【正文】 course design specifications, its main introduced the design is how to use digital electronics, and other related technologies to achieve water level control, and details of the various functional blocks are implemented and principles, as well as the original, etc. used. Keyword: Water level control NE555 Buoyancy Switch Digital Electronic Technology 第 2 頁(yè) 引言 本設(shè)計(jì)使用數(shù)字電子技術(shù)和繼電器、接觸器等相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位對(duì)電機(jī)的控制。課程設(shè)計(jì)相對(duì)以往的課堂教學(xué)對(duì)我們提出更高的要求，需要基于所學(xué)或?qū)⒁獙W(xué)的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行靈活運(yùn)用，并最終形成一個(gè)完整的產(chǎn)品。 在本課題的設(shè)計(jì)中，由于考慮到 設(shè)計(jì) 周期等限制，以及 任務(wù)要求的 局限性，僅僅設(shè)計(jì)了一個(gè)原始系統(tǒng)來(lái)達(dá)到題目要求 ，在設(shè)計(jì)中使用 Multisim仿真軟件對(duì)系統(tǒng)可行性進(jìn)行分析，并盡可能考慮到在實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，保證設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能夠正常運(yùn)行 。 但是由于知識(shí)和能力有限， 其中有諸多不完善之處 還需 改善。 1 系統(tǒng)概述 水位控制器 是日常生活中常見(jiàn)的自動(dòng)化器械。本課程要求運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)等知識(shí)設(shè)計(jì)一臺(tái)水位控制器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，此系統(tǒng)采用強(qiáng)弱電結(jié)合。弱電部分由 降壓整流電路、 555 觸發(fā)電路（ NE555）、繼電器 （ KA）和浮力開(kāi)關(guān)等 組成。其中降壓整流電路為整個(gè)控制電路提供直流電壓，觸發(fā)電路 NE555 根據(jù)其觸發(fā)特性 對(duì) 水塔所處的水位進(jìn)行檢測(cè)。強(qiáng)電部分由熔斷器、交流接觸器（ KM）和電機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。 任務(wù)分析與設(shè)計(jì)方案確定 本課程設(shè)計(jì)的主題是設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易水位控制器。水位控制器是運(yùn)用電力電子相關(guān)技術(shù)完成水位的檢測(cè)和控制電機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉，以及故 障電機(jī)的保護(hù)和備用電機(jī)的投入等一系列自動(dòng)化工作。從任務(wù)的控制要求來(lái)分析，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要在 指定 的水位實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)與關(guān)閉 。 水位（低到高 H1～ H4）與電機(jī)的開(kāi)與關(guān)的 具體 關(guān)系如表 11所示。 表 11 水位與電機(jī)的開(kāi)與關(guān)的關(guān)系 主電機(jī) 觸發(fā)水位 M1 M2 水位上升↑ 水位下降↓ 水位上升↑ 水位下降↓ H1 開(kāi) 開(kāi) 開(kāi) 開(kāi) H2 開(kāi) 開(kāi) 開(kāi) 關(guān) H3 關(guān) 關(guān) 開(kāi) 關(guān) H4 關(guān) 關(guān) 關(guān) 關(guān) 由表可知，兩臺(tái)電機(jī)的開(kāi)與關(guān)在 水位從 H2到 H3 的過(guò)程中 是不同的， 故本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)芯片分別負(fù)責(zé)控制兩個(gè)電機(jī)。在眾多芯片中采用 NE555 芯片構(gòu)成 RS 觸發(fā)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(qū)動(dòng)，而電機(jī)電動(dòng)機(jī)要求 10KW 的功率，必須采用三相異步電機(jī)，故需要三相電源驅(qū)動(dòng)。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(qiáng)電 的 控制部分可以使用直接從與電機(jī)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。 第 3 頁(yè) 此外， 控制部分還必須對(duì)電機(jī)拖動(dòng)部分進(jìn)行控制，那么可以使用 中間 繼電器做強(qiáng)弱電的橋梁來(lái)實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng) 電部分的控制。但對(duì)于電機(jī)故障和備用電機(jī)的投切問(wèn)題，可以在電機(jī)控制部分配置交流接觸器結(jié)合熔斷器來(lái)實(shí)現(xiàn)該要求。此外，在水位檢測(cè)輸入端口的設(shè)計(jì) 上，為了保證了檢測(cè)端口不會(huì)受到長(zhǎng)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(dǎo)線閉合的低壓器件作為檢測(cè)端口。 功能塊的劃分與實(shí)現(xiàn)方式 現(xiàn) 根據(jù)前文的任務(wù)分析，對(duì)本設(shè)計(jì)的功能塊劃分和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(gè) 1N4002 二極管，一個(gè)電容組成 電容濾波電路對(duì)低壓交流電進(jìn)行整流 和濾波 。 為控制電路提供穩(wěn)定的直流電。 （ 2） 控制電路：采用兩個(gè) NE555 芯片分別構(gòu)成 RS 觸發(fā)器作為核心控制部件。其信號(hào)端與水位 開(kāi)關(guān) 電路相連，輸出端與繼電器線圈相連。由于本系統(tǒng)要求弱電控制強(qiáng)電，而 中間 繼電器的作用 正 是在回路中實(shí)現(xiàn)用小電流、低電壓來(lái)控制大電流、高電壓設(shè)備 。 所以采用小功率 中間 繼電器作為兩者的紐帶。 （ 3） 水位檢測(cè)電路：采用市場(chǎng)上流行的浮力開(kāi)關(guān)放置在水塔的指定水位處。 開(kāi)關(guān)兩端分別與電源正極和 555 芯片管腳連接。 強(qiáng)電部分電路按功能劃分及實(shí)現(xiàn)方式如下： （ 1） 電源電路： 課程 任務(wù) 的 要求 是 使 用 3臺(tái) 10KW水泵 電動(dòng)機(jī)，由于電機(jī)功率較大，必須采用三相異步電機(jī)與電網(wǎng)相連。電機(jī)控制電路則直接從高壓端與電網(wǎng)中的兩相連的降壓變壓器獲取 220V電壓。在每個(gè)部分電路與電源直接相接處串聯(lián)保險(xiǎn)絲以保護(hù)設(shè)備。 （ 2） 電機(jī)保 護(hù)電路：電機(jī)有三臺(tái)，兩臺(tái)為主電機(jī)，一臺(tái)為備用電機(jī)。為了起到保護(hù)電機(jī) 的作用，該電路采用帶電磁脫扣器的斷路器做過(guò)載和短路保護(hù)，使用 與每相相連 的 電流互感器與電流繼電器并聯(lián)的方法做斷相保護(hù)。 （ 3） 電機(jī)控制電路：此部分電路中配置熔斷器開(kāi)關(guān)和交流接觸器線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)其他電路對(duì)所控制電機(jī)的啟動(dòng)與停機(jī)以及備用電機(jī)的啟動(dòng)。 此外，還設(shè)置了手動(dòng)開(kāi)關(guān)以便實(shí)現(xiàn)電機(jī) 啟停 的人 工 操作。在每個(gè)部分電路與電源直接相接處串聯(lián)保險(xiǎn)絲以保護(hù)設(shè)備。 （ 4） 電機(jī)故障檢測(cè)與備用電機(jī)啟動(dòng)電路：此部分并結(jié)合幾個(gè)繼電器和延時(shí)繼電器的互相配合實(shí)現(xiàn)備用電機(jī)的投入和故障電機(jī)的指示。同樣 ， 在每個(gè)部分電路與電源直接相接處串聯(lián)保險(xiǎn)絲以保護(hù)設(shè)備。 整體方框圖及工作原理 （ 1）本設(shè)計(jì)的原理方框圖如圖 11所示 第 4 頁(yè) 圖 11簡(jiǎn)易水位控制器原理方框圖 （ 2）總體工作原理介紹 ① 水位監(jiān)測(cè)與控制原理：這里僅對(duì) M1 電機(jī)啟?？刂七M(jìn)行簡(jiǎn)要分析， M2 電機(jī)的控制同理可得。為了敘述方便，以下 6腳呈高電位是指輸入電壓呈 31 Vcc和 32 Vcc。 當(dāng)液面低于最低水位 H1時(shí)，所有的浮力開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)，此時(shí) NE555 芯片的 6 腳都呈低電位，則輸出為高電位，此時(shí) ， 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(dòng) 安裝在 兩臺(tái)主電機(jī)控制部分的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得與之串聯(lián)的交流接觸器（ KM1）的線圈得電，同時(shí)帶動(dòng)其對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得 M1 電機(jī)和電網(wǎng)相連，電機(jī)得以啟動(dòng)。當(dāng)水位達(dá)到 H2后（即浮力開(kāi)關(guān) 2閉合）， NE555 芯片的 2 腳呈高電位， 6 腳呈低電位，此時(shí)輸出端狀態(tài)保持，仍呈高電位，電機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)液面高于水位 H3 時(shí)， NE555 芯片的 6腳都呈高電位，輸出端電位立即變?yōu)?V，使得繼電器線圈兩端電壓為 0V，電機(jī)控制部分的常開(kāi)觸點(diǎn)復(fù)原，使得與之串聯(lián)的交流接觸器（ KM1）的線圈無(wú)電流通過(guò)，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，使得 M1 電機(jī)和電網(wǎng)斷開(kāi)連接，電機(jī)停機(jī)。 但液面高于最高水位 H4時(shí)，浮力開(kāi)關(guān) 4 閉合， NE555 芯片的復(fù)位端電位從 Vcc 立即降為接近 0V，使得芯片復(fù)位，輸出電壓為 0V，同理可知電機(jī)停機(jī)。 ②電機(jī)故 障檢測(cè)與備用電機(jī)的投入原理： 正常運(yùn)行的電機(jī)出現(xiàn)故障一般是三相短路、過(guò)載、缺相。本設(shè)計(jì)使用帶電磁脫扣器的斷路器 QF 做過(guò)載和短路保護(hù)，使用電流互感器和電流繼電器 并聯(lián) 做斷相保護(hù)。當(dāng)任何一個(gè) 電流 繼電器 得電 ，使得串聯(lián)在電機(jī)控制電路的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)；串聯(lián)在備用電機(jī)啟動(dòng)電路的常閉觸點(diǎn)閉合（原來(lái)線圈帶 電 時(shí)是斷開(kāi)的），導(dǎo)致同樣在一條支路的繼電器（ KM）線圈失電，導(dǎo)致與電機(jī)與電網(wǎng)相連的繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，故障電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了故障的指示和備用電機(jī)的啟動(dòng)功能。 第 5 頁(yè) 2 單元電路設(shè)計(jì) 降壓整流電路設(shè)計(jì) 該部分由降壓一個(gè)變壓器 TF四個(gè) 1N4002 型的二極管構(gòu)成橋式整流電路、一個(gè)電容 C3 組成。其作用是為弱電部分的控制電路提供直流穩(wěn)壓電源。電路圖如圖 21所示。