注水到游泳池時,磁鐵隨著水面向上移動。當磁鐵離開支座時,SW2開路,但電源通過繼電器RL的第2個公共端仍然連接到繼電器的線圈上。當磁鐵到達SW1時,它打開SW1開關,而電源到達繼電器線圈的第2條通路也斷開。繼電器去除激勵,關斷水泵。當從水池排水時,SW1再次閉合,但電源不能到達繼電器線圈。水進一步排出,SW2閉合,而繼電器再次被激勵,從而再次開啟水泵。此過程一次又一次地重復。水泵不是連續(xù)運行,而是間隔運行。間隔時間依賴于舌簧開關之間的距離,然而,手動按瞬時開關SW3可以開啟水泵。RL是DPDT繼電器（1個極用于邏輯控制,1個極用于開/關電機）線圈電壓為12Vdc,按點負荷依賴于負載。SW1和SW2為微型舌簧開關。4-3 方案三 簡單的水位控制器4-3-1 電路圖4-3-2 工作原理最簡單的水位傳感組件是采用兩個電極，當水面淹沒電極時，利用不純凈水的導電性使電極之間導通，但導通電阻值較大，約50k，不能代替光敏電阻器直接驅動的光控電路，需要靈敏更高的控制電路。水位自動控制電路如圖5所示。它是在光控電路的基礎上，增加了一級前置放大管VT1，在其基極輸入很微弱的電流（10A）就可以使VT13皆飽和導通?？刂崎_關S可以用大頭針做成兩個電極，當其被水淹沒而導電時，小電動機會自行運轉。C1為旁路電容器，防止感應交流電對控制電路的干擾。VT1選用低噪音、高增益的小功率NPN硅管9014。根據(jù)上述電路水位控制的功能，能否設計成一個感知下雨自動關窗、自動收晾曬衣服繩索的自動控制器。下偏置水位自動控制電路見圖6 。圖中，將兩個電極改接在VT1下偏置，R1仍為上偏置電阻器。當杯內水面低于兩個電極時，相當于下偏置開路，R1產(chǎn)生的偏置電流使電動機起動。當水位上升到淹沒電極時，兩個電極之間被水導通，將R1產(chǎn)生的偏置電流旁路一部分，使VT13截止，電動機停轉，與圖5控制效果恰好相反。 結束語水箱水位控制器具有獨特的設計思想和簡單可靠的控制電路。在電路元器件正確安裝完畢以后，只需稍做調整即可正常運行。實踐表明，系統(tǒng)運行以后工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，在完全無需人工干預的情況下，能有效地進行水箱水位自動控制，節(jié)省了勞動力，減少了用電量，降低了成本。該控制器具有小巧、經(jīng)濟、可靠、實用和節(jié)能降耗的特點，是一種值得推廣的新型的自動控制裝置。致 謝本研究及學位論文是在我的導師王老師的親切關懷和悉心指導下完成的。她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，王老師都始終給予我細心的指和不懈的支持。兩年多來，王老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向王老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝在一起愉快的度過的全部高應電的同學，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。特別感謝我的好朋友，她對本課題做了不少工作，給予我不少的幫助。謝謝你們!參考文獻【1】童詩白 華成英 模擬電子技術基礎M 北京：高等教育出版社【2】張義和Protel DXP電路設計大全M北京：中國鐵道出版社【3】黃繼昌電子元器件應用手冊 M北京：人民郵電出版社【4】蔡忠法主編電子技術實驗與課程設計浙江大學出版社【5】康華光 數(shù)字電子技術基礎高等教育出版社【6】全國大學生電子設計競賽北京理工大學出版社19