【電子技術實驗設計】簡易水位控制器設計報告

• 一、設計任務與要求
• • 2.控制要求
  • 3.備用泵控制要求
• 二、成果
• • 摘要
  • 引言
  • 系統概述
  • • 任務分析與設計方案確定
    • • 水位與電機的開與關的關系
    • 功能塊的劃分與實現方式
    • • (1)降壓整流電路:
      • (2)控制電路:
      • ⑶水位檢測
  • 1.3 整體方框圖及工作原理
  • • ⑴本設計的原理方框圖如圖1-1所示
    • 2)總體工作原理介紹
    • • 電機故障檢測與備用電機的投入原理：
    • 2 單元電路設計
    • • 降壓整流電路設計
    • 工作原理
    • 主要元器件參數選擇
    • • 降壓變壓器TF1的選擇
    • 濾波電容C3的選擇
    • 2.2 控制電路的設計
    • 工作原理
    • NE555系列芯片簡介
    • NE555的特點有：

一、設計任務與要求

• 簡便水塔水位控制器具有四個水位檢測輸入
• 由低到高分別為H l、H2、 H3、H4
• 380V交流航動功率為10KW的電機電動機分別為M l、M2;
• 控制根器據水位狀態控制電機工作

2.控制要求

水位檢測，要求不受長期水泡工作環境影響；

當水位低于H 1時，M l與 M 2同時工作;當水位高于H4時，初 與 M 2同時
停機；

當水位由H 1上升到H 3時，關掉M l;

當水位由H 4下降到H2時，打開M1;

3.備用泵控制要求

• 當兩臺工作電機任一臺發生故障時，應能檢測出故障
• 并使備用電機投入工 作，備用電機投入后，對故障電機有相應指示。

二、成果

三、主要參考文獻
[1]彭介華.屯子技術課程設計指導[M].北京:高等教育出版社，1997
[2]康華光， 數字電子技術，北京:高等教育出版社，

摘要

本課程設計的任務是實現簡易水位控制器是在掌握數字電子技術相 關知識的前提下 進行的一項理論與實踐相結合的活動。 基于對555芯片和 低壓繼電器的學習和了解 本設計采用NE555芯片結合繼電器和接觸器及 浮力開關來 實現水位的檢測與對電機的自動控制和保護。為了證明設計的 可行性 ?本設計使用Multisim軟件對芯片控制電路進行仿真 ?并在文中 附上仿真結果。 本文為課程設計的說明書 ?其主耍介紹了本設計是如何運 用數字電子及其他相關技術實現水位的控制 ?并詳細介紹了各功能塊的實 現方式和原理 ?以及所用到的元器件等。

引言

本設計使用數字電子技術和繼電器、接觸器等相關知識，實現對水位對電機的 控制。 課程設計相對以往的課堂教學對我們提出更高的要求， 需要基于所學或將要 學的專業知識進行靈活運用，并最終形成一?個完整的產品。 在本課題的設計中，由 于考慮到設計周期等限制， 以及任務要求的局限性，僅僅設計了一個原始系統來達 到題目要求 在設計中使用Multisim仿真軟件對系統可行性進行分析 并盡可能考 慮到在實際運行中可能出現的問題 保證設計出的產品能夠正常運行。 但是由于知識和能力有限，其中有諸多不完善之處還需改善。

系統概述

水位控制器是日常生活中常見的自動化器械 本課程要求運用數字電子技術等 知識設計一臺水位控制器。 根據設計要求，此系統采用強弱電結合。 弱電部分由 - 降壓整流電路 - 555觸發電路(NE555) - 繼電器(KA) - 浮力開關等組成。 其中降壓整 流電路為整個控制電路提供直流電壓 觸發電路NE555根據其觸發特性對水塔所 處的水位進行檢測。 強電部分由熔斷器、交流接觸器(KM)和電機等設備構成。1

任務分析與設計方案確定

本課程設計的主題是設計一個簡易水位控制器。 水位控制器是運用電力電子相 關技術完成水位的檢測和控制電機的啟動與關閉，以及故障電機的保護和備用電機的投入等一系列自動化工作。 從任務的控制要求來分析，設計的系統需要在指定的 水位實水位(低到高H1現兩臺電機的啟動與關閉,H4)與電機的開與關的具體關系如

水位與電機的開與關的關系

觸發水位水位上升？水位下降？水位上升？水位下降？

H1	開	開	開	開
H2	開	開	開	關
H3	關	關	開	關
H4	關	關	關	關

由表可知，兩臺電機的開與關在水位從H2至IJH3的過程中是不同的， 故本設 計使用兩個芯片分別負責控制兩個電機。 在眾多芯片中采用NE555芯片構成RS觸 發器作為控制部分的核心。 由于控制部分涉及芯片和小功率繼電器線圈 - 所以必須 使用小于24V的電壓源驅動 - 而電機電動機要求10KW的功率，必須采用三相異步電機，故需要三相電源驅動。 那么弱電部分可以從220V市電中采用降壓變壓器取得電能 強電的控制部分可以使用直接從與電機連接的三相電源中， - 引出兩相與降 壓變壓器高壓端相連的方式獲得220V電壓。

此外，控制部分還必須對電機拖動部分進行控制

• 那么可以使用中間繼電器做 強弱電的橋梁來實現弱電對強電部分的控制。
• 但對于電機故障和備用屯機的投切問題，可以在電機控制部分配置交流接觸器結合熔斷器來實現該要求。
• 此外，在水位 檢測輸入端口的設計上，為了保證了檢測端口不會受到長期水泡的影響。
• 故采用金 屬不銹鋼等抗腐蝕材料，和利用浮力原理控制導線閉合的低壓器件作為檢測端口。

功能塊的劃分與實現方式

• 現根據前文的任務分析，對本設計的功能塊劃分和實現方式進行具體的闡述。 首先在弱電部分電路按功能劃分后每部分的實現方式如下：

(1)降壓整流電路:

采用降壓變壓器從220V市電中取得電能。 并用四個1N4002極管，一個電容組成電容濾波電路對低壓交流電進行整流和濾波。 為控制電路提供穩定的直流電。

(2)控制電路:

采用兩個NE555芯片分別構成RS觸發器作為核心控制部件。 其 信號端與水位開關電路相連，輸出端與繼電器線圈相連。 由于本系統要求弱電控 制強電，而中間繼電器的作用正是在回路中實現用小電流、低電壓來控制大電 流、高電壓設備。 所以采用小功率中間繼電器作為兩者的紐帶。

⑶水位檢測

電路:采用市場上流行的浮力開關放置在水塔的指定水位處。 開關兩互相配合實現備用電機的投入和故障電機的指示。 同樣，在每個部分電路與電 源直接相接處申聯保險絲以保護設備。

1.3 整體方框圖及工作原理

⑴本設計的原理方框圖如圖1-1所示

圖1-1簡易水位控制器原理方框圖

2)總體工作原理介紹

- 水位監測與控制原理 :這里僅對M1電機啟停控制進行簡要分析，M2電機的控制同理可得。 - 為了敘述方便，以下2、6腳呈高電位是指輸入電壓呈＞Vcc 和〉Vcc。 - 當液面低于最低水位Hl時，所有的浮力開關都斷開， - 此時NE555芯片的2、6 腳都呈低電位，則輸出為高電位，兩端分別接在NE555芯片輸出管腳和地 線的繼電器(KA1)線圈得電， - 并帶動安裝在兩臺主電機控制部分的常開觸點閉合， 使得與之串聯的交流接觸器(KM1)的線圈得電， - 同時帶動其對應的常開觸點閉合， 使得Ml電機和電網相連，電機得以啟動。當水位達到H2后(即浮力開關1、2閉 合)， - NE555芯片的2腳呈高電位，6腳呈低電位，此時輸出端狀態保持，仍呈高 電位電機保持運轉。 - 當液面高于水位H3時，NE555芯片的2、6腳都呈高電位，輸出端電位立即變為0V,使得繼電器線圈兩端電壓為0V, 電機控制部分的常開觸點復原，使得與之串聯的交流接觸器(KM1)的線圈無電流通過，導致對應的常開觸點斷開， - 使得Ml 電機和電網斷開連接，電機停機。 - 但液面高于最高水位H4時，浮力開關4閉合 - NE555芯片的復位端電位從 Vcc立即降為接近0V,使得芯片復位，輸出電壓為0V, - 同理可知電機停機？

電機故障檢測與備用電機的投入原理：

- 正常運行的電機出現故障一般是三相短路、過載、缺相。 - 本設計使用帶電磁脫 扣器的斷路器QF做過載和短路保護， - 使用電流互感器和電流繼電器并聯做斷相保 護。 - 當任何一個電流繼電器得電，使得串聯在電機控制電路的常開觸點斷開； - 串聯 在備用電機啟動電路的常閉觸點閉合(原來線圈帶電時是斷開的)， - 導致同樣在一條 支路的繼電器(KM)線圈失電， - 導致與電機與電網相連的繼電器觸點斷開，故障電 機停止運轉 - 同時實現了故障的指示和備用電機的啟動功能。

2 單元電路設計

降壓整流電路設計

該部分由降壓-個變壓器TF1、四個1N4002型的二極管構成橋式整流電路、一個電容C3組成。其作用是為弱電部分的控制電路提供直流穩壓電源。 電容濾波電路 ：TF1C3 220u ,12V lN4002 ,220V 1TO1

工作原理

接通電源后，交流電流經降壓整流部分， 當輸入交流電壓 為正半周時，對DI、D3加正方向電壓，使得DI、D3導通; 對D2、。4加反方向電 壓，D2、D4截止。 電路中構成Es、DI、Ul、D3通電回路，在U1，上形成上正 下負的半波整流電壓。 Es為負半周口寸，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導通; 對 DI、D3加反向電壓，DI、D3截止。 電路中構成Es、D2、U2、D4通電回路， 同 樣在U2上形成上正下負的另外半波的整流電壓。

由于整流后的直流實際是脈動的，也就是直流的波形不是平宜的，因此使用大 容量電容并聯在電路中，在電壓的波峰時儲能，在波谷時放能，使脈動的直流電壓波形接近平直

主要元器件參數選擇

降壓變壓器TF1的選擇

控制變壓器一般用于降低控制部分電路電壓，以保證控制電路的安全可靠。 本 設計根據以下兩個原則選用變壓器容量

• 根據控制電壓的最大工作負荷時所需要的功率進行選擇，以保證變壓器在長 期工作時不至于超過允許溫升。
• 變壓器的容量應能保證部分吸合的電器，在啟動其他電器時，仍能可靠吸 合，同時又能保證將要啟動的電器也能啟動吸合。

根據以上原則選擇的變壓器參數如表2-1所示

型號輸入電壓輸出電壓輸出電流輸出

TF66 X32	110V/220V	12V	3A

濾波電容C3的選擇

濾波電容的選擇適合恰當直接影響到弱電部分電路能否正常運行。常用的濾波 電
，容為瓷介質電容，這里選擇型號為X7R(穩定型)瓷介質電容，其大小為22()

2.2 控制電路的設計

本設計的控制電路由兩個NE555芯片、兩個電容、兩個NPN型三極管、兩個
1N4002型的二極管、四個接觸器和14個電阻構成

工作原理

NE555芯片是整個控制電路的核心，所以在闡述原理前，先簡單介紹NE555芯片手冊

NE555系列芯片簡介

NE555是屬于555系列的計時1C的其中的一種型號， 555系列IC的接腳功能 及運用都是相容的， 只是型號不同的因其價格不同其穩定度、省電、可產生的振蕩 頻率也不大相同; 而555是一個用途很廣且相當普遍的計時■ IC,只需少數的電阻和 電容， 便可產生數位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號。

NE555的特點有：

1. 只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。 - 其延時范圍極 廣，可由幾微秒至幾小時之久。 2.它的操作電源電壓范圍極大，可與TTL, CMOS等邏輯電路配合，也就是它 的輸出準位及輸入觸發準位，均能與這些邏輯系列的高、低態組合。

3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。
4.它的計時帖確度高、溫度穩定度佳，且價格便宜。
?NE555引腳圖和功能表
NE555芯片管腳圖如圖24所示。各管腳的配置說明如表2-2所示。功能表如 表2-3所示。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【电子技术实验设计】简易水位控制器设计报告的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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