简易水塔水位控制电路

1 系统组成图
图为简易水塔水位控制电路系统组成图，由电源电路，水位检测器，水位范围测量电路，水泵开关电路和显示电路组成。

各部分电路的组成及其用途如下：电源电路：为上述所有电路提供直流电源
水位检测电路：利用水的导电性检测水位变化，同时形成回路，形成电信号实现对水位的控制。

水位范围检测电路：利用比较器原理实现水位范围的确定，同时利用迟滞比较器的迟滞性来避免跳闸现象
水泵开关电路：完成控制电路和水泵通放水的转换
显示电路：利用发光二极管将水泵状态显示出来
2 原理电路图
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。

3 主要单元电路设计
3.1电源电路
图1
如图1为电源电路直接可以从电网供电，通过变压器电路，整流电路，滤波电路，和稳压电路直接将电网中的220V交流电转换成+12V的支流电压。

其各部分功能如下：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
3.2.1水位测量电路：
由上限极S2，下限极S1地极构成，当S<S1时，相当于O与T断开，此时T点的电位最高；随水位的上升当S1<S<S2时，由于水导电使得地极，S1，T与电源构成通路，此时可以通过改变R0阻值的大小来改变T点电位，即可达到检测水位的目的；当水位上升至S>S2时，则地极，S2，T与电源构成通路，此时T点电位最低为0。

其中R9的作用是通过改变阻值的大小可以调节V的范围，即可以调节水位控制范围；通过改变R0的阻值判断T点电位的高低达到检测水位的目的。

一、水位范围测量电路：
(一)水位范围测量电路由两部分组成,第一部分是由电阻R1，R2和稳压管D1，D2
构成的参考电压的电路；第二部分是迟滞比较器构成的水位范围测量电路。

(二)参考电压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。

电路采用电阻和稳压管结合的方式是由于参考电源残生电路的输出端接入稳压管的输入端，以防止输出电流导致电源不稳定，其中稳
压管的稳压电压为8V，而输出VREF1=+8V，VREF2=+4V。

(三)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： VREF1和VREF2分别输入到两个运算放大器的同相输入端，VY则输入到反相输入端，它为Y点的电位（VP 代表运算放大器同相输入端的电位）
●当VT<VP2时，V1，V2输出为高电平；
●当VP2<VT<P1时，V1输出为高电平，V2输出为低电平；
●当VT>VP1 时，V1和V2输出都为低电平。

其中可以通过判断VT、VREF1、VREF2的电位高低来确定水位的高低及范围大小。

第二：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
3 .3 水泵开关电路和显示电路
图3
（一）如图虚线左侧电路所示，水泵开关电路是由三极管电路和继电器电路构成，电路的输入如图。

●当S <S1时，V1、V2输出为低电平，三极管截止，水泵两水泵开始放水；
●当S1<S<S2时,V1输出为高电平，V2输出为低电平，T1导通，T2截止，有一水
泵放水；
●当S>S2 时,V1、V2输出都为高电平，T1，T2都导通，两水泵停止放水。

继电器电路：
继电器是自动控制电器执行和控制的元件，它是将小电流，小功率的转化为大电流，大功率的开关元件。

由于水泵发电机中要通过大电流，产生大功率致使支流电源无法提供，因此需用交流供电，故电路中开关必须采用继电器电路
三极管电路：
它构成的电流放大电路是一种比较典型的和简单的电路。

R10，R11为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管，三极管为共集电极电路。

当输入电压为高电平时，三极管导通饱和，可以将输入电流放大；
当输入电压为低电平时，三极管截止，无电流通过。

继电器连接三极管发射极，当有电流驱动时，开关吸合，对应水泵开始放水；当无电流驱动时，开关断开对应水泵停止放水，同时在继电器两端并联二极管进行保护（二）显示电路：如虚线右方电路所示，通过发光二极管亮灭来显示是否电路通路，水泵是否工作。

由于继电器的驱动电流过大，需要加入限流电阻
3.4 集成电路管脚图
三端集成稳压器外形和典型应用电路
①脚为电压输入瑞，②脚为公共接地端，③脚为电压输出端。

集成稳压器正常工作时，在②脚应输出与其稳压值相同的电压，供给负载使用。

4 主要元器件简介
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4.1 二极管实物图
4.2 稳压管
图4.2稳压管的特性曲线
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。

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。

图4.3发光二极管的实物图
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。

图4.4.1 NPN型三极管符号
BJT的开关作用对应于触点开关的"断开"和"闭合"。

如图1.1(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4.4.2 BJT的开关工作状态
图3.4.2(a)中BJT为NPN型硅管。

电阻R b为基极电阻，电阻R c为集电极电阻，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v O。

当输入电压v I为高电平时，晶体管导通，相当于开关闭合，所以集电极电压v c≈0，即输出低电平，而集电极电流i C≈V CC/R C。

当输入电压v I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i C≈0，而集电极电压v c≈V CC，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i E=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i C=I CBO，而基极电流i B=-I CBO。

说明三极管截止时，i B并不是为0，而等于-I CBO。

基极开路时，外加电源电压V CC使集电结反向偏置，发射结正向偏置晶体三极管
基极电流i B=0时，晶体管并未进入截止状态，这时i E=i C =I CEO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I CBO，i B=-I CBO，i E=0，为临界截止状态。

进一步加大基极电压的绝对值，当大于V BO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I EBO，这时晶体管进入截止状态i B = -(I CBO+ I EBO)，i C= I CBO。

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i B的增加基极电位v B升高，而随着集电极电流i C的增加，集电极电位v C 却下降。

当基极电流i B增大到一定值时，将出现v BE=v CE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i B，i B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i C随基极电流
i
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i B继续增大
B
时，i C基本维持不变，即i B失去对i C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态。

一般地说，在饱和状态时饱和压降V BE(sat)近似等于0.7V，V CE(sat)近似等于0.3V。

由图3.4.2 (a)可看出，集电极电流i C的增加受外电路的限制。

由电路可得出i C的最大值为I CM= V CC/ R C。

晶体管进入饱和状态，基极电流增大，集电极电流变化很小，i C=I CS=(V CC-V BE(sat))/R C晶体管临界饱和时的
基极电流I BS=I CS/β=(V CC-V BE(sat))/βR C 。

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4.5 电磁继电器工作图
4.6 迟滞比较器
图4.6 迟滞比较器符号
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)。

5 器件清单
6 设计心得总结
经历了这几天的课程设计终于算是完成了。

因为以前没有做过类似的设计，开始感觉无从下手，有许多的地方不是很符合要求，等做过这次课程设计之后对以后的类似的课程设计以及毕业论文都有很大得帮助。

在最初拿到题目的时候感到有些无所适从，不知道从哪下手。

但是经过查阅一些资料和看一些相关的例子，还有同学们的帮助使我的思路逐渐的清晰起来，虽然在设计过程中出现了很多的困难，但是通过自己的努力解决了一部分，剩下的也通过和同学讨论和请教老师一一解决了。

虽然其中走了很多的弯路，但是我在这几天的时间里是充实的，在这几天里使我对电工和电子课程有了更深一步的了解和掌握。

不仅丰富了课本的理论知识，而且锻炼了自己的能力。

这次的课程设计，是一次理论与实践的结合，也可以说让我们平时的积累得到了一次施展，让我加深了对电子技术的理解，明白了所学知识的重要性和自己理论知识的欠缺，增加了自己对所学课程的兴趣。

将理论和实践相结合使自己的能力有了很大的提高。

通过本课程设计的练习过程，使我牢固的掌握了电子技术的相关知识，特别是一些元器件的应用知识，这些在课本上是没法系统的学到的，通过本设计，我能了解各种元器件的特性，并且利用他们来完成我的目的。

使我对电子技术整本书有系统的学习了一遍，同时我查阅相关的资料，丰富的我的知识面，锻炼了自己的动手操作能力。

也提高了我的动手能力，加深了知识点的学习，在合作中曾强了同学之间的了解，加深了同学之间的友谊。

同时这次课程设计有答辩环节，这也是毕业答辩的一次演练从而使我们更加了解答辩流程，答辩方法，为毕业答辩做好充分的准备。

通过这次设计我从中学到了很多，不仅仅是学到了课本知识，还有做事的态度、品格等等，相信对以后的学习和生活会有很大的帮助。

致谢
这次课程设计对于我来说可为困难重重，还好有同学和老师的指导。

在这里我要衷心的感谢那些帮忙的亲爱的同学和和蔼的老师，没有你们的帮助这次设计不知结果会如何，是你们的帮助让我了解更多的知识，同时慢慢的也增加了我的自信，在实际设计中越来越顺手。

在此衷心的感谢同学的热心帮助，尤要感谢老师的耐心指导，是他的指导才让我们的设计更加完善合理，并让我们从中学到很多实践知识。

主要参考资料
【1】．何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月
【2】．姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月【3】．王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月【4】．李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月【5】．康华光，电子技术基础，高教出版社，2003。