一種用數(shù)字電路設(shè)計(jì)的水傳感器

俞建軍

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州，310053)

0 引言

市場上關(guān)于涉水檢測的方法及設(shè)備有多種，各有千秋，各有特定的應(yīng)用場合[1]。論文介紹一種性能可靠，應(yīng)用方便的水傳感器，這是一種用數(shù)字電路設(shè)計(jì)的水傳感器，具有報(bào)警器的功能，是一種能夠發(fā)出“嘩！嘩！嘩！”間斷聲的電路。

水傳感器中必須產(chǎn)生能夠使蜂鳴器發(fā)出聲音的振蕩聲，就是說必須能夠產(chǎn)生出人耳能夠聽得到的音頻，該音頻的頻率與RC振蕩器的頻率相同，RC振蕩器的阻容值與水聲“嘩”的音頻頻率匹配。

電路使用了兩個(gè)RC振蕩器來完成這種功能。一個(gè)是發(fā)出“嘩—”這種連續(xù)水聲的振蕩器,另一個(gè)是使聲音間斷的振蕩器。水傳感器可每隔0.5秒發(fā)出“嘩！嘩！嘩！”的聲音，是因?yàn)槭孤曇糸g斷的振蕩器每隔0.5秒發(fā)生一次“0”和“1”的交變輸出，由與非門將這兩個(gè)振蕩器的輸出混合，當(dāng)與非門的一個(gè)輸入端為“1”時(shí)，它具有將另一個(gè)輸入反轉(zhuǎn)輸出的作用，所以每隔 0.5 秒重復(fù)“0”和“1”, 在“1”的期間發(fā)出“嘩”的聲音。

水傳感器的工作利用了水導(dǎo)電時(shí)的阻值。根據(jù)水的電阻與1MΩ下拉電阻的分壓比來決定是否發(fā)出聲音。該傳感器裝置采用3V電池作電源，當(dāng)把傳感器探頭部分直接短路時(shí)，如果發(fā)出“嘩！嘩！嘩！”的聲音就表明制作成功。

1 水傳感器總體構(gòu)成

圖1 水傳感器總體框圖

所謂水傳感器就是當(dāng)電路中的某一處布線被水的電阻值短接時(shí)，傳感器的蜂鳴器就會發(fā)聲報(bào)警。該水傳感器由以下五部分組成：探頭觸發(fā)部分，振蕩電路部分，門控部分，揚(yáng)聲器驅(qū)動部分及電源部分等，圖中箭頭表示電源分布情況和信號流向。圖2是水傳感器的電路圖。使用的集成芯片是74HC00（4個(gè)2輸入的與非門），使用兩個(gè)這種集成芯片產(chǎn)生蜂鳴聲。電路結(jié)構(gòu)中有基本的RC振蕩電路，振蕩信號通過的門電路，揚(yáng)聲器驅(qū)動電路等。

圖2 水傳感器的電路圖

2 水傳感器的具體電路設(shè)計(jì)

2.1 振蕩電路部分

圖2中，每個(gè)振蕩電路部分由3個(gè)2輸入與非門和2個(gè)電阻和及1個(gè)電容器組成，1個(gè)集成芯片74HC00包含4個(gè)2輸入與非門，拿出3個(gè)用于振蕩電路部分，第4個(gè)與非門用于門控部分，電源是2個(gè)串聯(lián)起來的1.5V電池，作為3V電源使用。

使用的數(shù)字芯片是有4個(gè)2輸入與非門的74HC00芯片，單個(gè)2輸入與非門的兩個(gè)引腳之間已經(jīng)相互連接起來了，所以兩個(gè)輸入端輸入相同的信號，在動作上只產(chǎn)生“0”與“0”以及“1”與“1”的組合，這種情況下與非門的動作就是輸入的反轉(zhuǎn)，即與反相器的動作相同。若用3個(gè)反相器、兩個(gè)電阻及一個(gè)電容就可構(gòu)成振蕩器電路，這種電路叫做RC振蕩電路，原始的RC振蕩電路由集成芯片74HC04反相器構(gòu)成[2]，見圖3。

圖3 反相器74HC04構(gòu)成的RC振蕩電路

圖2中，水傳感器共有兩個(gè)振蕩電路部分，分為振蕩電路部分（一）和振蕩電路部分（二），振蕩電路部分（一）由與非門U1A、U1B、U1D，電阻R1、R2及電容C2構(gòu)成，U1B和U1D因兩輸入引腳短接，變成反相器，U1A是否變成反相器由其輸入引腳1決定，若引腳1是電平信號“1”，U1A的輸入引腳2和輸出引腳“3”邏輯“反相”，構(gòu)成反相器，振蕩電路工作，若引腳1為電平信號“0”，振蕩電路部分被封鎖，不產(chǎn)生振蕩信號。與非門U1A的輸入引腳1接水傳感器的探頭，振蕩電路部分（一）是否振蕩工作由水傳感器的探頭信號決定。電阻R2并聯(lián)接在振蕩電路部分（一）的輸入和輸出之間，電阻R2和電容C2一起決定振蕩電路部分（一）的振蕩頻率，振蕩頻率為1/1.4R2C2，該頻率是水聲“嘩”的音頻頻率。電阻R1接在U1A的輸入引腳2，起限流保護(hù)作用。

圖2中，振蕩電路部分（二）由與非門U2A、U2B、U2D，電阻R4、R5及電容C4構(gòu)成，其工作原理與振蕩電路部分（一）類似，其振蕩頻率由R5和C4決定，振蕩頻率為1/1.4R5C4，該頻率是水聲“嘩”間斷的頻率，該水聲間斷頻率遠(yuǎn)小于水聲“嘩”的音頻頻率。

2.2 門控電路部分

圖2中，門控部分的作用是根據(jù)振蕩電路（二）變化的電平信號決定是否把振蕩電路（一）的振蕩信號輸出給揚(yáng)聲器驅(qū)動部分，顧名思義，它具有門控的作用。2輸入與非門U1C構(gòu)成門控部分，其輸入引腳9是振蕩電路部分（一）的振蕩信號，該信號是否輸出由輸入引腳10決定，若引腳10為高電平“1”則可輸出，若引腳10為低電平“0”則振蕩電路部分（一）的振蕩信號被封鎖，所以振蕩電路部分（一）的音頻信號通過門控部分的輸出將時(shí)斷時(shí)續(xù)。

圖2中，揚(yáng)聲器驅(qū)動部分的作用是對通過門控的信號進(jìn)行放大并且作為聲音能夠從揚(yáng)聲器發(fā)出。由于數(shù)字集成芯片的輸岀只有“1”和“0”兩種，所以所謂放大就是強(qiáng)化這兩種狀態(tài)，通常用一對互補(bǔ)的三極管Q1和Q2來工作，Q1是NPN晶體三極管8050，Q2是PNP晶體三極管8550，該放大電路是一種對振蕩頻率交變信號的放大。LS1是功率約100mW，電阻約8～32Ω的小型揚(yáng)聲器。

2.3 探頭觸發(fā)部分

圖2中，探頭觸發(fā)部分由電容C1，下拉電阻R6及傳感器探頭組成，如果探頭沒有接觸水，因下拉電阻的作用，與非門U1A和U2A的1號管腳為電平“0”，振蕩電路部分被封鎖，不振蕩；如果水傳感器的探頭沾水，發(fā)生短接現(xiàn)象，短接電阻和下拉電阻R6對3V電源分壓，分壓電平接入U(xiǎn)1A和U2A的1號管腳，若探頭短接電阻的阻值小于下拉電阻R6的阻值（1MΩ），那么與非門U1A和U2A的1號管腳變?yōu)椤?”，振蕩電路部分就開始振蕩。

2.4 低耗電設(shè)計(jì)

圖2中，電源部分采用由兩節(jié)1.5V干電池組成的電源，振蕩電路部分和揚(yáng)聲器驅(qū)動部分平時(shí)在傳感器不涉水時(shí)不工作，整個(gè)電路只消耗極小的漏電路，只有在傳感器探頭沾水，電路振蕩報(bào)警時(shí)才消耗較大電流，該電路具有節(jié)電功能，電源部分待機(jī)使用時(shí)間較長。

2.5 傳感器探頭的制作

圖4是水傳感器探頭工作的原理，該探頭遇水即導(dǎo)通，產(chǎn)生分壓電阻，是一種導(dǎo)通傳感器，導(dǎo)通傳感器是檢測布線之間是否相互接觸的電路，工作原理很簡單，只是在布線接觸時(shí)將通常處于“0”（通過下拉電阻的地電位）的門電路的輸入變?yōu)椤?”（電源電壓的+3V）就可以了。

圖4 水傳感器探頭的工作原理

圖5是傳感器探頭的制作方法，在確認(rèn)電路的正確動作之后，應(yīng)制作相應(yīng)的探頭，水傳感器探頭屬導(dǎo)通觸發(fā)類型，所以制作起來很方便。降雨傳感器探頭是在比較寬的基板(5cmX10cm)上刻岀叉指狀的電極條，這個(gè)傳感器探頭使用的基板的整個(gè)面上敷有一層銅箔,引線不能短路，也可以采用把銅箔貼在基板上的方法,電極的間隙約3mm。浴池水位檢測器的探頭是把兩根硬引線直接插到欲檢測的水面上，水位上來時(shí)，兩根接觸水的導(dǎo)線導(dǎo)通，兩根引線的前端裸露觸水部分是檢測水位的探頭。

圖5 雨水傳感器探頭的制作方法

3 結(jié)論

水傳感器只使用了兩個(gè)數(shù)字集成芯片,所以部件的數(shù)目簡潔，應(yīng)用方便。水傳感器采用2輸入與非門74HC00芯片是為了控制方便，一是可由與探頭相連的與非門來控制振蕩電路部分是否工作，二是可由門控部分的與非門來控制振蕩信號是否輸出。如果振蕩部分一直在工作著,就有電源提供的電流流過，所以我們要對原先由反相器構(gòu)成的振蕩電路進(jìn)行改良,使它兼有振蕩部分的功能和控制振蕩的功能，進(jìn)行這個(gè)改良的目的是減少待機(jī)時(shí)（不發(fā)聲時(shí)）的電流。

水傳感器的振蕩電路部分，2輸入與非門U1A和U2A的兩個(gè)輸入引腳都沒有直接連接在一起，它是利用振蕩電路中的門U1A和U2A來控制振蕩部分的工作。與非門U1A和U2A的1號管腳是它的控制輸入，為“1”時(shí)振蕩，為“0”時(shí)停止。U1A和U2A的1號管腳接水傳感器的探頭，是否振蕩由探頭電平?jīng)Q定。振蕩停止（待機(jī)）時(shí)的電流基本上只是集成芯片的漏電流，所以圖2的電路作為水傳感器電路非常適合于待機(jī)狀態(tài)長的應(yīng)用場合。

工業(yè)上使用的水位傳感器有多種，大多采用微機(jī)控制系統(tǒng)[3]，汽車上也有各種涉水傳感器[4-5]，有的可遠(yuǎn)程報(bào)警，這些傳感器系統(tǒng)都較復(fù)雜，成本較高，安裝和使用需要一定的條件，論文介紹的水傳感器可檢測水的有無，簡便易用，耗電省，使用時(shí)間長，可作為降雨檢測器和浴池水位檢測器使用。