University of South China电子技术课程设计说明书设计题目：简易水位控制器专业：电气工程及其自动化年级：08级学号：姓名：指导教师：2011年 1 月13日南华大学电气工程学院《电子技术课程设计》任务书设计题目：简易水位控制器专业：电气工程及其自动化电子技术课程设计任务书目录引言 (1)1 系统概述 (1)1.1 任务分析与设计方案确定 (1)1.2 功能模块的划分及其实现方法 (2)1.3 整体方框图及工作原理 (2)2 单元电路设计 (4)2.1 降压整流电路设计 (4)2.1.1工作原理 (4)2.1.2主要元器件参数选择 (5)2.2 控制电路设计 (5)2.2.1工作原理 (6)2.2.2主要元器件参数选择 (9)2.3.1工作原理 (10)2.3.2元件和设备参数选择............................................. - 10 -2.4 电机控制和保护电路设计........................................... - 11 -2.4.1工作原理分析................................................... - 11 -2.5整体元器件清单................................................... - 14 -2.5.1“弱电”部分元器件清单.......................................... - 14 -2.5.2“强电”部分元器件清单.......................................... - 15 -3 设计总结............................................... - 15 -3.1 结论.................................................. 错误!未定义书签。

3.2 本设计方案的优缺点............................................... - 15 -3.3 心得体会......................................................... - 16 -参考文献................................................. - 17 -附录.. (18)摘要本课程设计的简易水位控制器，是对过去理论知识学习的一个实践检测。

基于对555芯片的了解和低压继电器的学习，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。

设计中使用Multisim软件对芯片控制电路进行仿真，并附有仿真结果。

本课程设计说明书，主要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。

关键字:水位控制 NE555 继电器浮力开关数字电子引言本课程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。

在设计中，由于考虑到设计周期等限制，以及任务的布置，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。

1 系统概述水位控制器是日常生活中常见的自动化装置。

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）和浮力开关等组成。

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。

1.1 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现两台电机的启动与关闭。

水位（低到高H1～H4）与电机的开与关的具体关系如表1-1所示。

由表可知，两台电机在水位下降与上升时从H2到H3的开与关是不同的，所以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。

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电机的投切问题，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。

1.2功能模块的划分及其实现方法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。

弱电部分划分如下：(1)降压整流电路：直接总电网供电，通过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成+12V的直流电压。

(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分。

输入端与检测水位的浮力开关相连，输出端与继电器相连。

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。

(3)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。

开关两端分别与电源正极和555芯片管脚连接强电部分划分如下：（1）电源电路：课程任务的要求是使用3台10KW水泵电动机，由于电机功率较大，必须采用三相异步电机与电网相连。

电机控制电路则直接从高压端与电网中的两相连的降压变压器获取220V电压。

在每个部分电路与电源直接相接处串联保险丝以保护设备。

（2）电机保护电路：电机有三台，两台为主电机，一台为备用电机。

为了起到保护电机的作用，该电路采用带脱扣器的断路器做过载和短路保护，使用与每相相连的电流互感器与电流继电器并联的方法做断相保护。

（3）电机控制电路：此部分电路中配置熔断器开关和交流接触器线圈来实现相应其他电路对所控制电机的启动与停机以及备用电机的启动。

此外，还设置了手动开关以便实现电机启停的人工操作。

在每个部分电路与电源直接相接处串联保险丝以保护设备（4）电机故障检测与备用电机启动电路：此部分并结合几个继电器和延时继电器的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串联保险丝以保护设备。

1.3 整体方框图及工作原理（1）本设计的原理方框图如图1-1所示简易水位控制器原理方框图图1-1（2）总体工作原理介绍①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1Vcc 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>3 2Vcc。

和>3当液面低于最低水位H1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，此时，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M1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M1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。

②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2.1 降压整流电路设计该部分由降压一个变压器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。

电路图如图2-1所示。

降压整流电路图图2-12.1.1工作原理原理如图2-2所示。

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D1、D3加正方向电压，使得Dl、D3导通；对D2、D4加反方向电压，D2、D4截止。

电路中构成Es、Dl、U1、D3通电回路，在U1 ，上形成上正下负的半波整流电压。

Es为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、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直的，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。

降压整流电路原理图图2-22.1.2主要元器件参数选择（1）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。

1）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。

2）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TF66×32 110V/220V 12V 3A （2）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。