【电子技术实验设计】简易水位控制器设计报告
【电子技术实验设计】简易水位控制器设计报告
- 一、设计任务与要求
- 2.控制要求
- 3.备用泵控制要求
- 二、成果
- 摘要
- 引言
- 系统概述
- 任务分析与设计方案确定
- 水位与电机的开与关的关系
- 功能块的划分与实现方式
- (1)降压整流电路:
- (2)控制电路:
- ⑶水位检测
- 1.3 整体方框图及工作原理
- ⑴本设计的原理方框图如图1-1所示
- 2)总体工作原理介绍
- 电机故障检测与备用电机的投入原理：
- 2 单元电路设计
- 降压整流电路设计
- 工作原理
- 主要元器件参数选择
- 降压变压器TF1的选择
- 滤波电容C3的选择
- 2.2 控制电路的设计
- 工作原理
- NE555系列芯片简介
- NE555的特点有：
一、设计任务与要求
- 简便水塔水位控制器具有四个水位检测输入
- 由低到高分别为H l、H2、 H3、H4
- 380V交流航动功率为10KW的电机电动机分别为M l、M2;
- 控制根器据水位状态控制电机工作
2.控制要求
- 水位检测，要求不受长期水泡工作环境影响；
- 当水位低于H 1时，M l与 M 2同时工作;当水位高于H4时，初 与 M 2同时
停机； - 当水位由H 1上升到H 3时，关掉M l;
- 当水位由H 4下降到H2时，打开M1;
3.备用泵控制要求
- 当两台工作电机任一台发生故障时，应能检测出故障
- 并使备用电机投入工 作，备用电机投入后，对故障电机有相应指示。
二、成果
三、主要参考文献
[1]彭介华.屯子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社，1997
[2]康华光， 数字电子技术，北京:高等教育出版社，
摘要
本课程设计的任务是实现简易水位控制器是在掌握数字电子技术相 关知识的前提下
进行的一项理论与实践相结合的活动。
基于对555芯片和 低压继电器的学习和了解
本设计采用NE555芯片结合继电器和接触器及 浮力开关来
实现水位的检测与对电机的自动控制和保护。为了证明设计的 可行性
〜本设计使用Multisim软件对芯片控制电路进行仿真
〜并在文中 附上仿真结果。
本文为课程设计的说明书
〜其主耍介绍了本设计是如何运 用数字电子及其他相关技术实现水位的控制
〜并详细介绍了各功能块的实 现方式和原理
〜以及所用到的元器件等。
引言
本设计使用数字电子技术和继电器、接触器等相关知识，实现对水位对电机的 控制。
课程设计相对以往的课堂教学对我们提出更高的要求，
需要基于所学或将要 学的专业知识进行灵活运用，并最终形成一•个完整的产品。
在本课题的设计中，由 于考虑到设计周期等限制，
以及任务要求的局限性，仅仅设计了一个原始系统来达 到题目要求
在设计中使用Multisim仿真软件对系统可行性进行分析
并尽可能考 虑到在实际运行中可能出现的问题
保证设计出的产品能够正常运行。
但是由于知识和能力有限，其中有诸多不完善之处还需改善。
系统概述
水位控制器是日常生活中常见的自动化器械
本课程要求运用数字电子技术等 知识设计一台水位控制器。
根据设计要求，此系统采用强弱电结合。
弱电部分由
- 降压整流电路
- 555触发电路(NE555)
- 继电器(KA)
- 浮力开关等组成。
其中降压整 流电路为整个控制电路提供直流电压
触发电路NE555根据其触发特性对水塔所 处的水位进行检测。
强电部分由熔断器、交流接触器(KM)和电机等设备构成。1
任务分析与设计方案确定
本课程设计的主题是设计一个简易水位控制器。
水位控制器是运用电力电子相 关技术完成水位的检测和控制电机的启动与关闭，以及故障电机的保护和备用电机的投入等一系列自动化工作。
从任务的控制要求来分析，设计的系统需要在指定的 水位实水位(低到高H1现两台电机的启动与关闭,H4)与电机的开与关的具体关系如
水位与电机的开与关的关系
| 触发水位 | 水位上升？ | 水位下降？ | 水位上升？ | 水位下降？ |
|---|---|---|---|---|
| H1 | 开 | 开 | 开 | 开 |
| H2 | 开 | 开 | 开 | 关 |
| H3 | 关 | 关 | 开 | 关 |
| H4 | 关 | 关 | 关 | 关 |
由表可知，两台电机的开与关在水位从H2至IJH3的过程中是不同的，
故本设 计使用两个芯片分别负责控制两个电机。
在众多芯片中采用NE555芯片构成RS触 发器作为控制部分的核心。
由于控制部分涉及芯片和小功率继电器线圈
- 所以必须 使用小于24V的电压源驱动
- 而电机电动机要求10KW的功率，必须采用三相异步电机，故需要三相电源驱动。
那么弱电部分可以从220V市电中采用降压变压器取得电能
强电的控制部分可以使用直接从与电机连接的三相电源中，
- 引出两相与降 压变压器高压端相连的方式获得220V电压。
此外，控制部分还必须对电机拖动部分进行控制
- 那么可以使用中间继电器做 强弱电的桥梁来实现弱电对强电部分的控制。
- 但对于电机故障和备用屯机的投切问题，可以在电机控制部分配置交流接触器结合熔断器来实现该要求。
- 此外，在水位 检测输入端口的设计上，为了保证了检测端口不会受到长期水泡的影响。
- 故采用金 属不锈钢等抗腐蚀材料，和利用浮力原理控制导线闭合的低压器件作为检测端口。
功能块的划分与实现方式
- 现根据前文的任务分析，对本设计的功能块划分和实现方式进行具体的阐述。 首先在弱电部分电路按功能划分后每部分的实现方式如下：
(1)降压整流电路:
采用降压变压器从220V市电中取得电能。
并用四个1N4002极管，一个电容组成电容滤波电路对低压交流电进行整流和滤波。
为控制电路提供稳定的直流电。
(2)控制电路:
采用两个NE555芯片分别构成RS触发器作为核心控制部件。
其 信号端与水位开关电路相连，输出端与继电器线圈相连。
由于本系统要求弱电控 制强电，而中间继电器的作用正是在回路中实现用小电流、低电压来控制大电 流、高电压设备。
所以采用小功率中间继电器作为两者的纽带。
⑶水位检测
电路:采用市场上流行的浮力开关放置在水塔的指定水位处。
开关两互相配合实现备用电机的投入和故障电机的指示。
同样，在每个部分电路与电 源直接相接处申联保险丝以保护设备。
1.3 整体方框图及工作原理
⑴本设计的原理方框图如图1-1所示
图1-1简易水位控制器原理方框图
2)总体工作原理介绍
- 水位监测与控制原理 :这里仅对M1电机启停控制进行简要分析，M2电机的控制同理可得。
- 为了叙述方便，以下2、6脚呈高电位是指输入电压呈＞Vcc 和〉Vcc。
- 当液面低于最低水位Hl时，所有的浮力开关都断开，
- 此时NE555芯片的2、6 脚都呈低电位，则输出为高电位，两端分别接在NE555芯片输出管脚和地 线的继电器(KA1)线圈得电，
- 并带动安装在两台主电机控制部分的常开触点闭合， 使得与之串联的交流接触器(KM1)的线圈得电，
- 同时带动其对应的常开触点闭合， 使得Ml电机和电网相连，电机得以启动。当水位达到H2后(即浮力开关1、2闭 合)，
- NE555芯片的2脚呈高电位，6脚呈低电位，此时输出端状态保持，仍呈高 电位电机保持运转。
- 当液面高于水位H3时，NE555芯片的2、6脚都呈高电位，输出端电位立即变为0V,使得继电器线圈两端电压为0V, 电机控制部分的常开触点复原，使得与之串联的交流接触器(KM1)的线圈无电流通过，导致对应的常开触点断开，
- 使得Ml 电机和电网断开连接，电机停机。
- 但液面高于最高水位H4时，浮力开关4闭合
- NE555芯片的复位端电位从 Vcc立即降为接近0V,使得芯片复位，输出电压为0V,
- 同理可知电机停机？
电机故障检测与备用电机的投入原理：
- 正常运行的电机出现故障一般是三相短路、过载、缺相。
- 本设计使用带电磁脱 扣器的断路器QF做过载和短路保护，
- 使用电流互感器和电流继电器并联做断相保 护。
- 当任何一个电流继电器得电，使得串联在电机控制电路的常开触点断开；
- 串联 在备用电机启动电路的常闭触点闭合(原来线圈带电时是断开的)，
- 导致同样在一条 支路的继电器(KM)线圈失电，
- 导致与电机与电网相连的继电器触点断开，故障电 机停止运转
- 同时实现了故障的指示和备用电机的启动功能。
2 单元电路设计
降压整流电路设计
该部分由降压-个变压器TF1、四个1N4002型的二极管构成桥式整流电路、一个电容C3组成。其作用是为弱电部分的控制电路提供直流稳压电源。
电容滤波电路 ：TF1C3 220u ,12V lN4002 ,220V 1TO1
工作原理
接通电源后，交流电流经降压整流部分，
当输入交流电压 为正半周时，对DI、D3加正方向电压，使得DI、D3导通;
对D2、。4加反方向电 压，D2、D4截止。
电路中构成Es、DI、Ul、D3通电回路，在U1，上形成上正 下负的半波整流电压。
Es为负半周口寸，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通;
对 DI、D3加反向电压，DI、D3截止。
电路中构成Es、D2、U2、D4通电回路，
同 样在U2上形成上正下负的另外半波的整流电压。
由于整流后的直流实际是脉动的，也就是直流的波形不是平宜的，因此使用大 容量电容并联在电路中，在电压的波峰时储能，在波谷时放能，使脉动的直流电压波形接近平直
主要元器件参数选择
降压变压器TF1的选择
控制变压器一般用于降低控制部分电路电压，以保证控制电路的安全可靠。
本 设计根据以下两个原则选用变压器容量
- 根据控制电压的最大工作负荷时所需要的功率进行选择，以保证变压器在长 期工作时不至于超过允许温升。
- 变压器的容量应能保证部分吸合的电器，在启动其他电器时，仍能可靠吸 合，同时又能保证将要启动的电器也能启动吸合。
根据以上原则选择的变压器参数如表2-1所示
| 型号输入 | 电压输出 | 电压输出 | 电流输出 |
|---|---|---|---|
| TF66 X32 | 110V/220V | 12V | 3A |
滤波电容C3的选择
滤波电容的选择适合恰当直接影响到弱电部分电路能否正常运行。常用的滤波 电
，容为瓷介质电容，这里选择型号为X7R(稳定型)瓷介质电容，其大小为22()
2.2 控制电路的设计
本设计的控制电路由两个NE555芯片、两个电容、两个NPN型三极管、两个
1N4002型的二极管、四个接触器和14个电阻构成
工作原理
NE555芯片是整个控制电路的核心，所以在阐述原理前，先简单介绍NE555芯片手册
NE555系列芯片简介
NE555是属于555系列的计时1C的其中的一种型号，
555系列IC的接脚功能 及运用都是相容的，
只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡 频率也不大相同;
而555是一个用途很广且相当普遍的计时■ IC,只需少数的电阻和 电容，
便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。
NE555的特点有：
1. 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
- 其延时范围极 广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL, CMOS等逻辑电路配合，也就是它 的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时帖确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
?NE555引脚图和功能表
NE555芯片管脚图如图24所示。各管脚的配置说明如表2-2所示。功能表如 表2-3所示。
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