课设：水塔水位控制器设计

目 录

1．设计任务与要求 .................................................................................................. 2 2．方案比较与论证 .................................................................................................. 3 2．1各种方案比较与选择.................................................................................... 3 2．2方案证论........................................................................................................ 3 3．总体设计框图 ...................................................................................................... 4 4．选择器件 .............................................................................................................. 4 5．单元模块设计 ...................................................................................................... 6 5．1信号产生部分................................................................................................ 6 5．2信号处理部分................................................................................................ 7 5．3水位显示电路................................................................................................ 8 5．4 电机控制电路............................................................................................... 8 5．5 报警控制电路............................................................................................. 10 6．最终电路 ............................................................................................................ 12 7．结论 .................................................................................................................... 13 8．设计总结 ............................................................................................................ 13 参考文献 .................................................................................................................. 13 附录 .......................................................................................................................... 15

1 设计任务与要求

1．1设计并制作一个水塔水位控制器该控制器具有四个水位检测输入，由低到

高分别为H1、H2、H3、H4；功率为10KW的水泵电动机分别为M1、M2；控制器根据水位状态控制水泵工作。

1．2控制要求

1．水位检测，要求不受长期水泡工作环境影响；

2．当水位低于H1时，M1与M2同时工作；当水位高于H4时，M1与M2同时停机；

3．当水位由H1上升到H3时，关掉M1； 4．当水位由H4上升到H2时，打开M1；

1．3备用泵控制要求

当两台工作水泵任一台发生故障时，应能检测出故障，并使备用水泵投入工作，备用水泵投入后，对故障水泵有相应指示

1．4题目评析

该题目的选取充分考虑到水位控制器在现实生活中的广泛应用，结合生活经验以及所学知识。利用74LS147编码器实现了对水位的监控和电机控制。该电路简单明了，难点在于逻辑电平信号的产生，以及编码器逻辑电路的设计。该设计具有使用简单，性能可靠，制作成本低廉，便于实现自动化等一系列优点。该控制器适用性强，抗干扰能力强等优点。

2．方案比较与论证 2．1各种方案比较与选择

方案一：通过浮球开关来控制水位。利用电缆式浮球开关，通过一弹性电线与水泵连接。该控制器浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤维状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。使用寿命相对短些，而且多数直接接220V,存在一定的安全隐患终有一天因为电线破损而漏电伤人。 方案二：采用555电路的电子水位控制器，该控制器采用555定时器作为主控电路的核心，该方案在555定时器的设计上比较难以实现。

方案三：基于74LS147编码器电路实现水位控制。该电路在实现过程中，相对简单，成本低，可靠性高，安全便捷。因此将该方案确定为最终方案。

2．2方案证论

该方案是基于74LS147编码器电路实现水位控制。当水位处于不同水位时，把测得的水位变化转换成相应的电平信号，主控电路根据电平信号经74LS147编码器编码后，实现对电机进行控制。以完成相应水位显示，故障报警等一些任务。完成对水塔水位的控制。方案电路简单，实现简单，在同类功能的控制器中，成本低廉，可靠性也能满足一般用户的基本要求。

每部分电力都有其相应的功能：首先由信号产生部分产生整个电路的输入信号，该信号经过信号处理部分处理后输出其他电力的控制信号，控制其他电力工作：电机控制电力部分接受到由信号处理电力输出的有效控制信号后正常工作驱动电机转动抽水，使水位上升，而水位的变化又直接关系到信号的产生，因此有一个循环的过程，即使水位保持在一定范围内；水位显示电路接受到有效信号后驱动显示器工作使其显示该时刻的水位；水位超限时输出为报警电路的有效控制信号使报警电路工作驱动报警器报警。

由“信号产生、信号处理、电机控制 、电机、信号产生”这个循环就能使水塔具有自动控制水位的能力。

3．总体设计框图

由任务分析可知，该设计电路主要有三个功能：电机控制、水位显示与报警。而要有这些功能就必须要有使其工作的控制信号，所以首先就必须要有输入信号，因为任务要求是自动控制所以输入信号也必须由电路自己产生而不能人为加入。水位控制器主要由水位传感器、电源电路和控制电路三部分构成。整体电路框架如下图所示。

电路设计图

图 3.1电路设计图

4．选择器件

1）本次课程设计所用器件如下表：

表4.1 元器件

图4.2 74LS147逻辑符号

2) 74LS147为优先编码器，在同时输入多个数字时，只对最大数字进行编码其功能表如下图。

表4.3 功能表

3）非门的应用

当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平。因此输出与输入的电平之间是反向关系。 4）或门的应用

或门是实现或运算的门电路，当输入中有高电平时输出等于高电平，而输入中全为低电平时输出等于低电平。 5）与门的应用

与门是实现与运算的门电路，当输入中有低电平时输出等于低电平，而输入中全为高电平时输出等于高电平。

5．单元模块设计

各单元模块功能介绍及电路设计

5．1信号产生部分

该部分的目的是产生有效的输入信号。主要原理是利用水的弱导电性。水属于弱导电质，即使这样也可以通过水来传递微弱的电信号。鉴于此原理，初步将该部分设计成由水面的上升与下降来控制电信号的接通与断开：当水位上升时接通电信号；当水位下降时断开电信号。按此析，只要在水塔里放上用来传递电信号的探头，则水位上升到探头位置时接通电信号；水位低于探头位置时断开电信号。把电信号接通时设为有效信号即当作控制信号。在水塔的不同放置几个探头时就可以根据水位的高低接通某些探头和断开某些探头。因此只要知道每个探头的具体位置，在根据其输出电信号的情况就能大致确定水位的位置，将探头输出的电信号当作输入信号经过处理后成为电路的控制信号。

设计该部分主要在于探头个数的选择与探头放置位置的选择。因为探头的个数直接关系到水位检测的精确度：探头个数越多检测点也就越多检测水位就越准确。但如果探头太多就会给其他电力设计带来麻烦：一个是信号处理的输入端要多，一个是水位显示也要相应的增加，加大了工作量。

根据任务设计的要求，一水塔有四水位，令该水塔水位低于1时报警，因此可以将探头个数设计为4个，分别检测4个点的水位。

信号发生器

图 5.1 信号发生器

5．2信号处理部分

该部分主要是对输入信号进行处理输出其他电路的控制信号。由于水的导电性十微弱，由公共端通过探头的电信号会很小，不一定能够成为满足电路工作的控制信号，因此有必要先对输入信号进行放大处理。根据元器件的功能可知，晶体管具有放大、饱和和截止三种工作状态，可选用一种状态输入信号进行处理。

图5.2信号处理电路

由探头出来的电信号输入到信号输入端，由信号输出端输出。当有电流从公共电极流入探头时，经过电阻R到达晶体管Q的基极，此时三极管的发射结合集电结电压都正偏。当发射结电压超过三极管的导通电压时，由晶体管的工作

条件可知此时其处于饱和状态，即相当于开关的闭合状态，接通集电极与发射极，使集电极输出低电平。只要涉及电阻R的阻值合理，就能比较稳定地使晶体管工作。

5．3水位显示电路

该部分主要是用74LS147将信号编为四水位由数码管显示出来。见图5.3

5．4 电机控制电路

该部分为整个设计电路的重点部分，也是难点部分。主要目的即是要靠那个值电机的工作通过控制电机的工作来控制水位，这也就是本实验的主要设计目的。

由任务的设计要求：要将水塔的水位控制在1-4水位。即水位低于1时使两台电机工作升到3时使一台电机停止工作，水位升到4时两台电机停止。而由信号产生部分设计可知，要将电信号1，3和4设计为控制电机转动和停止的控制信号。而该电信号通过编码处理后输出为四位二进制码0001，0011和0100所以就是要使输出信号为0001，0011和0100时控制电机工作。

表5.4.1电机控制逻辑电平真值表

图5.4.2 水位数码管显电路仿真图

图5.4.3电机控制电路

由电路图可知，该电路主要由三个部分组成：两输入与门、或门、电机。M1

,M2 B

电机

电路工作原理：假设刚开始水塔的水位在1时，使两台电机接通工作抽水，当水位上升到3时，关掉一台电机，当水位上到4时关掉两台电机，当为0001,0000,0010，时两或门输出均为一，两电机工作，当信号变为0011时上边或门输出为0，下边或门输出为1，一台电机停止工作，当信号变为0100时，两或门输出0，电机全部停止工作。

该电路所用的元器件已经标在图上。反相器7404，或门为071，与门为7400。

5．5 报警控制电路

根据任务设计要求只要将编码处理输出的信号DCBA为0000时设为报警电路的控制信号即可。

该电路主要由四输入与非门、反相器、或门、报警器构成。

当水位低于1时编码器编码输出的信号DCBA为0000 ，再经过反相器输入到四输入或非门输入端后输出为低电平再经过反相器后变为高电平。该高电平通过或门后驱动报警器工作，报警时备用电机开始工作，损坏电机支路指示灯熄灭。因此可以通过报警器来判断整个控制电路的工作是否正常。四输入与非门选用7420，反相器为7404，或门为4071，报警器用小灯泡来代替。

图5.5水位报警电路

6．最终电路

图6.1水位控制最终电路仿真图

7．结论

水位控制器是近年来开发的一项新技术，它是传感器、硬件、软件等几项技术紧密结合的产物，作为水塔水位控制装置，其主要任务是保证水塔的安全、稳定、经济的运行，减轻工作人员的劳动强度。采用集成电路，能对水塔水位进行自动检测、自动控制等多项功能。从而来实现半自动化或者全自动化。该水位控制器在设计中由于作者水平有限，其电路设计方面还存在许多的不足，有待改进，所使用芯片也较多，不利于二次开发，维护比较困难。

8．设计总结

在此次课程设计中，作为团队的一员，我的主要任务是对团队确定下来的课题进行方案设计与比较，并最终确定设计方案，以及通过查找资料和大家一块对控制电路进行了设计。

通过一段时间的水位控制器的设计，增长了许多的知识，知道了做好一件事是并不是想象中那么简单，不是知道了书本中老师教的东西就可以做好，事实不是想象中那样的完美，在现实中有许多预料不到的困难在等着你，有时候都令人崩溃了，某些时候都无离头似的瞎忙活，不过从中间学会了坚持。

通过此次课程设计，把整本《数字电子技术》的知识都融进了水位控制器的设计中，让零散的东西变成了一个有机的整体。

在这次课程设计中,我了解到了实际动手操作和理论相结合的重要性,在老师的耐心帮助下,自己的认真努力下,最终得到圆满。

经过这次的课程设计让我受益匪浅！

其一，我们必须掌握一些必备的常识，比如，电容引脚的判定。

其二，我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题。应该以作为一个工程人员应用的素质去面对，发现问题，解决问题。在实验时应保持冷静，测试有条理。遵循物质客观规律，不随便改写实验数据。

其三，自己平时要多动手、多动脑，这样当问题来临时你就不会手忙脚乱。该多画就多画些，以便能增加你对该软件的熟练度。用起来称心如意，这样就不会浪费时间。

其四，要注意试验安全，不要轻易地尝试不安全接法。在做设计时必须讲求产品的实用性及美观性。这就要求我们对所需器件进行合理布置。团结就是力量，在做设计的过程中我们必须讲究团队精神，各施其职。这样就能起到事半功倍的作用，毕竟一根筷子易折断，一个巴掌拍不响。面对一个课题必须严肃而认真地对待，作为一名电类专业的学生必须多参加一些动手制作活动来提高自己的动手能力。

最后感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多指教,我十分乐意接受您的批评与指正，对此本人将万分感谢。

参考文献

[1].彭介华编.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，2010年 [2].阎石主编.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002年 [3] 汤光华编.水箱水位控制器的设计与实现[J] 自动化仪表, 2006, 27(12)34-36

[4].王月红编. 智能水位控制器的研究[J] 工业技术与职业教育，2010, 08(2) 32-34 [5]. 刘修文主编.实用电子电路设计制作.[M].北京：中国电力出版社，2005年 [6]. 朱定华主编.电子电路测试与实验.[M].北京：清华大学出版社，2004年

附录 1 最终电路图

2 PCB 板电路图

3

PCB 板 3D 图

4 实物连接图

5 元器件清单

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jls4.html