1、水塔自动上水控制系统设计摘要：本次设计是用与非门控制开关的通断，使电路完成相应的反馈进而控制水泵工作或停止，使水位保持在最低水位与最高水位之间。本次设计的特点是以逻辑电路完成水塔自动上水的智能化，并且当水塔自动上水系统存在故障时，系统本身能够进行反馈，实现报警。关键词:水位控制：分立式元件控制；逻辑门报警The water tower automatic water supply control system design LiYuHaoAbstract: This design is a NAND gate control switch, the circuit to complete th
2、e feedback and control the water pump to work or stop the corresponding, make water remained between the lowest and the highest water level. The design characteristics of the intelligent automatic water tower in the logic circuit, and when there is fault water tower automatic water supply system, th
3、e system itself to feedback, to achieve the alarm.Key words: Water level control; Separated element control; Logic gate alarm 1绪论伴随着我国经济与科学的发展，人们的生活环境得到了翻天覆地的变化，在一些小型城市以及农村，人们的用水还不能像大型城市那样方便，他们依靠水塔来进行生活，但是在农业工作中，却存在着水资源的巨大浪费，其中的主要原因是农村的供水体系过于简单，并且在水塔操作方式上过于繁琐。但是，无论社会的进步速度有多快，水资源依然是人们赖以生活的根本，一旦水资源缺少，
4、轻则给人们的生活带来不便，重则给生产带来重大损失，所以现在生活对供水系统提出了更高的要求。要满足这个条件，要是还依照人工方式，那么效率会很低，所以在考虑成本、效率等条件，自动化控制改造是必须的。在农村水塔都很高，所以人们不易检测其水位高度，就会出现，水太少，则供水中断，水过多，则会溢出来。本次设计，主要目的是对水塔水位超高、低警戒处理，从而实现自动控制，提高供水效率。该设计采用逻辑门电路控制电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控制，而达到节能的目的。2水塔自动上水控制系统方案2.1概述目前常用的水位控制方式主要有以下几种：(1）电极式水位控制系统利用多个电极线与水面接触，探测水位。优点：价格
5、较低。缺点：属于开关控制，无法给出真实水位，探测电极易腐蚀，安装不便，如有污物粘附在电极上，会导致水位失控。(2）浮球液位控制器利用一个磁浮球即可控制二店开关信号的液位控制器。优点：价格适中，可以做出多个点控制。缺点：属于开关控制，无法给出真实水位；污物同意粘附在磁球上，使浮球反馈出的结果变的不可靠，管式浮球容易卡滞，缆浮球容易缠绕，所有浮球都会出现触点接触不良现象，结果导致系统失控；调整控制点很麻烦。(3）液位变送器+智能控制器方式优点：属于模拟量控制，可以做到水位数值的实时显示，若设备出现故障可以提前预警。集成了双泵智能控制，控制系统接线简单，可设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器
6、上设定，极其方便。智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。缺点：价格高。通过以上对不同液位传感器性能的比较和分析，本次设计选择电极式液位传感器组成液位自动控制系统。其特点为：液位自动控制，不溢出，不缺水，无需人值班看守；其工作原理是：通过无缝钢管筒体内所安装预先设定的不同长度的不锈钢电极棒，在水位变化过程中与水接触或脱离，从而传递信号给后续电路，通过后续电路实现液位显示、自控、满水、故障报警等，达到确保安全运行，调高供水效率的目的。系统电路简单，成本低，符合国家卫生标准。2.2水塔自动上水控制系统组成2.2.1系统工作原理框图系统工作原理框图如图1所示：低警戒水位传感器检测相关
7、电路电动机不工作电动机工作水泵抽水水位达到上限水位传感器检测相关电路报警器报警电动机停止工作水泵停止抽水电动机不停止工作图1 系统组成框图由图1可以看出水塔自动上水系统中包含有水位检测系统，当水位低于下限液位时，启动水泵抽水，如果没有启动水泵则开始报警；当水位高于上限水位时，水泵停止抽水，如果水泵继续工作则报警，从而实现水塔水位的自动控制，并能自动完成上水与停水的全部工作循环，保证水塔的水位高度始终处在一个合理的范围内。2.2.2功能原理电极式传感器安装在容器的上方，电极插入水中（上限水位C、下限水位D），使电极C对准水位的上限，电极D对准水位的下限。测量时，电极上有电压信号，当水位上升到高水
8、位电极C以上时，该电极就把电压信号传输给后续相关电路，从而控制继电器开关停止蓄水。当水位下降到电极D以下时，该电极就没有信号传送给后续电路，继电器开始接通蓄水。因此通过水与电极接触与不接触，即可正确测量出水位高低位置，控制水位的高低，保证用户能持续用水。水塔示意图如图2：图2 水塔示意图3单元电路设计3.1系统电源电路设计3.1.1三端集成稳压器（1）三端集成稳压器的内部集成了一个串联型稳压电路，引入了电压负反馈稳定输出电压。三端集成稳压器根据输出电压是否可调,分为固定式和可调式；根据输出电压的极性,分为正电压输出和负电压输出。三端集成稳压器的输出端与输入端之间串接调整管，为了使调整管工作在线
9、性状态，不论是固定式还是可调式一定要保证输入端与输出端之间最少有(23V) 的压差，小于此值时调整管进入饱和区，失去调节作用。最大压差一般不能超过40V ，否则可能会使调整管击穿。(2)对稳压器的系列与输出电压的品种比较：电路中常用的集成稳压器主要有78XX系列、79XX系列、可调集成稳压器、精密电压基准集成稳压器等。7800系列集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，7900系列集成稳压器是常用的固定负输出电压的集成稳压器。(3)对输出电流比较:常用三端固定式稳压器和可调式稳压器的输出电流均有5A、3A、1.5、0.5、0.1A 五个档次，在型号中用字母表示输出电流的大小。H 表示5A
10、 ,T 表示3A ，无字母时表示1.5A ，M 表示0.5A ，L 表示0.1A 。可调式稳压器在使用时负载电流不能小于5mA。(4)对取得基准电压的位置作比较：三端固定式稳压器的输出端与公共端之间的电压即为型号中表示的标称电压，常规应用时即输出电压，三端可调式稳压器的输出端与调整端之间的电压为1.21.3V，称为基准电压。它是输出电压的最小值，常取1.25V 进行相关计算。3.1.2电源电路工作过程电源电路由变压器将220V/50Hz电变为9V，经过二极管整流与C1的滤波作用，再经过IN4967稳压、C0的滤波可获得纹波很低的直流（DC）12V电压。直流稳压电路如图3所示：U0图3 直流稳压
11、电路示意图3.2液位传感器电路设计电极式液位传感器的基本原理是利用水有导电性的物理性质，设置长度不等的三根导体作为具有相应功能的电极，利用液位变化的状态所形成的信号来完成把液位变化转换成相应电信号变化的电极式液位传感器的功能。液位传感器示意图如图4所示：图4 液位传感器示意图电极式液位传感器的特点是具简单、传递可靠，本设计是由一个绝缘体支架安装在水塔底部，在不同位置放置相应的传感极，最底端为供电电极，为上面的电极提供电信号，当水位到达相应的位置时所形成的电信号，就传递给后续电路，从而控制电动机的转停。3.3水塔自动上水控制系统报警显示电路设计（1）报警部分：报警电路是一个系统中必不可少的部分，
12、它起到安全警告、预防祸患的重大作用。本设计的报警电路组成结构包括：蜂鸣器与热继电器、交流接触器的触点.此报警电路只有在水位处于下限水位以下而电机仍然没有工作和上限水位以上但是电机继续工作的情况下报警。具体分析如下：当水位下降至下限水位A以下时，接头G得电（接头E为低电位）如果此时交流接触器KM1没有动作即控制线路出问题或者是电动机出现故障（监测点出自于热继电器FR）,那么报警电路就会被接通，从而开始报警；当水位上升至上限水位B以上时，接头F得电如果此时交流接触器KM1没有复位，那么报警电路也就会被接通，从而开始报警。报警电路电路图如图5所示：E G FFRKM1图5 液位传感器示意图（2）显示
13、部分：此设计的显示部分由发光二极管组成，图示见自动电路原理图，具体分析如下：当水位在下限水位A以上时，则三极管V1导通，从而使发光二极管D1导通，点亮，表示水位处于低水位以上；当水位超过上限水位B时，则三极管V2导通，从而使发光二极管D3导通，点亮，表示水位处于高水位以上。指示灯D1亮，D3不亮表明水位处于正常状态；D1不亮表明处于缺水状态；D3亮表明处于过满状态。4系统电路设计4.1水塔自动上水控制系统主干电路系统主干电路主要的主要组成：电动机M、热继电器FR、熔断器FU、交流接触器常开触点KM1、KM2和开关QS。熔断器FU短路保护，热继电器FR过载保护，交流接触器KM1，KM2控制电路。
14、系统主干电路如图6所示：图6主干电路原理图4.2水塔自动上水控制系统手动电路手动操作是将转换开关SA转换到2号位置，按下按钮SB2，交流接触器KM2得电，常开触点动作电动机开始工作，并且自锁；停止时按下按钮SB1，交流接触器KM2失电，常开触点断开，电机停止工作。手动电路如图7所示：图7手动电路原理图4.3水塔自动上水控制系统自动电路在水塔中有两只检测探头A和B，A是下限水位探头，B是上限水位探头，12V直流电源接到下限水位A之下的探头，它是水塔中储存水的最低水位。上限水位探头B接到晶体管V2的基极(BC547)，其集电极连到12V电源，发射极经电阻R3接地，并接入与非门N2第、脚，与非门N3
15、的输出第脚和与非门N1的第脚相连，N3第脚输入端接到N1第脚输出端，并经电阻R4与晶体管V3的基极相连，与晶体管V3发射极相连的继电器K2用来驱动电动机M。下限水位探头A连接到晶体管V1(BC547)的基极，其集电极连到12V电源，发射极连到继电器K1，继电器Kl接入与非门N1的第脚。当水塔向水位在探头A以下，晶体管V1与V2均不导通，N1输出高电平，晶体管V3导通，使继电器K2有电流通过而动作，因而电动机工作，开始将水抽入水箱。当水塔的水位在探头A以上、探头B以下时，水塔中的水给晶体管V1提供了基极电压，使V1导通，继电器Kl得电吸合N1第脚为高电平，由于晶体管V2并无基极电压，而处于截止状
16、态，N2第、脚输入为低电平，第脚输出则为高电平，而N3第脚输入端仍为高电平，因而N3第脚输出则为低电平，最终N1第脚输出为高电平，电动机继续将水抽入水塔。当水塔的水位超过上限水位B时，晶体管V1仍得到基极电压，继电器Kl吸合。N1第脚仍为高电平，同时，水塔中的水也给晶体管V2提供基极电压使其导通，N2第、脚输入端为高电平，第脚输出端为低电平，N3第脚输出端为高电平，N1第脚最终输出低电平，使V3截止电动机停止工作。 系统自动电路原理图如图8所示：图8自动电路原理图当水位下降低于探头B但高于探头A，水塔中的水依然供给晶体管V1的基极电压，继电器K1继续吸合，使N1第脚仍为高电平，但晶体管V2不导
17、通，N2第、脚输入端为低电平，其第脚输出端为高电平，N3第脚为低电平，则N3第脚输出为高电平，最终N1第脚输出端继续保持低电平，电动机仍停止工作。若水位降到探头A以下，晶体管V1与V2均不导通，与非门N1输出高电平，驱动继电器K2电动机又开始将水抽入水塔。4.4水塔自动上水控制系统总原理图 水塔自动上水控制系统总原理图如图9所示： 水塔自动上水控制系统图94.5水塔自动上水控制系统元件4.5.1水塔自动上水控制系统元件选择（1）接触器的选择接触器的类型：接触器的选择根据负载来选择，直流负载应选用直流接触器，交流负载应选用交流接触器。此设计用到的是交流接触器：主触点的额定电流IN，可根据下面公式
18、进行选择，INPNx103/（KUN）IN接触器主触点的额定电流，A；K比例系数，一般取11.4；PN被控电动机的额定功率，KW；UN被控电动机的额定线电压，V；交流接触器主触点的额定电流应大于或等于负载电路的额定电流。依据控制回路的电压来决定接触器的线圈电压。交流接触线圈一般选用380V或220V。为保证安全，一般接触器吸引线圈选择220V。接触器辅助触点的数量、种类要满足线路需要。（2）继电器的选择常用的继电器是有触电的，触电有通和段两种状态，状态的改变由某种机构带动。根据继电器原理不同，可分为：电磁式、感应式、电子式、热效应式、气动式和电动式等。最常用的是电磁式继电器，它是根据吸引线圈中
19、的电流量的大小来动作的。（3）熔断器的选择熔断器选择依据：在电器设备正常运行时，熔断器不应熔断；当出现短路时，立即熔断；在电流发生正常变动时，熔断器不熔断；在用电设备持续过载时，延时熔断。熔断器类型与额定电压选择：根据负载保护特性和短路电流大小、以及各类熔断器的适用范围来选择熔断器的类型。根据被保护电路的电压来决定熔断器的额定电压。此外熔断器的额定电压要不小于电路的额定电压。熔体与熔断器额定电流的选择：熔断器熔体的额定电流大小与负载大小、负载性质有关。对于负载平稳、无冲击电流，熔断器的额定电流要不小于熔体额定电流。熔断器上下级间的配合：为做到选择性保护的要求，应注意熔断器上下级之间的配合，一般
20、要求上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍，否则会发生越级动作，扩大停电范围。因此，当上下级采用同一种型号的熔断器时，其电流等级做到相差两级最好；若上下级所采用的熔断器型号不同时，则应根据保护特性上给出的熔断时间选取。（4）刀开关的选择刀开关结构形式的选择：应根据刀开关的作用和装置的安装形式来选择，是否带灭弧装置，若需要分断负载电流时，应选择带灭弧装置的。根据装置的安装形式来选择，是直接操作还是杠杆传动，是板前接线还是板后接线的结构形式。 刀开关的额定电流的选择：额定电流应不小于所分断电路中各个负载额定电流的总和。其次对于电动机负载，应考虑其启动电流，所以应选用额定电流大一级的刀开关。最后考
21、虑电路出现的短路电流，应选用额定电流更大一级的刀开关。（5）控制按钮的选用按控制回路的需要，确定不同的按钮数。根据使用场合，选择控制按钮的种类。按工作状态指示和工作情况的要求、选择按钮及指示灯的颜色。（6）二极管的选择根据电源规格，设计的工作频率等条件，最优选择；高电压应用，应当选用快恢复和超快恢复二极管；15V 以下电源中的输出整流二极管应尽可能选萧特基；选择时，若工作电流较大，则在相同的器件额定参数下，尽可能选择正向导通电压小的二极管；应尽可能选择萧特基二极管；应尽可能选择反响恢复快或软恢复的二极管。根据电源规格，计算所选变换器中要考虑二极管的稳态参数：反向阻断电压最大值；最大的正向电流平
22、均值；从器件商的DATASHEET 中选择合适的二极管，进行多项选择，以便在实验中做比较；要考虑二极管的其它参数：如正向通态压降、反向恢复时间等，估算其工作时的最大损耗，与其它元器件的损耗一起，估算变换器的效率；由实验选择最终的二极管器件。（7）三极管的选择选用三极管时首先要计算出电子电路的工作频率的大概值，在现实设计中一般要求三极管的FT是实际工作频率的三倍以上。小功率三极管BVCEO的选择可以根据电路的电源电压来决定，一般只要三极管的BVCEO大于电路中电源的最高电压就可以。若三极管的负载是感性负载时，如变压器、线圈时BVCEO数值的选择要慎重，感性负载上的感应电压可能达到电源电压的28倍
23、。一般小功率三极管的BVCEO应都大于或等于15V，所以在无电感元件的低电压电路中可以忽略这个参数。一般小功率三极管的ICM在3050mA之间，对于小信号电路一般可以忽略。但对于驱动继电器及推动大功率音箱的三极管要认真计算。首先要了解继电器的吸合电流是多少毫安，以此来确定三极管的ICM。当我们估算了电路中三极管的工作电流(即集电极电流)，又知道了三极管集电极到发射极之间的电压后，就可根据公式P=UI来计算三极管的集电极最大允许耗散功率PCM。（8）变压器的选择控制变压器容量是控制回路各个负载容量的和，这要根据具体的控制电路确定，并适当留有余量。一般按计算所得的负载容量的1.25倍选择控制变压器
24、的容量； 4.5.2水塔自动上水控制系统元件本系统设计元件清单列表如表1所示：名称文字符号型号及规格数量作用二极管 D2、D4 IN40012续流保护二极管DIN40014整流三极管V1、V2、V3BC5473控制电路发光二极管D1、D3FG11302指示电阻R1、R2、R3、R41K4限流与非门N1、N2、N3741S003控制电路电容C0、 C10.1uF、0.33uF2滤波变压器TBK-25VA，220/181降压继电器K1、K2、 K3JS1-12V-F、K33开关电路报警器1报警熔断器FURL1-60 60A、熔体20A3短路保护热继电器FRJR16-20/3D、15.4A1过载保护
25、交流接触器KM1、KM2CJ0-20B，线圈电压380V2控制电路按钮SB2 SB1LA20-11D绿色LA20-11D红色1手动启动手动停止转换开关SALW5-151手动与自动转换开关QSHZ10-25/3J 25A,380V1开关电路 表1系统设计元件清单5水塔自动上水控制系统运行总过程本设计分为手动与自动两个部分。手动部分：将转换开关SA与2闭合，同时按下按钮SB2，交流接触器KM2得电，常开触点动作电动机开始工作，并且自锁；根据需要情况停止供水按下按钮SB1，交流接触器KM2失电，常开触点断开，电动机停止工作。自动部分：将转换开关SA与1闭合，一开始水位比较低处于下限水位A以下，根据控
26、制电路可知，晶体管V1与V2均不导通，在与非门的作用下晶体管V3导通，使继电器K2有电流通过而动作，后继电器K3得电动作，使交流接触器KM1得电，常开触点闭合，电动机工作。如果此时电动机故障使热继电器动作（或交流接触器没有动作），那么报警系统工作，开始报警，提示工作人员水塔出现故障；当水位上升到下限水位A以上时，晶体管V1导通，但由于与非门的作用，晶体管V3仍然处于导通状态，所以电机还是工作，继续给水塔供水。此时显示系统工作指示灯D1点亮，表明水位处于下限水位以上；当水位上升到上限水位B以上时，晶体管V1、V2均导通，在与非门的作用下，晶体管V3截止，继电器K2、K3复位，交流接触器KM1失电
27、，常开触点断开，电动机停止工作。如果电动机没有停止工作，那么报警系统开始报警，提示工作人员水塔故障。显示系统工作指示灯D3亮，表明水位处于上限水位B以上。6水塔自动上水控制系统仿真6.1仿真电路6.1.1Multisim12.0软件介绍Multisim12.0是美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真软件，适用于板级的模拟/数字电路板的设计。电子路设计者可以使用Multisim12.0交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim12.0提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样设计人员不用深入的掌握技术SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使电子学教
28、育变简单。通过Multisim12.0和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。6.1.2仿真电路所用元件 仿真元件清单如表2所示：名称文字符号数量作用二极管D14续流保护三极管Q11控制电路发光二极管LED11指示与非门U2AU2BU2C3控制电路开关S1A、S1B2开关电路电阻R1、R2、R3、R4、R、R高、R低6限流变压器T11降压继电器S21开关电路报警灯1报警水泵1抽水 表2仿真元件清单6.1.3电路及仿真过程电路上半部分是一个电源电路，此电路起到稳压、滤波的功能，并且使强电信号转变成弱点信号。此
29、仿真电路图是根据以上原理做出的逻辑门电路控制电路。当水位到达下限水位A时，开关B闭合，报警指示灯亮，水泵开始抽水，当水位到达上限水位时B，开关A闭合，报警指示灯亮，水泵停止抽水。 仿真电路图如图10所示： 图10仿真电路图6.2结论 本次设计利用基本电路做到了自动上水功能，并且此电路在实际生活中很好搭建，在经济上花费代价比较低，可以提高供水效率，使人们能够持续工作。结束语 我的毕业设计终于完成了。在做毕业设计之前，总以为做毕业设计仅仅是对这四年来所学知识的考察，当我真正开始做毕业设计的时候才发现自己的想法是多么的可笑。通过这次毕业设计使我明白了自己所学的知识是多么的片面，独自一人面对这个课题时
30、感到迷茫，不知道该从哪里入手。以前总以为自己该学的都学会了，现在才发现自己要学习的东西还很多，在以后的工作中，要养成一个不断学习的习惯，努力丰富自己的知识和提高综合素质。这次毕业设计让我明白了理论到实践的跨越。从当初在网上查阅资料，到现在的设计，这中间有很多地方值得回味。1. 做好规划拿到毕业设计应做好规划，什么时间做什么工作，对自己的设计先将整体思路总结出来。我在此次设计中就花的很长时间在茫然思考。2.多与指导老师沟通，不能自己盲目单干，这样自己方向错了，自己还茫然不知。3.软件的学习。应该一边做设计一边学习，遇到不会的再查资料，这样能够快速掌握软件的使用，和提高工作效率。这样能在做设计时有更多的思路。4.永不言败。做毕业设计，不能遇到问题就跳过，这样最终什么都做不好，遇到问题及时解决，这样自己的思路会更广阔。5.与实际结合。做出来的设计要有应用价值。 6.毕业设计应该早早开始行动，不然到最后的时候自己会不知道该做什么，而且修改论文时，自己不知所措。参考文献1 陈红亮，张峰，田社平.电路基础.北京；高等教育出版社，2007.2 卢子广.自动控制理论M.机械工业出版社,2009,11.3 张永瑞，王松林，李小平.电路分析.北京：高等教育出版社，20044 孙肖
