水槽液位控制器的设计
一、设计任务及控制要求
设计一个水槽液位控制器，自动控制水槽液位在高水位和低水位之间循环流动。 基本功能如下：
（1）如果水位低于低水位（点）则水泵抽水，使水槽的水位上升。
（2）如果水位高于低水位而低于高水位时，水泵继续抽水，使水槽水位继续上升。 （3）当水位达到（或超过）高水位时，水泵停止抽水，同时触发电磁阀打开放水，使水位下降。
（4）当水位下降到低水位时，电磁阀关闭，同时水泵又开始抽水，使水槽的水液位上升。完成一个周期的循环。
二、设计目的
1．通过本设计使学生更加熟悉用中规模集成电路进行时序逻辑和组合逻辑的电路设计方法，掌握水槽液位控制器的设计方法。
2．使学生了解接触器、电磁阀、水泵等器件的基本原理，能够独立完成电气实验的接线和调试，并对实验结果进行分析和总结。
三、设计原理及思路
1、本课题采用集成电路设计方案
水位控制系统的时序关系，如图9.1.1所示。
图9.1.1 水位控制器的时序图
水位控制流程图（J1是低水位的控制继电器，J2是高水位的控制继电器）
AC 220V
图9.1.2 水位控制器设计流程图
对应的电气控制原理电路，如图9.1.3所示。
AC 380V
L2
图9.1.3 水位电气控制原理示意图
2、基本原理
在图9.1.2中，系统主要由水槽、电压比较器、隔离保护和驱动电路、直流继电器控制电路、水泵、电磁阀组成。其中，电压比较器是该系统核心部分，高低水位的电压通过与基准电压比较输出逻辑信号，控制直流继电器的工作，实现水泵的通断，以实现水槽中的水位
进行上下移动。
当水位低于低水位LL时，高、低水位的两个电压比较器同时输出控制直流继电器J1、J2都工作，控制交流接触器KM工作并自锁，让水泵抽水和关闭电磁阀，使水槽液位上升。 当水位上升到达低水位时，低水位的电压比较器输出状态反转，控制KM电路的直流继电器的触点J1断开，但由于交流接触器KM电路有自锁，所以水泵还继续抽水，让水液位继续上升。
当水位继续上升到达高水位LH时，高水位的电压比较器输出状态反转，对应于直流继电器J2的触点断开，使交流接触器停止工作，则水泵停止抽水；同时打开电磁阀放水，使水位下降。只要水位一直低于高水位，则高水位比较器输出状态又发生反转（即J2工作）。但此时低水位控制的直流继电器J1还处于断开状态，所以水位还是继续下降。只有当水位到达低水位时，即低水位比较器输出状态也出现反转（即J1工作），使水泵得电抽水，水位上升，系统完成一个循环。
四、电路设计要求
1、参数基本要求
（1）电磁阀参数
①管径φ4。 ②最高温度为 80℃。③孔径2.5mm 。④功率为0～7Var。 ⑤类型处于常闭状态。 （2）水泵参数
①额定电压为220V/50Hz。 ②扬程为0～0.8m。③最大流量为450L/H。④额定功率为8W。
2、所需元器件
3、电路图及参数计算
（1）控制电路
以低水位为例说明：
把电压比较器负端的电压UR作为参考电压。 UR=Vcc/2=7.5V。当开关J1断开时（相当于水位在低水位以下），电压比较器正端电压为15V>UR，此时比较器输出高电平，驱动光电耦合器灯亮。使光耦E端有电流输出。通过三极管的放大作用，驱动继电器工作使开始抽水。R8为继电器内阻。仿真得其两端电压为12.58V，因此可以工作。
当水位没过低水位时，相当于J1闭合使电路接地，此时电压比较器正端电压 U=R2·Vcc/（R2+R4）=5V
备注：电路中1K电阻起限流作用，防止三极管烧坏。光耦起隔离保护电路作用，以免负载变化影响电路的稳定性。高水位电路图与低水位一样。其工作原理也一样。 （2）电源电路
电路说明：
变压器把220V交流电变为18V交流电。经硅堆整流后变为单向脉动电压，再经过电容滤波后电压脉动程度减少，但此时电压仍不是稳定输出15V，必须再接入稳压芯片7815，使其电压图形为一条直线。滤波电容的选取根据公式RLC>=（3~5）T/2选择。
五、电路的仿真
（1）控制电路在Multisim2001软件仿真情况如下：
（2）电源电路仿真情况如下： 正端电源：15.548V 负端电源：-15.583V
（3）电源波形图（以+15V为例） 变压器两端电压波形：
经整流后电压波形：
最后输出电压波形（为一直线）：
备注：-15V与+15V工作原理一样，波形正好相反。
六、实际调试（含数据）
1、控制电路各级参数实测数据如下：
（1）水位在低水位以下时：
（2）水位在低水位以上，高水位以下时：
（3）水位在高水位时：
2、电源电路实测数据及波形
正端实测电压：14.77V 负端实测电压：-15.12V
电源波形、布局图、焊接图及说明见附录
3、调试过程中的存在问题及改进
调试前必须再三检查电解电容正负是否接对，以免发生危险。接220V电源时必须断开电源，接完后用黑胶布封住不在碰它。电路板的地线记得接。
七、课程设计心得
通过这次课程设计，我明白了工程设计的步骤及设计思维，还有一些芯片的用途。如LM324可以作为电压比较器，光电耦合器可以用来保护电路，用晶体管的放大作用来驱动较大负载。
焊接前，先做好布局图，画出要连接的线路，可以帮助寻找最优方案，避免出现大量跳线。元器件应该离万用板5mm左右。在焊接时不能急躁，要专心才能把每个焊点都焊得漂亮。每焊完一处用万用表检查是否出现虚焊。
焊接电解电容时检查正负端是否接反，同时区分7815和7915管脚的不用。在调试时，高水位、低水位、公共端注意分清。三极管8050的E、B、C不能接反。
由于有220V强电存在，试验过程必须时刻警惕。用完电及时断开总电源。
参考文献：
[1]秦曾煌主编.电工学.高等教育出版社，2004
[2]林育兹主编.电工学试验. 高等教育出版社，2010 [3]百度文库
附录：
1
2
3
正端（+14.77V）
负端（-15.12V）
4
11
5、焊接图
12
水槽液位控制器的设计
一、设计任务及控制要求
设计一个水槽液位控制器，自动控制水槽液位在高水位和低水位之间循环流动。 基本功能如下：
（1）如果水位低于低水位（点）则水泵抽水，使水槽的水位上升。
（2）如果水位高于低水位而低于高水位时，水泵继续抽水，使水槽水位继续上升。 （3）当水位达到（或超过）高水位时，水泵停止抽水，同时触发电磁阀打开放水，使水位下降。
（4）当水位下降到低水位时，电磁阀关闭，同时水泵又开始抽水，使水槽的水液位上升。完成一个周期的循环。
二、设计目的
1．通过本设计使学生更加熟悉用中规模集成电路进行时序逻辑和组合逻辑的电路设计方法，掌握水槽液位控制器的设计方法。
2．使学生了解接触器、电磁阀、水泵等器件的基本原理，能够独立完成电气实验的接线和调试，并对实验结果进行分析和总结。
三、设计原理及思路
1、本课题采用集成电路设计方案
水位控制系统的时序关系，如图9.1.1所示。
图9.1.1 水位控制器的时序图
水位控制流程图（J1是低水位的控制继电器，J2是高水位的控制继电器）
AC 220V
图9.1.2 水位控制器设计流程图
对应的电气控制原理电路，如图9.1.3所示。
AC 380V
L2
图9.1.3 水位电气控制原理示意图
2、基本原理
在图9.1.2中，系统主要由水槽、电压比较器、隔离保护和驱动电路、直流继电器控制电路、水泵、电磁阀组成。其中，电压比较器是该系统核心部分，高低水位的电压通过与基准电压比较输出逻辑信号，控制直流继电器的工作，实现水泵的通断，以实现水槽中的水位
进行上下移动。
当水位低于低水位LL时，高、低水位的两个电压比较器同时输出控制直流继电器J1、J2都工作，控制交流接触器KM工作并自锁，让水泵抽水和关闭电磁阀，使水槽液位上升。 当水位上升到达低水位时，低水位的电压比较器输出状态反转，控制KM电路的直流继电器的触点J1断开，但由于交流接触器KM电路有自锁，所以水泵还继续抽水，让水液位继续上升。
当水位继续上升到达高水位LH时，高水位的电压比较器输出状态反转，对应于直流继电器J2的触点断开，使交流接触器停止工作，则水泵停止抽水；同时打开电磁阀放水，使水位下降。只要水位一直低于高水位，则高水位比较器输出状态又发生反转（即J2工作）。但此时低水位控制的直流继电器J1还处于断开状态，所以水位还是继续下降。只有当水位到达低水位时，即低水位比较器输出状态也出现反转（即J1工作），使水泵得电抽水，水位上升，系统完成一个循环。
四、电路设计要求
1、参数基本要求
（1）电磁阀参数
①管径φ4。 ②最高温度为 80℃。③孔径2.5mm 。④功率为0～7Var。 ⑤类型处于常闭状态。 （2）水泵参数
①额定电压为220V/50Hz。 ②扬程为0～0.8m。③最大流量为450L/H。④额定功率为8W。
2、所需元器件
3、电路图及参数计算
（1）控制电路
以低水位为例说明：
把电压比较器负端的电压UR作为参考电压。 UR=Vcc/2=7.5V。当开关J1断开时（相当于水位在低水位以下），电压比较器正端电压为15V>UR，此时比较器输出高电平，驱动光电耦合器灯亮。使光耦E端有电流输出。通过三极管的放大作用，驱动继电器工作使开始抽水。R8为继电器内阻。仿真得其两端电压为12.58V，因此可以工作。
当水位没过低水位时，相当于J1闭合使电路接地，此时电压比较器正端电压 U=R2·Vcc/（R2+R4）=5V
备注：电路中1K电阻起限流作用，防止三极管烧坏。光耦起隔离保护电路作用，以免负载变化影响电路的稳定性。高水位电路图与低水位一样。其工作原理也一样。 （2）电源电路
电路说明：
变压器把220V交流电变为18V交流电。经硅堆整流后变为单向脉动电压，再经过电容滤波后电压脉动程度减少，但此时电压仍不是稳定输出15V，必须再接入稳压芯片7815，使其电压图形为一条直线。滤波电容的选取根据公式RLC>=（3~5）T/2选择。
五、电路的仿真
（1）控制电路在Multisim2001软件仿真情况如下：
（2）电源电路仿真情况如下： 正端电源：15.548V 负端电源：-15.583V
（3）电源波形图（以+15V为例） 变压器两端电压波形：
经整流后电压波形：
最后输出电压波形（为一直线）：
备注：-15V与+15V工作原理一样，波形正好相反。
六、实际调试（含数据）
1、控制电路各级参数实测数据如下：
（1）水位在低水位以下时：
（2）水位在低水位以上，高水位以下时：
（3）水位在高水位时：
2、电源电路实测数据及波形
正端实测电压：14.77V 负端实测电压：-15.12V
电源波形、布局图、焊接图及说明见附录
3、调试过程中的存在问题及改进
调试前必须再三检查电解电容正负是否接对，以免发生危险。接220V电源时必须断开电源，接完后用黑胶布封住不在碰它。电路板的地线记得接。
七、课程设计心得
通过这次课程设计，我明白了工程设计的步骤及设计思维，还有一些芯片的用途。如LM324可以作为电压比较器，光电耦合器可以用来保护电路，用晶体管的放大作用来驱动较大负载。
焊接前，先做好布局图，画出要连接的线路，可以帮助寻找最优方案，避免出现大量跳线。元器件应该离万用板5mm左右。在焊接时不能急躁，要专心才能把每个焊点都焊得漂亮。每焊完一处用万用表检查是否出现虚焊。
焊接电解电容时检查正负端是否接反，同时区分7815和7915管脚的不用。在调试时，高水位、低水位、公共端注意分清。三极管8050的E、B、C不能接反。
由于有220V强电存在，试验过程必须时刻警惕。用完电及时断开总电源。
参考文献：
[1]秦曾煌主编.电工学.高等教育出版社，2004
[2]林育兹主编.电工学试验. 高等教育出版社，2010 [3]百度文库
附录：
1
2
3
正端（+14.77V）
负端（-15.12V）
4
11
5、焊接图
12