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水位自动控制电路的设计

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电子设计报告

题 目：水位自动控制电路的设计

系 别：电子电气工程系

专 业：应用电子技术

班 级：

完成日期：2013年5月22日

一 设计任务

利用555定时器,设计一个水位自动控制电路。

功能：

1. 当水位低于最低点时，电路能自动加水。

2. 当高于最高点时，电路能自动停水。

3. 该电路的直流电源自行设计。（可采用W78××系列）

要求： 2

1. 选择适当的元器件，设计该电路。以实现上述功能。

2. 利用Protel99绘制其电路原理图。

3. 对每个元器件选择合适的封装，形成网络表文件。

4. 选择正确的布线规则，形成该电路的PCB板图。

一、 实际设计

该设计介绍了一种基于数字集成电路的自动水位控制器的设计方法。主芯片选择555时基集成电路，该设计的电源由市电供给。为了降低成本，简化电路，我们采用变压器、整流二极管、三端集成稳压器和滤波电容器对电源进行降压整流。该设计具有自动检测水位，自动开关电机，无人看守自动工作等功能。

1. 主要元器件介绍

（1） 555定时器：

集成时基电路又称为集成定时器或555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。

555电路的内部电路方框图如图：

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。 3

当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。RD是复位端（4

脚），RD＝0，555输出低电平。平时RD端开路或接Vcc。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1 的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。

555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压， 以确定输出电平的高低和放电4

开关管的通断。 这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。

表1 555的功能表

状态 输入 输出

RD TH TR Vo Ct

1 1 × × 低 导通

2 1 >2/3Vcc >1/3Vcc 低 导通

3 1 <2/3Vcc >1/3Vcc 不变 不变

4 1 <2/3Vcc <1/3Vcc 高 截止

5 1 >2/3Vcc <1/3Vcc 高 截止

（2） 电磁继电器

电磁继电器一般由铁芯、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、释放，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”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路，实现通过弱点控制强电的目的。

（3） 开关三极管

开关三极管的外形与普通三极管外形相同，它工作于截止区5

和饱和区，相当于电路的切断和导通。由于它具有完成断路和接通的作用，被广泛应用于各种开关电路中，如常用的开关电源电路、驱动电路、高频振荡电路、模数转换电路、脉冲电路及输出电路等。

负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上，输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open)与闭合(closed)动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的断开，此时三极管仍作用于截止(cut off)区。同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃工作于饱和区(saturation)。

2. 电路设计

该控制器由抽水泵电路、降压整流电路、水位监测电路控制电路等组成。其中降压整流电路为整个控制器提供直流电压。

◆抽水泵电路：

右图为水泵电路，MG1为交流抽水泵，S1为电源总开关，J2接220V交流电，继电6

器连接控制电路，通过衔铁的闭合与断开控制水泵的断电与送电。

◆降压整流电路电路：

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，稳压电路直接将电网中的220V交流电转换成+12V的直流电压。

变压器采用常规的铁心变压器，将高压转变为低压。

整流电路采用二极管桥式电路，本设计使用集成模块，其任务是将交流电换成直流电，这主要靠二极管的单向导电作用。

滤波电路由 C5、C6、C7、C8 构成，用于滤去整流输出电压中的纹波，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，负载变动不大的电路。

稳压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的高频干扰，另一方面以减少稳压电源输出端由输7

出电源引入的低干扰。

◆检测控制电路：

纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的导电离子，本水位检测装置就是利用水的导电性完成的。

右图中A、B、C是三个电极检测点。当水位低于水位线 B 时，水泵工作，给水池加水。水位高于水位线A时，水泵停机，停止给水池加水。C电极是最低水位检测点，它连接于电源地，当水位低于水位线B时，C与B点不导通，当水位到达 B 点时，C、B两点在水的作用下导通，当水位到达A点时，A、B与C点都导通。在正常情况下，水位应保持在A、B两电极范围内。

详细控制电路见下页图1。当控制器用于水位控制时： 水容器 A B C 8

图1 控制电路原理图

若水位低于最低点B，则Q1、Q2两开关二极管基极接入高电平，处于高电平闭合状态，其相应的引脚输入低电平，处在表1的状态4，555因2脚电位为低电平而发生置位，3脚输出的高电平使继电器吸合，触点接通，水泵启动、上水，同时发光二极管D6亮起指示。

在加水的过程中水位超过B、C但不到A，则Q1开关二极管基极接入低电平，处于低电平断开状态，Q2开关二极管基极接入高电平，处于高电平闭合状态，555处在表1的状态3，3脚输出的高电平通过继电器触点闭合维持水泵运转加水。

当水位超过A，则Q1、Q2两开关二极管基极接入低电平，处于低电平断开状态，其相应的引脚输入高电平，处在表1的状9

态2，3脚输出的低电平，由继电器断开水泵停止运转，停止加水，D5亮起。

此后当水位高于B、C而低于A时同上，555处在状态3，并不加水，只有当水位低于B、C时555处在状态4输出高电平控制继电器闭合加水。

如此循环往复使水池中的水位保持在 B、A之间。

图中J2接入220V电压。D2、D3、D4二极管起保护作用，发光二极管指示水泵工作状态，滑动变阻器用来调节开关三极管基极电压使其工作于截止区和饱和区。继电器控制水泵开关，S1为水泵电源总开关，J6外接水位电极。

电路中开关三极管的接入目的是使电平高低的输入更加可靠，准确的满足555定时器对电平比较判断的需要，二极管防止不正确的电压接入烧坏器件，两个不同颜色的LED灯分别指示水泵的不同工作状态。

图2 控制流程图

电路中开关三极管的接入目的是使电平高低的输入更加可水位低于B、C，B、C断开。 NE555处在状态4，输出高电平。继电器闭合水泵抽水。 水位高于B、C，低于A，B、C连接。 NE555处在状态3，维持状态不变。继电器闭合水泵继续抽水。

水位高于A，A、B与C相连。 NE555处在状态2，输出低电平。继电器断开水泵停止抽水。

水位高于B、C，低于A，B、C连接。 NE555处在状态3，维持状态不变。继电器断开水泵停止抽水。 10

靠，准确的满足555定时器对电平比较判断的需要，二极管防止不正确的电压接入烧坏器件，两个不同颜色的LED灯分别指示水泵的不同工作状态。

图3 电路总图

3. 元器件的选择

U1选用 NE555时基集成电路。

U2选用LM7812。

Q1、Q2采用8050型NPN中功率三极管，要求 β＞100。D111

采用四个1N4002二极管，也可直接用成品整流桥代替。D2、D3、D4采用1N4001型二极管。

R1、R2为电位器，R3—R7用1/8W的碳膜电阻。

C2—C7用瓷介电容。

继电器K1的型号为JQX一14FF，如果需要控制大功率的水泵，则根据需要选择其他型号的继电器。

T1为12V变压器。

元件列表

编号 名称 型号

T1 变压器 220V转12V

D1 整理桥 KBPC3510

C2~C7 瓷介电容 详见原理图

D2~D4 二极管 1N4001

D5、D6 发光二极管 5mm（红绿各一）

Q1、Q2 开关三极管 8050

R1、R2 可变电阻 详见原理图

R4~R7 碳膜电阻 详见原理图

K1 继电器 JQX一14FF

J1、J2、J6 接点

A、B、C 电极

U1 555定时器 NE555

U2 三端稳压 W7812

二、 PCB版图的生成

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DF-96系列全自动水位控制器工作原理

DF-96系列全自动水位控制器工作原理

DF-96系列全自动水位控制器工作原理

[日期：2012-01-02] 来源： 作者：辽宁 徐涛

DF-96D DF-96A B C

一、整机工作原理

该型全自动水位控制器电路原理如下图所示。由图可知，本控制器电路主要由电源电路、水位信号检测电路、输出驱动电路三部分组成，下面分别加以介绍。

1．电源电路

AC220V电压经变压器T降压，其次级输出近13V左右交流电加至由D1~D4构成的整流桥输入端，整流后经电容CI滤波得到约10.5V直流电压。该电压经Rl加到红色发光管LEDI上，将LEDI点亮，表示电源正常。该电压除了为ICI及继电器提供工作电源外还直接送到水位检测电极C．作为水位检测的公共电位。

2．水位信号检测电路

该部分是以四二输入与门电路CD4081为核心并配以五根水位检测电极A—E构成的。其作用是根据电极实测水位的变化CD4081相应引脚的电平随之变化，满足与门条件时相应输出端电平改变，以驱动输出电路。其中R2是ICI的电源输入限流电阻，D5与R3及D6与R8起隔离自锁作用，当相应输出端即ICI(10)脚、(3)脚为高电平时将(8)脚、(1)脚锁死，其状态的翻转取决于(9)脚和(2)脚。C2—C5及R4_R6、R12的作用是滤除干扰信号意外进入控制器引起误动作。

3．输出驱动电路

该部分主要由驱动管VTI，继电器Jl、功能选择开关K及输出状态指示绿发光管LED2组成。功能选择开关K处于“开？位时，继电器Jl被强制动作．其相应触点Jl-I闭合，外接负荷（单相电动水泵或控制接触器）开始工作，输出状态指示绿发光管LED2也被点亮；处于“关”位时，触点Jl-I断开，外接负荷被切断；处于“自动”位置时．Jl动作与否受驱动管VTI的控制．当VTI基极电位高于0.7V以上时则饱和导通，继电器儿得电动作，其触点Jl-I闭合，反之则断开。

液位自动控制系统分析

液位自动控制系统分析

二．系统分析

2.1系统工作原理

浮球杠杆式液位自动控制系统原理示意图

工作原理：当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱中流入水量与流出水量相等，从而液面保持在希望高度上。一旦流入水量或流出水量发生变化，水箱液面高度便相应变化。例如，当液面升高时，浮子位置亦相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的流量减少。此时，水箱液面下降，浮子位置相应下降，知道电位器电刷回到中点位置，系统重新处于平衡状态，液面恢复给定高度，反之，若水箱液面下降，则系统会自动增大阀门开度，加大流入的水量，使液面升到给定的高度。

2.2系统分解

水位自动控制系统由浮子，杠杆，直流电动机，阀门及水箱控制部分构成。根据不同的需要可以对各部分进行不同的设计。该系统结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。

液位控制系统原理方框图如下所示：

图2

2.3．数学模型

2.3.1浮子、杠杆、电位计（比例环节）

浮球杠杆测量液位高度的原理式

𝑈𝑜=𝑈总𝑏∆ℎ𝑎𝑙

式中Uo为电位计的输出电压，𝑈总为电位计两端的总电势，𝑏𝑎⁄为杠杆的长度比，∆ℎ为高度的变化，l为电位计电阻丝的中点位置到电阻丝边缘的长度。

则：

𝐺1(𝑠)=𝐾1

2.3.2微分调理电路（微分环节）

由于水面震荡，导致浮子不稳定，在电位计的输出电压与电动机的输入端之间接一个微分调理电路，对输入的电压进行调理

传递函数为

𝐺2(𝑠)=𝐾2𝑠

2.3.3电动机（惯性环节）

查资料知电动机的传递函数：

𝐺3(𝑠)=𝐾3𝑇𝑠+1

2.3.4减速器（比例环节）

这是一个比例环节，增益为减速器的减速比。

故，传递函数为

𝐺4(𝑠)=𝐾4

2.3.5控制阀（积分环节）

这是一个积分环节，

故，传递函数为

毕业设计 水塔水位自动控制系统 -解读

毕业设计 水塔水位自动控制系统 -解读

学院本科毕业设计（论文）

I

摘要

供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行水塔水位控制自动化系统的改造。可编程控制器( PLC) 因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。本文针对目前比较流行的控制技术，利用PLC和传感器构成了水塔水位恒的控制系统。改造后的水塔水位自控系统，实现水塔水位自动控制系统，远程监控，实现无人值守。

关键词: 可编程逻辑控制器（PLC） 水塔水位 自动控制

学院本科毕业设计（论文）

II

Abstract

Water supply is a major industry involving the interests of the state and the

people. With development of society and the improvement of the people's livelihood,

city water supply has been brought forward a higher request. It needed to be timely ,

accurate and safely to plentifully conduct water supply. If we still continue to use a

way of the man-power, the intensity of labor are high , availability is low and the

security is difficult to ensure .We must carry out water tower water level under the

水塔水位PLC自动控制系统

水塔水位PLC自动控制系统

目录

1概论 ................................... 错误!未定义书签。

1.1 可编程序控制器简介 ................ 错误!未定义书签。

1.2 PLC的工作原理 ..................... 错误!未定义书签。

1.3 PLC的特点 ........................ 错误!未定义书签。

1.4 PLC的选择 ........................ 错误!未定义书签。

2 水塔水位自动控制系统方案设计 ........... 错误!未定义书签。

3 水塔水位自动控制系统硬件设计 ........... 错误!未定义书签。

3.1水塔水位控制系统设计要求 ........... 错误!未定义书签。

3.2 水塔水位控制系统主电路 ............ 错误!未定义书签。

3.3 水泵电机的选择 .................... 错误!未定义书签。

3.4 水位传感器的选择 .................. 错误!未定义书签。

3.5 PLC I/O接口分配 ................... 错误!未定义书签。

3.6 PLC控制电路原理图 ................ 错误!未定义书签。

4 水塔水位自动控制系统PLC软件设计 ....... 错误!未定义书签。

4.1 程序流程图 ........................ 错误!未定义书签。

4.2 梯形图程序 ........................ 错误!未定义书签。

4.3 指令表 ............................ 错误!未定义书签。

总 结 ................................. 错误!未定义书签。

参考文献 ................................. 错误!未定义书签。