水塔水位自动控制系统设计

开题报告设计题目：水塔水位自动控制系统的设计主要研究内容：水塔水位自动控制系统采用传感器或电极检测水位，水位低于下限水位A时，启动水泵抽水；水位高于上限水位B时，水泵停止抽水，实现水塔水位的自动控制，并能自动完成上水与停水的全部工作循环，保证水塔的水位高度始终处于较理想的范围。主要技术指标或研究目标：本设计的相关技术数据：电源电压220伏，电源频率50赫兹。要求：系统工作稳定、结构简单、制造成本低、灵敏度高。本系统采用分立元件实现控制系统的设计。能利用所学知识进行分析与设计，进一步加深和巩固课本所学知识，学会分析电路、设计电路的方法与步骤，培养综合运用知识的能力。基本要求：（1）控制系统整体方案的可行性分析。（2）工作原理与电路设计。（3）元器件的选择（4）绘制设备示意图和系统原理图（5）编制设计说明书摘要在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有很多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本文采用分立元件实现控制系统的设计，在水箱上安装一个自动检测水位装置，利用水的导电性，连续的全天候的测量水位的变化，把测量的水位变化转换成相应的电信号，由逻辑电路进行处理，完成相应的动作，使水位保持在适当的位置。关键词水位控制分立式元件控制目录1引言……………………………………………………………………………12系统方案…………………………………………………………………………22.1概述…………………………………………………………………………22.2系统组成……………………………………………………………………32.2.1系统工作原理框图……………………………………………………32.2.2功能原理………………………………………………………………33单元电路设计…………………………………………………………………43.1系统电源电路设计…………………………………………………………43.1.1三端集成稳压器的介绍………………………………………………43.1.2电源电路工作过程……………………………………………………63.2液位传感器电路设计………………………………………………………63.3报警显示电路设计…………………………………………………………74系统电路设计……………………………………………………………………84.1系统主干电路………………………………………………………………84.2系统手动电路………………………………………………………………94.3系统自动电路………………………………………………………………95系统运行总体过程………………………………………………………………126元件清单…………………………………………………………………………13附录……………………………………………………………………………18总结………………………………………………………………………………19参考文献…………………………………………………………………………20致谢………………………………………………………………………………2111.引言随着我国经济和科学技术的飞速发展，我国各个领域的现代化建设都取得可喜的成果：尤其在中国的广大城市中，可以说现代化的进程已经赶上了发达国家，这一点是我们华夏儿女几代人的梦想。然而，我国农村的现代化进程现在还存在着许多的不足，很多科学成果不能得到广泛的推广，比如人们日益关注的水资源，在中国广大农村供水系统中有很大的浪费，这主要是由于农村供水体系中简单的水塔结构所造成的，这种水塔存在着种种弊端，比如：无法实现自动供水，没有报警系统，经常造成水资源浪费，供水不及时等等。不论社会经济如何飞速，水在人们正常生活和生产中起着重要的作用。一旦断了水，轻则给人民生活带来极大的不便，重则可能造成严重的生产事故及损失，从而对供水系统提出了更高的要求，满足及时、准确、安全充足的供水。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改造。从而实现提供足够的水量、平稳的水压、较低的设计成本、高实用价值的控制器。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下、市政水管补水，改进供水装置就能实现供水自动化。水塔很高，水位高低不便于观察，水少供水中断，水多则会溢出来，可用以下方法来解决这个问题，改进供水装置就能实现供水自动化。水塔水位自动控制装置还应用于工厂的锅炉系统，主要起锅炉水位自动调节作用，并防止锅炉缺水爆炸和满水位事故的发生。该设计采用分立式元件的控制电路实现超高、低警戒水位处理,实现自动控制,而达到节能的目的,提高了供水系统的质量。22.系统方案2.1概述目前在用的水位控制方式主要有以下种：1）电极式水位控制系统：使用多个电极线与水面接触，探测水位。优点：价格便宜。缺点：属于开关量控制，无法给出实际水位，探测电极容易腐蚀，安装不便，如有污物粘附在电极上，会使水位失控。2）浮球水位控制器分为管式浮球与缆浮球。管式浮球适合清水及粘度不大的液体。缆浮球适合污水。优点：价格适中，可以做出高、低、超高、超低四点控制。缺点：属于开关量控制，无法给出实际水位；浮球上易粘附污物，使浮球不能可靠动作，管式浮球容易卡滞，缆浮球容易缠绕，所有浮球都有触点接触不良现象，结果都是系统失控；调整控制点很不方便。3）液位变送器+智能控制器方式优点：属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。可设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器上设定，极其方便。智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。缺点：价格高。4）超声波液位控制器优点：属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。可设高、低、超高、超低四点控制，控制点在控制器上设定，极其方便。智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。探头不与待测物质接触，适合污水及有毒有害液体的液位控制。缺点：价格高。不适合水面有大量气泡的场合通过以上对不同液位传感器性能的分析和设计任务书的设计要求，本设计选择电极式液位传感器组成液位自动控制系统。其特点为，液位自动控制，不溢出，不缺水，无需人值班看守；其工作原理是，通过无缝钢管筒体内所安装预先设定的不同长度的不锈钢电极棒，在水位变化过程中与水接触或脱离，从而传递信号3给后续电路，通过后续电路实现液位显示、自控、满水、故障报警等，达到确保安全运行，减轻劳动强度的目的。系统电路简单，低成本，符合国家卫生标准。2.2系统组成2.2.1系统工作原理框图系统工作原理框图如图1所示：水位过低检测器相关电路电动机水泵发出信号动作起动抽水图1系统组成框图由系统框图可以看出水塔水位控制系统中备有水位检测系统，水位低于下限水位时，启动水泵抽水，如果没有启动则开始报警；水位高于上限水位时，水泵停止抽水，如果水泵继续工作则报警，实现水塔水位的自动控制，并能自动完成上水与停水的全部工作循环，保证水塔的水位高度始终处于较理想的范围。2.2.2功能原理电极式传感器安装在容器的上方，电极插入液体（分高液位、低液位），使高液位电极对准液体的上限，低液位电极对准液体下限。测量时，电极上通有信号电压，当水位上升接触到高液位电极时，该电极就把信号电压传输给后续电路，从而控制继电器开关停止蓄水。当水位下降到离开下液位电极时，该电极就没有电动机停止工作水位达标检测器发出信号水泵停止抽水电动机无动作电动机没有停止报警4信号传送给后续电路，继电器开始接通蓄水。因此通过水与电极接触与不接触，便可以正确测量出水位高低位置，控制水位的高低，保证用户能不断用水。水箱示意图如图2：图2水箱示意图1）采用分立元件实现控制系统；2）液位传感器采用电极式液位传感器；3）系统电源220V/50Hz市电；53单元电路设计3.1系统电源电路设计3.1.1三端集成稳压器的介绍：（1）三端集成稳压器的内部集成了一个串联型稳压电路，引入了电压负反馈稳定输出电压，同时采用多种措施提高性能，如提高温度稳定性、稳压系数、过流及过压保护等。三端集成稳压器根据输出电压是否可调分为固定式和可调式；根据输出电压的极性分为正电压输出和负电压输出。如图3所示三端集成稳压器的输出端与输入端之间串接调整管，为了使调整管工作在线性状态，不论是固定式还是可调式一定要保证输入端与输出端之间最少有(2～3V)的压差，小于此值时调整管会进入饱和区，失去调节作用。最大压差一般不能超过40V，否则可能会使调整管击穿。不同型号的三端集成稳器的最大压差的是有区别的。图3输入输出内部结构（2）固定式与可调式三端稳压器的对比a.从引脚名称作比较：三端固定式稳压器的三个引出端分别为输入端、输出端、公共端(或接地端)；三端可调式稳压器的三个引出脚分别为输入端、输出端、调整端。b.从外形和方框图作比较：三端固定式稳压器和可调式稳压器的外形与框图如图4所示。图4引脚与框图c.从稳压器的系列与输出电压的品种作比较：三端固定式稳压器输出正电压为78××系列，输出负电压为79××系列，型号中“××”表示输出电压值；6三端固定式稳压器的输出电压共有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个品种。d.从输出电流作比较:常用三端固定式稳压器和可调式稳压器的输出电流均有5A、3A、1.5A、0.5A、0.1A五个档次，在型号中用字母表示输出电流的大小。H表示5A,，T表示3A，无字母时表示1.5A，M表示0.5A，L表示0.1A。可调式稳压器在使用时负载电流不能小于5mA。加装合适的散热片后,可适当超限应用。e.从取得基准电压的位置作比较：三端固定式稳压器的输出端与公共端之间的电压即为型号中表示的标称电压，常规应用时即输出电压，三端可调式稳压器的输出端与调整端之间的电压为(1.2～1.3V)，称为基准电压。它是输出电压的最小值，常取1.25V进行相关计算。3.1.2电源电路工作过程电源电路由变压器将220V/50Hz电变为18V，经过二极管整流与C1的滤波作用，再经过w7812稳压、C0的滤波可获得纹波很低的直流（DC）12V电压。直流稳压电路如图5所示：图5直流稳压电路示意图3.2液位传感器电路设计电极式液位传感器的基本原理是利用液体水有一定导电性的物理性质，设置长度不等的三根导体作为具有相应功能的电极，利用液位变化的状态所形成的信号来完成液位变化转换成相应电信号变化的电极式液位传感器的功能。液位传感器示意图如图6所示：7图6液位传感器示意图电极式液位传感器具有简单、传递可靠等特点，本设计是由一个绝缘体支架安装在水塔底部，在不同位置放置相应的传感极，最底端为供电电极，为上面的电极提供电信号，当水位到达相应的位置时所形成的电信号，就传递给后续电路，从而控制电动机的转停。主要技术参数:1.使用介质:非腐蚀性液体,比重≤12.工作压力：≤2.5Mpa3.工作温度：≤250℃4.相对湿度：≤85％3.3报警显示电路设计（1）报警部分：报警电路是一个系统中必不可少的部分，它起到安全警告、预防祸患的重大作用。本设计的报警电路结构比较简单，由蜂鸣器与热继电器、交流接触器的触点组成，此报警电路只有在水位处于下限水位以下而电机仍然没有工作和上限水位以上但是电机没有停止工作的情况下报警。具体分析如下：当水位下降至下限水位以下时，接头G得电（接头E为低电位）如果此时交流接触器KM1没有动作即控制线路出问题或者是电动机出现故障（监测点出自于热继电器FR）,那么报警电路就会被接通，从而开始报警；当水位上升至上限水位以上时，接头F得电如果此时交流接触器KM1没有复位，那么报警电路也就会被接通，从而开始报警。报警电路电路图如图7所示：8图7液位传感器示意图（2）显示部分：此设计的显示部分由发光二极管组成，图示见自动电路原理图，具体分析如下：当水位在下限水位以上时，则三极管V