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1、 電子課程設(shè)計 數(shù)理 學(xué)院 應(yīng)用物理 專業(yè) 題 目： 帶保護裝置的水塔自動進水裝置 姓 名： 林錦森 學(xué) 號： 132412130 指導(dǎo)教師： 米啟超、寧蘊緋 時間： 2015年 1 月 05 日~ 2015 年 1月 10日 請預(yù)覽后下載！

2、 目錄 一、設(shè)計目的………………………………………………………3 二、設(shè)計要求………………………………………………………3 三、設(shè)計方案………………………………………………………4 四、設(shè)計組成及原理分析…………………………………………6 五、整體電路圖……………………………………………………10 六、元器件的選用及其參數(shù)………………………………………11 七、設(shè)計總結(jié)………………………………………………………13 八、參考文獻………………………………………………………15 請預(yù)覽后下載！ 一、設(shè)

3、計目的 通過這次設(shè)計熟練對電子設(shè)計的動手技能提高電子設(shè)計的能力同時也培養(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)計對所學(xué)的數(shù)電和模電知識及各種電路、電路元件的功能更好的理解和運用。 2、 設(shè)計要求 (1)要求設(shè)計制作一個帶保護裝置的水塔自動進水裝置。 (2)要求有水滿、進水、水量不足指示,當(dāng)水位底時要自動進水水滿時斷電停水,水位過低時能進行斷電保護信號。 本文設(shè)計了一種水位控制電路。當(dāng)水位超出規(guī)定范圍時,系統(tǒng)能夠自動調(diào)整水位,使其落在規(guī)定的范圍內(nèi)；當(dāng)水位低于規(guī)定范圍時就控制水泵工作抽水，使水塔內(nèi)的水位上升，到達規(guī)定高度。從而達到不用

4、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)點式，壓力式，電子式，微機式等。這些裝置或多或少的存在著一些缺點，浮子開關(guān)式采用機械結(jié)構(gòu)，維護起來不方便；微機式控制裝置，雖然操作方便，但造價較貴……本文從實用型和經(jīng)濟型出發(fā)，設(shè)計了一種水位控制裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，工作可靠，性能價格比優(yōu)良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺點 請預(yù)覽后下載！ ，并提供 了自動報警自動保護功能。有很多場合下均

5、可采用。 3、 設(shè)計方案 1、設(shè)計思路 每部分電路都有其相應(yīng)功能，首先有信號產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個電路的輸入信號，該信號經(jīng)過信號處理部分處理之后輸出其他電路的控制信號，控制其他電路工作，電機控制電路部分接收到有信號處理電路輸出的有效控制信號后正常工作驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動抽水，使水位上升，而水位的變化又直接關(guān)系到信號的產(chǎn)生，因此有個循環(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后驅(qū)動顯示器工作，使其顯示該時刻的水位；水位超限時輸出為報警電路的有效2 控制信號使報警電路工作，驅(qū)動報警器報警。由“信號產(chǎn)生→信號處理→電機控制→電機→信號產(chǎn)生”這個循環(huán)就能使水塔具有自

6、動控制水位的能力。 2、 現(xiàn)有設(shè)計方案的分析 （1）繼電器式自動上水控制裝置 繼電器式自動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個探測電極來檢測水位高低使繼電器閉合或開啟，控制水泵電動機的開停，達到控制水位的目的，控制電路較簡單，但要注意以下幾點: 1)在維修水塔中的水位探測電極時，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使N線帶電 請預(yù)覽后下載！ ，造成維修人員的觸電危險。 2)在水塔的低水位探測電極C的引線端必須進行N線的重復(fù)接地。接地電阻要求小于4Ω，使C點

7、水位探測電極保持良好的零電位，以利于繼電器的可靠吸合，使自控電路運行穩(wěn)定。 3)在水泵向水塔供水時，由于水流的沖擊，使水塔內(nèi)的水位波動起伏，容易導(dǎo)致繼電器吸合、斷開的頻繁跳動，影響自控電路的正常穩(wěn)定運行。為了解決這個問題，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）晶體管式自動上水控制裝置 晶體管式自動上水控制裝置工作原理是水位高低控制串接探測電極的2支晶體三極管的導(dǎo)通、關(guān)斷，從而控制繼電器回路，達到自動(可手動)啟停水泵電動機的目的以控制水位。設(shè)計與使用中應(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)對元器

8、件的主要技術(shù)參數(shù)逐項檢測。對裝配好的整機要進行電老化及熱老化的試驗，并在電氣試驗室作額定工作狀態(tài)的頻繁動作100次以上的傳動試驗，以及絕緣耐壓試驗等。 2)由于三極管輸出信號較小，需通過中間繼電器來控制主回路接觸器，以延長器件壽命，增加可靠性。 3)水位探測電極，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，以防止探測電極氧化銹蝕降低電極3 的導(dǎo)電性能。 請預(yù)覽后下載！ 4)定期對整個控制電路檢修維護和探測電極的清掃除垢。 3、總體設(shè)計框圖 由任務(wù)分析可知該設(shè)計電路

9、有兩個功能：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，所以首先即必須要有輸入信號，因為任務(wù)要求是自動控制，所以輸入信號也必須由電路自己產(chǎn)生而不能人為加入，因此可以將整個電路設(shè)計為以下部分：信號產(chǎn)生、信號處理、電機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)計框圖 4、 設(shè)計組成及原理分析 4.1信號產(chǎn)生部分 該電路的目的是產(chǎn)生有效的輸入信號，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傳遞微弱的電信號，鑒于此原理，初步將該電路設(shè)計成由水面上升與下降來控制電信號的接通與斷開；當(dāng)水位上升時接通電信號；當(dāng)水位

10、下降時斷開電信號。按此分析，只要在水塔里放上用來傳遞電信號的探頭， 請預(yù)覽后下載！ 則水位上升到探頭位置時接通電信號；水位低于探頭位置時斷開電信號。把電信號接通時設(shè)為有效信號即當(dāng)做輸入信號，而斷開時設(shè)為無效信號，因 此可以由電信號的接通與斷開之間的變化產(chǎn)生信號當(dāng)做控制信號。在水塔的不同位置放置幾個探頭時就可以根據(jù)水位的高低接通某些探頭和斷開某些探頭。因此只要知道每個探頭具體位置，再根據(jù)其輸出電信號的情況就能大致確定水位的位置，將探頭輸出的電信號當(dāng)做輸入信號經(jīng)過處理后成為電路的控制信號。根據(jù)設(shè)計的要求，設(shè)水塔分水滿、不足、兩者之間三部分，因此可用探頭個數(shù)設(shè)計為三個點的水位，原理圖如

11、下 a-c為三個檢測探頭，其中a探頭表示水箱底部水不足的臨界點，b表示在水滿和水不足之間，c探頭表示水滿的觸點。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，有利于電信號的傳遞。 圖2 探頭原理圖 4.2信號處理部分 請預(yù)覽后下載！ 該部分主要是對輸入信號進行處理輸出其他電路的控制信號，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，因此可以接一個反相器對輸入信號進行處理。 圖3信號處理部分 4.3水位顯示部分 由以上電路的設(shè)計，可選用74LS147的優(yōu)先編碼器，所謂

12、“優(yōu)先”編碼即多5 個輸入端同時滿足編碼條件時，只對最高位編碼。先用優(yōu)先編碼器把所輸入信號進行編碼，編碼后由于輸出低電平信號有效所以用反相器進行校正，校正后驅(qū)動顯示器進行工作。 用開關(guān)的通斷來分別表示水滿、不足、中等這幾個信號，水滿時顯示器可顯示3，水不足時顯示1。 根據(jù)要求該電路設(shè)計以編碼器為核心的編碼電路，具有設(shè)計的電路如下圖4所示： 請預(yù)覽后下載！ 圖4信號編碼電路 4.4電機控制電路 該部分為整個設(shè)計電路的重點部分，也是難點部分。主要目的就是要控制電機的工作，通過控制電機的工作來控制水位，這也就是本實驗的主要設(shè)計目的。 現(xiàn)用燈泡

13、的亮滅代替電機的運轉(zhuǎn)。由于任務(wù)要求：當(dāng)水位低時要自動進水，滿時要及時斷電停水。也就是說只有A開關(guān)閉合時電機運轉(zhuǎn)，現(xiàn)在用燈泡來表示即為燈滅；當(dāng)3個開關(guān)都閉合是即顯示3燈亮。該部分電路設(shè)計如下圖： 請預(yù)覽后下載！ 圖5電機控制電路 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555時基集成電路，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

14、低時即顯示器顯示1時，上面開關(guān)斷開，此時A2的2腳為低電平，3腳為高電平，燈不亮。當(dāng)水位上升最高點時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 請預(yù)覽后下載！ D C B A 燈 0 0 0 1 滅 0 0 1 0 保持 0 0 1 1 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定時器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。先對555定時器做個簡單的介紹。如圖7示是它的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)

15、圖。 請預(yù)覽后下載！ 圖7 555定時器 下表是555定時器的功能表充分說明了它的特性。 表2 555功能表 555定時器是一種應(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。因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。 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)信號時，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)信號時，先會進入暫穩(wěn)態(tài)再回到穩(wěn)定狀態(tài)。555時基電路(IC)接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器形式 請預(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)信號輸入端。平時3腳輸

16、出信號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，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)，3腳輸出信號Vo=VCC。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器驅(qū)動電路的特點是每觸發(fā)一次555時基電路便驅(qū)動負(fù)載工作一個固定的時間，該工作時間等于單穩(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:其一，觸發(fā)電流僅為0.5μA，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200mA，可直接驅(qū)動繼電器；其三，可利用單穩(wěn)態(tài)電路的延時特性避免由于水流沖擊導(dǎo)致水塔內(nèi)水面波動起伏而影響輸出繼電器頻繁跳動的不良現(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

17、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) 請預(yù)覽后下載！ Q1-Q8、Q9 三極管 9013 9014 R1-R8、R9、R10-R16 電阻10k 2k 220歐姆 IC1 編碼器 74147 IC2 反相器7404 IC3、IC4 四輸入與非門7420 IC5 譯碼器7448 IC6 二輸入或門4071 IC7 二輸入與門7400 C1-C8 電解電容10uf 報警器 NE555時基定時器 顯示器 顯示器 7、 設(shè)計總結(jié) 通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)數(shù)字電子方

18、面的知識，在設(shè)計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欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(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)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下 請預(yù)覽后下載！ ，終于游逆而解。課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許

19、多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時設(shè)計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識。 通過這次課程設(shè)計，我掌握了555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的識別和測試；熟悉了信號產(chǎn)生部分；了解了電機控制電路的方法；以及如何提高信號處理的性能等等，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定時器原理。 我認(rèn)為，在這學(xué)期的實驗中，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗課上我們學(xué)會了很多學(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)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，

20、只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。實驗過程中，也對團隊精神的進行了考察，讓我們在合作起來更加默契，在成功后一起體會喜悅的心情。果然是團結(jié)就是力量，只有互相之間默契融洽的配合才能換來最終完美的結(jié)果。此次設(shè)計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請教或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識，收獲頗豐。 請預(yù)覽后下載！ 八、參考文獻 [1] 康華光. 電

21、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：人民有點出版社，2006 [3] 劉修文. 實用電子設(shè)計制作300例[M].中國電力出版社，2005 [4] 劉浩斌. 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計[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： 請預(yù)覽后下載！ 請預(yù)覽后下載！ （注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請指正，謝謝!） 請預(yù)覽后下載！