传感器原理及应用
课程实践
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水位检测与控制课程设计
引言：
水塔供水的主要问题是塔内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生。
目前，控制水塔水位方法较多。
随着科技的发展，人们对水位控制的需求越来越多。
水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，而以往水位的检测是由人工完成的，当检测到数据后通过电话通知值班室的工作人员进行控制，这样在人力和物力上都将造成很大的浪费。
因此我们需要一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统。
利用传感器全天地连续测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，完成相应的水位显示、控制及故障报警及显示水位等功能。
这样就能实现无人自动控制，并且能快速的做出控制，减少反映时间，减小浪费，同时减少事故的发生，能够满足我们的需要。
它不仅要具有控制水位的功能，而且要能实现自动控制，才能使其使用方便；同时还要能够调节控制水位的范围。
我设计的这个电路由电源电路，水位检测电路，水位控制电路和显示电路组成。
这个简易的水位检测与控制电路，具有水位上下限自动控制，水位自动检测的功能。
在使用过程中，当水位下降到下限水位时，发动机开始运转，由水泵向水塔中灌水；当水位升至上限水位时，发动机停止运转，水泵中止向水塔灌水。
设计原理：
如电路结构图，负反馈由正压力系数力敏电阻组成。
1、电路分为两路：一路为水位控制电路，由恒流源、滤波放
大电路、滞回比较器、正相比例运算电路和水泵组成；另一路为水位检测电路，由电压跟随器、正相比例运算电路、水位传感器
和显示器组成。
2、水位控制电路，如滞回比较器传输特性，当水位达到上限水位时，滞回比较器输出电压跳变为－UZ，发光二极管3截止，发动机停止运转，水泵中止工作。
水位下降，负反馈将水位的变化转变成电信号，使恒流源输入滤波放大电路的电流减小，滤波放大电路输出电压减小。
当水位下降到下限水位时，滞回比较器输出电压跳变为+UZ，发光二极管3导通，发动机开始运转，水泵向水塔灌水，水位开始回升。
负反馈将水位的变化转变成电信号，使恒流源输入滤波放大电路的电流增大，滤波放大电路输出电压增大。
当水位上升到上限水位时，滞回比较器输出电压跳变为－UZ，发动机停止运转，水泵中止工作。
从而实现自动控制。
3、水位检测电路，水位传感器将水位的变化转变成相应的电信号，传输到显示器，通过显示器显示出水位的情况。
电路结构：
电路结构图
水位检测与控制电路原理图
图中水泵有万用表1替代，水位传感器和显示器有万用表2替代。
参数的计算：
1、直流稳压电源（如图）R
直流稳压电源的输出电压Uo =6V ，因输出电流越大，系统损失的功耗越大，为使功耗减小，故输出电流Io 取2.8mA 。
（1）、稳压管稳压电路 a 、稳压管的选择
由Uo =UDz ，故稳压管的稳定电压UDz =6V 。
稳压管工作在稳压区所允许的电流变化范围应大于负载电流的变化范围，即max Iz －min Iz ＞Io ，因此，min Iz ≤Io ≤max Iz 。
b 、限流电阻的选择
2U =（2～3）DZ U ，
所以，max R =Io Iz U U DZ
--min max 2，Io
Iz U U R DZ --=
max 2min 得2.14k Ω≤R ≤4.28k Ω,取2U =122V=16.97V ，所以R=3.9k Ω。
（2）、滤波电路
由RC=（3～5）2
T
，所以C=19.23μF ～32.05μF ，故取C=30μF 。
（3）、变压器和整流电路 a 、二极管的选择
由2U =21U ，得1U =12V ，二极管承受的最大反向电压max
Uz
=21U ，所以，二极管承受的最大反向电压max Uz =16.97V 。
二
极管的平均电流)(AV Z I =2
)(AV o I ≈
R
U 21
9.0=1.38mA 。
所以，最大整流电流F I ＞
2
1.1)
(AV o I =12
1.1U R
=1.52mA 。
b 、变压器的选择
因输入电压i U =220V ，U1=12V ，所以，变压器的初级匝数与次级匝数比为n=
1U U i =3
55。
仿真结果（如图）
2、水位控制电路（如图）
水泵由万用表替代
（1）、滤波电路
输入电压i U =6V ，输入电流i I =2.8mA ，1R =
i
BE
i I U U =1.89 k Ω。
为消除自激振荡，在运放器输入端与地间加一电容1C =220μF ；使电路输出电压在12V ～18V 间，正压力系数力敏电阻2R 所承受的反馈电流
2R I 在0.1mA ～0.3mA 间，使电路反馈支路加两支绿色发光二极管1ED 、2ED 以提高反馈的稳定性，1ED U =2ED U =2V 。
力敏电阻2R 的选择
力敏电阻2R 的阻值与所受压力间的关系有F=K 2R ，压力与液体压强的关系有F=PS ，P=ρｇｈ，得力敏电阻2R 的阻值与液体深度间的关
系2R =K
gh
ρ，2R I =22
R U R ，2R U =1ED U =2V ，有力敏电阻2R 所承受的反
馈电流2R I 与液体的深度间的关系2R I =gh K U R ρ2=gh
K
ρ2。
（2）、滞回比较器
滞回比较器输入电压1I U 为12V ～18V 间，输出电压o U =±3D U =±24V 。
由P U =N U ，N U =1I U ，所以P U =12V ～18V 。
滞回比较器输入电压2I U =5D U =15V 所以11R U =ss V －5D U =9V ， 11R =20 k Ω，
109R R =12312I I D I I U U U U U ---=7
1，取9R =10 k Ω，故10R =70 k Ω。
滞回比较器输出电流o I ＞4
3
3R U U ED D -=0.56 mA ，3R =o D I U 3＜42.86 k Ω，故
取，3R =20 k Ω。
稳压管3D 、4D 的稳定电压均为24V, 稳压管5D 的稳定电压为15V ，发光二极管3ED 为绿色发光二极管，故3ED U =2V 。
（3）、正相比例运算电路及MOS 管
正相比例运算电路的输入电压1I U =3D U －3ED U =22V ，输出电压1o U 即为MOS 管的输入电压2I U ，即1o U =2I U ；又MOS 管的输出电压2o U 等于MOS 管的输入电压2I U ，即2o U =2I U ，因而1o U =2o U ，水泵正常工作的电压为220V ，所以，1o U =2o U =220V 。
所以，正相比例运算电路
的电压放大倍数A=11I o U U =10，A=8
7
1R R +，取8R =44 k Ω，则7R =396 k
Ω。
由比例运算正反相参数的平衡有4R =8
78
7R R R R +=39.6 k Ω。
水泵正
常工作的电流I 为7.5A ，I=
52R U o ，因而，5R =I
U
o 2=29.3A ；一般MOS 管的电源电压为10V ～12V ，故取cc V =12V ，MOS 管的漏源夹断电压DSQ U 为3V ，为减小损失的功耗，故静态工作时，取DQ I =1 mA ，
DSQ U =()65R R I V DQ CC +-,DQ
I =()2
1⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛-off GS GSQ DSS U U I ，所以，6R =
5R I U V DQ
DSQ
cc --≈8.68 k Ω，水泵正常工作允许需波动的电压范
围为10﹪，因此，限流二极管3D 、4D 的最大反向击穿电压max U =（1
＋10﹪）2
2
o U =121V 。
3、水位检测电路
水位传感器和显示器由万用表替代
电压跟随器的输入电压1I U =6V ，输出电压1o U =1I U =6V ，又正相比例运算电路的输入电压为电压跟随器的输出电压即2I U =1o U =6V 。
水位传感器正常工作的电压为24V ，所以，正相比例运算电路的输出电压2o U =24V ，正相比例运算电路的电压放大倍数A=22I o U U =4，A=2
31R R +=4，取2R =20 k Ω，因而，3R =60 k Ω，由比例运算正反相参数的平衡有1R =
3
232R R R R +=15 k Ω。
仿真结果（如图）
结语：
这次课程设计，既是一次理论与实践的结合，也让我加深了对电子技术的理解，体会到调试的不易，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。
这次课程设计，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了自己的能力，学会了如何查找资料。
参考文献：
1、童诗白，华成英，模拟电子技术基础（第四版）北京：
高等教育出版社2006-5
2、邱关源，罗先觉，电路（第五版）北京：高等教育出社
2006-5
3、郁有文，常建，传感器原理及工程应用（第三版）西安
电子科技大学出版社2008-7。