1 概述
本次设计主要是设计一个简易水塔水位控制电路，其中包括本方案的目的是
设计一个简易水塔水位控制系统，该电路主要由电源电路、水位监测和水位范围测量电路以及水泵开关和显示电路三部分构成。其中电源电路是将电网电通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路来将220V电路转化为低压直流电路是整个系统的供电系统。水位监测电路的功能是利用水压传感器的特性监测水位的变化，同时将水压信号转化为电信号。水位范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水位范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。水泵开关电路的功能是完成控制电路和水泵电路的开关。显示电路的功能是利用发光二极管将水泵通电与否显示出来。
本次设计设计明朗，简易易懂。以及所有电路组成的元器件价格便宜购置
方便。电路控制简单，可以手动操作，适合绝大多数的操作人员操作。本次设计十分可行，便于推广实施。
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简易水塔水位控制电路
2 简易水塔水位控制系统的基本组成
2.1 系统的组成框图
简易水塔水位控制的组成电路部分如下图所示，其中主要有五部分三大块组成。
水位监测 水位范围 水泵 显示电路 电路 测量电路 开关电路 电源电路
图1 简易水塔水位控制电路的总体框图
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简易水塔水位控制电路
3 各单元电路的工作原理
该电路能够检测出水塔的水位，并且能够在不同的水位下通过两个水泵控制。当S 3.1 电源电路 电源电路的原理图如图2所示。电路直接从电网供电，通过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成+12V的直流电压。电路中变压器采用常规的铁心变压器，电源变压器将交流电网电压220V变为合适的交流电压13V。整流电路采用二极管桥式整流电路，整流电路将交流电压13V变为脉动的直流电压13V。C1、C2、C3完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。稳压电路清除电网波动及负 载变化的影响,保持输出电压12V的稳定。 图2 电源电路 3 简易水塔水位控制电路 3.1.1 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，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，T为电源变压器，作用是将交流电网电压变成整流电路要求的电压价。其优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压底。 3.1.2 滤波电路： 由C1，C2，C3，C4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。 3.1.3 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出电源引入的低干扰。 3.2 水位检测电路和水位范围测量电路 水位监测电路由可变电阻R3和可变电阻R4以及液位探针G、A、B构成。它的工作原理如图2.2.1是通过探头监测到水位变化，同时将液位信号转化为不同的电信号Vr1,Vr2。 水位范围测量电路由两部分构成：第一部分是由电阻R1和R2构成的参考电压产生电路；第二部分是由迟滞比较器构成的水位测量电路。水位范围测量电路的功能有两个：第一是确定实际水位和水位控制范围的大小关系；第二是防止出现跳闸的现象。 首先，参考电源产生电路的功能是产生两个稳定的电压，这两个电压代表水位范围的上限值S2和下限值S1。通过调节R3、R4控制Vs在+8V至+10V之间。设Vs=10V,由于参考电源产生电路输出端接入比较器的输入，为了防止出现输出电流导致参考电源不稳定的情况，电路采用电阻和稳压管相结合的方式构成。其中稳压管的稳定电压均为+8V，而输出Vr2=+8V, Vr1=+4V。 4 简易水塔水位控制电路 图三水位检测电路和水位范围测量电路 其次，Vr1和Vr2分别输入到两个比较器的同相输入端，而Vs则同时输入到这两个比较器的反相输入端。这样，当Vs< Vr1时，V1A和V1B输出都为高电平；当Vr1 其次，本电路通过迟滞比较器代替单门限比较器来防止跳闸现象的出现。迟滞比较器U1A的特性表达式为： V1T=R9*Vr1/(R7+R9)+R7*V1/(R7+R9)=(7.3+1.1)V=8.4 (V) V1T= R9*Vr1/(R7+R9)+0=7.3 (V) 公式3.1 U1A的特性表达式 由此可以得到回差范围 VT=(V)-(V)=1.1（V） 1T1T 公式3.2 回差范围 从高电平转化为低电平和从低电平转化为高电平相差1.1V的范围回差，从而可以防止跳闸现象的出现，同理迟滞比较器U2B的特性表达式为 VT=(V)-(V)=1.1V 2T2T公式3.3 U2B的特性表达式 5 简易水塔水位控制电路 同样具有1.1V的范围回差 3.3 水泵开关电路和显示电路 如下图所示，是水泵开关电路和显示电路是由三极管电路和继电器电路构成的。电路的输入即为图4的输出，由于水泵启动时的电流过大，致使直流电流源无法提供大电流，因此水泵需要交流供电，这样一来，电路中的开关必须采用继电器电路。而一般的运算放大器的输出电无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。其中R11和R12为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。三极管接为共射极电路，当输入为高电平时，三极管导通饱和，可以将输入电流放大β倍；当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。继电器连接三极管集电极，当有电流驱动时，开关吸合，对应的水泵工作；当无电流驱动时，开关断开，对应的水泵不工作，同时在继电器两端并联入二极管进行保护。可通过发光二极管亮灭来表示水泵是否工作，同时由于继电器的驱动电流过大，需加入限流电阻（可用负载起到限流的作用） 图4水泵开关电路和显示电路 6 简易水塔水位控制电路 3.4 原理总结 采用传感器对水塔水位进行监测，并根据水塔水位的变化将其信号传递给迟滞比较器，经过迟滞比较器的运算、比较、放大，来控制水泵是否工作。并通过发光二极管来显示水泵的工作状态，易于判断和检修。迟滞比较器的运用避免了由于水波的波动而造成的水泵的反复的放水与闭合，实现了水塔水位的自动控制。 7 简易水塔水位控制电路 4 元器件的简介 4.1 二极管 二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步 加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。p-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。 图5 二极管实物图 4.2 稳压管 稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。如图画出了稳压管的伏安特性及其符号。 输入电压为整流滤波后的电压，稳压管与负载并联，稳压管反向工作，使流过稳压管的电流不超过最大极限，同时当电网电压波动时，通过R上的压将调节，使输出电压基本不变。 8 简易水塔水位控制电路 图6稳压管的伏安特性及符号 图7 稳压管动态电阻 4.3 发光二极管 发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化钾二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N 半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。如下图 9 简易水塔水位控制电路 图 8 发光二极管实物图 4.4 三极管 半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP 型的三极管。 三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。下图为实物图： 图9 NPN型三极管实物图 BJT的开关作用对应于触点开关的\"断开\"和\"闭合\"。 如图(a)所示为一个共发射极晶体三极管开关电路。 (a)电路 (b)工作状态图解 图10 BJT的开关工作状态 图10(a)中BJT为NPN型硅管。电阻Rb为基极电阻，电阻Rc为集电极电阻， 10 简易水塔水位控制电路 晶体三极管T的基极b起控制的作用，通过它来控制开关开闭动作，集电极c及发射极e形成开关两个端点，由b极来控制其开闭，c.e两端的电压即为开关电路的输出电压vO。当输入电压vI为高电平时，晶体管导通，相当于开关闭合，所以集电极电压vc≈0，即输出低电平，而集电极电流iC≈VCC/RC。当输入电压 vI为低电平时，由图可见，晶体管截止，相当于开关断开，所以得集电极电流iC≈0，而集电极电压vc≈VCC，即输出为高电平。这就是晶体三极管的理想稳态开关特性。 晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。晶体三极管输出特性三个工作区，即截止区、放大区、饱和区,如图3.4.2(b)所示。 如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态，就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关的断开状态，就应该使之工作于截止区，发射极电流iE=0，这时晶体三极管处于截止状态，相当于开关断开。集电结加有反向电压，集电极电流iC=ICBO，而基极电流iB=-ICBO。说明三极管截止时，iB并不是为0，而等于-ICBO。 基极开路时，外加电源电压VCC使集电结反向偏置，发射结正向偏置晶体三极管基极电流iB=0时，晶体管并未进入截止状态，这时iE=iC =ICEO还是较大的。 晶体管进入截止状态，晶体管基极与发射极之间加反向电压，这时只存在集电极反向饱和电流ICBO，iB =-ICBO，iE=0，为临界截止状态。进一步加大基极电压的绝对值，当大于VBO时，发射结处于反向偏置而截止，流过发射结的电流为反向饱和电流IEBO，这时晶体管进入截止状态iB = -(ICBO+ IEBO)，iC= ICBO。 发射结外加正向电压不断升高，集电极电流不断增加。同时基极电流也增加，随着基极电流iB 的增加基极电位vB升高，而随着集电极电流iC的增加，集电极电位vC却下降。当基极电流iB增大到一定值时，将出现vBE =vCE的情况。这时集电结为零偏，晶体管出现临界饱和。如果进一步增大iB ，iB增大，使得集电结由零偏变为正向偏置，集电结位垒降低，集电区电子也将注入基区，从而使集电极电流iC随基极电流iB的增大而增大的速度减小。这时在基区存储大量多余电子-空穴对，当iB继续增大时，iC基本维持不变，即iB失去对 iC的控制作用，或者说这时晶体管的放大能力大大减弱了。这时称晶体管工作于饱和状 11 简易水塔水位控制电路 态。一般地说，在饱和状态时饱和压降VBE(sat)近似等于0.7V，VCE(sat)近似等于0.3V。由图3.4.2 (a)可看出，集电极电流iC的增加受外电路的限制。由电路可得出iC的最大值为 ICM= VCC/ RC。晶体管进入饱和状态，基极电流增大，集电极电流变化很小，iC=ICS=(VCC-VBE(sat))/RC晶体管临界饱和时的基极电流 IBS=ICS/β=(VCC-VBE(sat))/βRC 。 4.5 电磁继电器 电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、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、，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” 图11 电磁继电器工作图 4.6 迟滞比较器 迟滞比较器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流 耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的迟滞比较器必须具备下列特性：无限大的输入阻 12 简易水塔水位控制电路 抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的迟滞比较器如图所示。一个迟滞比较器模组一般包括 正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出(OP_O)。 图12 迟滞比较器符号 4.7 集成运算放大器 集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级 直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处。 集成运放的输入级一般是由BIT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。 图13集成运放的输入输出特性 13 简易水塔水位控制电路 5 结论、展望与致谢 这次设计到此已经可以实现水塔水位的控制。电源电路是将电网电通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网电转化为12V直流电。水位监测电路的功能是利用水压传感器的特性监测水位的变化，同时将水压信号转化为电信号。水位范围测量电路的功能是利用比较器的原理实现水位范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞特性避免跳闸现象。水泵开关电路的功能是完成控制电路和水泵电路的开关。显示电路的功能是利用发光二极管将水泵通电与否显示出来。组合三部分电路就可以完整的控制整个电路的运作，实现水位控制。 在设计此电路的过程中，遇到困难无数，这时候才真正知道自己知识的欠缺是多么的严重。通过几天的去图书馆，上网浏览，这方面的知识也让我学到了很多关于设计的理论，还有以前的数电模电，电路实验，也真正的帮助了我实现这个电路。在画图中，由于不是特别精通PROTEL画图软件，也让我意识到，自己画图功底的不足。 此次设计，可能还有不足之处，但是由于我知识面窄。可能无法发觉其中的错误和不足之处。希望同学们能够想互指点，让我认识到自己的不足之处，也希望老师能够指出我的错误，我会非常愿意的改正。 再者，先不论此次设计是否非常完美，但是我从经济实惠，电路简单方面来设计这个电路。所以我认为这个电路推广面应该是很广了，因为原价价格低廉，而且原价十分易找。这个电路不止于用在水塔水位监测，而且还可以用在其他的地方，比如，养鱼放置场水位，家庭浴室热水器水位，浴缸水位等等。总之来说，用的方面是十分广阔的。 感谢老师给我的这个课题，这设计中，让我学到了很多，也明白了自己的很多很多的不足。在以后的学习生活中，我会抓紧时间改正自己的错误，努力填充自己的知识。 14 简易水塔水位控制电路 参考文献 [1] Hirshleifer J. On the Economics of Transfer Pricing[J]. Journal of Business, 1956, 29(3): 172 - 184. [2] 李兴昌.科技论文的规范表达[M].北京：清华大学出版社，1995.34—50 [3] 冯绍彬,董会超,夏同驰.Fe-Ni-Cr不锈钢镀层的电镀工艺研究[J].郑州轻工业学院学报（自然科学 版）,2002,17（2）:1—4. [4] Harry M,Van Tassell,Arlington Heights. Process for Producing Para-Diethyl-Benzene[P].US:3 849 508,1974—11—19. [5]康华光,电子技术基础[M]北京：高教出版社，2003 [6]何小艇,电子系统设计[M]浙江大学出版社，2006年6月 [7]姚福安,电子电路设计与实践[M]山东：山东科学技术出版社，2001年10月 15 简易水塔水位控制电路 附 录 录1 原件清单表 符号 类别 数目 R3，R4 可变电阻 2 R1，R2，R5，R6，10 kΩ 8 R9,R10,R11,R12 R13， R14 1 kΩ 2 D1，D2 稳压管 2 D3，D4 LED 2 D5, D6 二极管 2 T1，T2 三极管 2 K1，K2 继电器 2 g,a,b 探针 3 T Trans 1 C1 电容470μF 1 C2，C4 电容0.1μF 2 C3 电容47μF 1 U1，U2 LM324 2 U3 MC78L12CP 1 16 附 简易水塔水位控制电路 附录2 简易水塔水位控制原理总电路图 17 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容