單片門電路魚缸水位控制系統(tǒng)的設計

王 姍

（重慶電子工程職業(yè)學院，重慶401441）

單片門電路魚缸水位控制系統(tǒng)的設計

王 姍

（重慶電子工程職業(yè)學院，重慶401441）

文章研究并設計了一種高精度魚缸水位監(jiān)控系統(tǒng)，能夠實現信號采集、處理和水泵驅動等功能，并能自動補水和控制水位。利用獨立電路采集超高水位與超低水位信號和控制繼電器開關，控制水泵開或關的工作循環(huán)，實現自動檢測水位和自動補水。設計的系統(tǒng)結構簡單，制造成本低廉，靈敏度較高。

水位；水泵；單片門電路；自動補水

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對家居休閑產品的需求不斷增加。生態(tài)魚缸是目前需求較大的一種休閑產品。生態(tài)魚缸的底濾、測濾、角濾能夠對魚缸中的水進行過慮和凈化。魚缸水泵促進水不斷循環(huán)，加快了魚缸中的水蒸發(fā)，每天每個無蓋魚缸蒸發(fā)1～4升的水量。魚缸中的水蒸發(fā)后，必須及時補充，否則會導致魚缸的水循環(huán)系統(tǒng)不能正常工作，甚至燒毀水泵。及時給魚缸補充水往往也給家庭帶來負擔，特別是家庭成員出差或旅游外出時，無人給魚缸補充水，成為困擾家庭養(yǎng)魚的難題。

設計開發(fā)魚缸自動補水控制系統(tǒng)，對養(yǎng)魚愛好者具有很高的實用價值。設計的補水控制系統(tǒng)應具有體積小、成本低廉、控制方便、易于操作的優(yōu)點。

1 水位自動控制器設計

1.1 設計構想

利用簡單的電子線路和獨立的水泵設計一種控制裝置，對魚缸水位進行自動檢測與補水控制[1]。通過控制系統(tǒng)，使魚缸中的水位保持一定的高度范圍內，當水位低于下限時，水泵自動供水；當水達到水位上限時，水泵自動停止供水。根據控制原理可知，要實現控制對象的被控量（測定值）自動比較給定值，控制系統(tǒng)應具有測量、比較、執(zhí)行等三種基本功能。利用單片門電路執(zhí)行器來實現這三種功能。按偏差調節(jié)控制原理如圖1所示。

圖1 按偏差調節(jié)的控制原理

1）被控量：調控的水位高低；

2）受控對象：貯水容器（魚缸）中的水；

3）測量器件：水位探頭將水位值轉化為相應的電位值；

4）給定值：是水位的上限值和下限值；

5）計算比較：將測量得到的水位實際值與給定值進行比較；

6）執(zhí)行機構：驅動水泵電路工作和開啟指示燈；7）執(zhí)行器件：為水泵注水。

在上限水位和下限水位之間設定系統(tǒng)的閾值范圍。當測定值在閾值范圍內，執(zhí)行器件不工作；當測定值超出閾值范圍，執(zhí)行機構驅動水泵自動補水。從圖1表明，控制系統(tǒng)是一個閉合回路，系統(tǒng)是根據按偏差調節(jié)原則設計的，只要被控量的偏離值達到修正閾值，系統(tǒng)就能自行糾偏，實現水位自動補償，實現魚缸自動補水或停止供水。

1.2 設計方案

控制器電路由電源電路、水位信號采集與檢測電路、輸出驅動執(zhí)行電路三部分組成[2]，圖2所示。

圖2 水位控制電路

下面分別分析電源電路、水位信號采集與檢測電路、輸出驅動執(zhí)行電路。

1.2.1 電源電路

電源電路直接與220V的交流電源聯接，經過變壓器電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，得到低壓直流輸出。首先，220V電壓經變壓器降壓。其次，輸出低壓交流電加至由D1—D4構成的橋式整流輸入端，整流后經電容CI濾波得到大約為10V的直流電壓，并經R1可開啟紅色發(fā)光管LED1，并送到水位檢測電極上。10V的低壓電不影響魚缸內魚的生命。

1.2.2 水位信號檢測電路

水位信號檢測與監(jiān)控電路以四二輸入與門電路CD4081為核心，并由五根水位檢測電極探針 A、B 、C、D、E 構成，一般情況下只使用 A、B、C三個電極探針。根據系統(tǒng)電極實測水位的變化，把測量值反饋至CD4081相應的引腳，以實現電平調節(jié)，以驅動輸出電路，進而執(zhí)行元件驅動水泵[3]。

1.2.3 輸出驅動電路

輸出驅動主要由驅動管（三極管）VT1、繼電器J1、功能選擇開關K和能實現輸出狀態(tài)指示的綠色發(fā)光管LED2組成。在功能選擇開關處于“開”的位置時，繼電器J1被強制工作，相應觸點J1-1閉合，外接負荷（單相電動水泵或控制接觸器）開始工作，實現強制補水（人工干預補水），開啟輸出狀態(tài)指示綠色發(fā)光管LED2；在處于“關”的位置時，J1-1觸點斷開，外接負荷被全部切斷；處于“自動”位置時，J1工作受驅動管VT1控制。當VT1基極電位處于高電平時，驅動管飽和導通，繼電器通電，開始吸合動作，開啟綠色發(fā)光管LED2，驅動水泵實現補水。當VT1基極電位低電平時，驅動管截止，繼電器J1-1失電，綠色發(fā)光管LED2關閉，驅動水泵斷電，水泵停止泵水。

1.3 主要元器件選擇

1)門電路 IC1：選用 CD4081，四-2輸入與門集成電路；

2)驅動三極管VT1、VT2：選用8050小功率晶體NPN型三極管，放大倍數大于50；

3)整流二極管 D1～D4：選用 IN4007，整流二極管；

4)發(fā)光管LED1：電源加電指示，紅色發(fā)光管；發(fā)光管LED2：輸出狀態(tài)指示，綠色發(fā)光管；

5)二極管 D5～D7：選用 IN41418，D5、D6 為隔離自鎖二極管；

6)電容C2—C5：濾除信號干擾。

2 實驗結果

2.1 水位控制邏輯

魚缸自動補水示意圖如圖3所示。

圖3 魚缸自動補水示意圖

電極探針A用于設置水位上限控制點。水位上升到A點水位，水與探頭接觸，由于液體的導電性，A、B兩極接通，導致水泵供水斷開，水位控制器自動關閉水泵。電極探針B是水位下限液位控制點，水位下降到B點水位時，水與探頭接觸脫離，水位控制器自動開泵，魚缸充水。電極C為地線，與魚缸底部接觸。當水位低于電極B時，驅動管VT1飽和導通，水泵向魚缸內補水。隨著水位升高，檢測電極B升至高電位，魚缸繼續(xù)補水。當水位上升到上限水位控制點A點時，與門輸出端VT2飽和導通，VT1截止，水泵失電，外控水泵停止工作，補水停止。

表1 水位控制程序表

系統(tǒng)控制門電路執(zhí)行邏輯：水位低于B點，執(zhí)行控制門電路導通，水泵控制邏輯為“1”，水泵執(zhí)行注水動作；水位高于B點但低于A點，執(zhí)行控制門電路繼續(xù)導通，水泵控制邏輯為“1”水泵繼續(xù)執(zhí)行注水動作；水位到達A點，執(zhí)行控制門電路截止，水泵控制邏輯為“0”，水泵停止注水；魚缸水量蒸發(fā)，水位降低，但水位低于A點高于B點，執(zhí)行控制門電路繼續(xù)截止，水泵控制邏輯為“0”，水泵無動作；直至水位下降至B點，執(zhí)行控制門電路再次導通，水泵控制邏輯為“1”，水泵再次執(zhí)行注水動作。

2.2 水位監(jiān)控實驗

表1為魚缸自動補水實驗參數和結果。

表1 魚缸自動補水實驗

首先，將水位探測電極A、B、C置于魚缸中，其中C置于缸底，B與A置于魚缸最低目標水位（下限水位）和最高目標水位（上限水位）。第一組實驗使魚缸水位低于最低水位，接通電路，控制電路接受檢測電極信息，輸出二極管點亮開始向魚缸補水。當水位達到B（下限水位）后繼續(xù)補水，直至升到上限水位，水泵停止。實際注水高度5厘米，注水量5升，用時30秒，水泵停止注水。

魚缸水量蒸發(fā)，水位下降，低于上限水位但高于下限水位，水泵停止，輸出二極管無顯示。當水位達到下限水位時，輸出二極管開啟，開始向魚缸補水，達到上限水位，水泵停止，實際注水高度2厘米，注水量2升，用時12秒，水泵停止注水。此后監(jiān)控電路把魚缸水位控制在上限水位與下限水位之間。

系統(tǒng)的控制精度不宜設置太高，實驗可知A、B兩個電極探針的高度差一般不低于2厘米，以保證系統(tǒng)在閾值內自動補水。

3 結語

設計的系統(tǒng)能實時監(jiān)測并控制魚缸水位，采用分立元件電路控制魚缸補水。設計的水位控制器生產成本低，實用價值大，在魚缸無人值守的環(huán)境下，能實現自動補水。實驗結果表明，采用的技術路線合理，設計方法可靠。

[1]李明偉，陳守雄.模糊液位控制器的設計與MATLAB仿真[J].自動化技術與應用，2006(6)：21-22.

[2]牛標，張代遠.可監(jiān)控智能液位控制器系統(tǒng)設計[J].計算機技術與發(fā)展，2010(7)：188-191.

[3]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科技出版社，2001：1-12.

責任編輯仇大勇

TU273.5

A

1674－5787（2017）03－0146－03

10.13887/j.cnki.jccee.2017（3）.38

2017-02-15

本文系重慶市教育科學規(guī)劃課題“高職學院多學科無紙化考試平臺建設與應用”（項目編號：2012-GX-188）的階段性研究成果。

王姍（1989—），女，在職碩士研究生，重慶電子工程職業(yè)學院，助教，研究方向：機電一體化與專業(yè)英語。