水位监测报警系统的设计.docx
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水位监测报警系统的设计
株洲师范高等专科学校物理与电子工程系毕业论文
水位监测报警系统
姓名:
秦雄
指导教师:
肖利君
专业:
应用电子技术
班级:
07级应用电子班
学号:
04207122
时间:
2020-5-5至2020-5-28
摘要
本水位监测报警器要紧目标是利用5V低压直流电源(也能够用3节5号电池代替)就能够够对5~15厘米的水位进行监测,用LED显示和数码管显示水位,并能够对再也不此范围内的水位发出报警。
要紧采纳CD406六、74LS8六、74LS3二、CD4511芯片,再加上数码管、蜂鸣器、发光二极管、电阻这些器件组成一个简单而灵敏的监测报警电路,操作简单,接通电源即可工作。
因为大部份电路采纳数字电路,因此本水位监测报警器还具有耗能低、准确性高的特点。
关键字:
译码电路,报警电路,监测电路
Abstract
Thewaterlevelalarmmonitoringtheuseof5Vlow-voltageDCpower(canalsousethreebatteriesreplacedonthe5th)willbeableto5to15centimetersofwaterlevelmonitoring,withLEDdisplayanddigitaldisplayofwaterlevel,andthiscannolongerWithinthescopeofawaterlevelalarm.MainlyCD4066,74LS86,74LS32,CD4511chips,coupledwithdigitalcontrol,buzzer,light-emittingdiode,theresistanceofthesedevicescomposedofasimpleandsensitivemonitoringalarmcircuits.Becausethemajorityofcircuitsusingdigitalcircuitry,sothewaterlevelmonitoredalarmsystemalsohaslowenergyconsumption,highaccuracyofthecharacteristics.
Keyword:
Decodingcircuitalarmcircuitmonitoringcircuit.
第1章绪论
现代传感技术、电子技术、运算机技术、自动操纵技术、信息处置技术和新工艺、新材料的进展为智能检测系统的进展带来了前所未有的奇迹。
在工业、国防、科研等许多应用领域,智能检测系统正发挥着愈来愈大的作用。
检测设备就像神经和感官,源源不断地向人类提供宏观与微观世界的各类信息,成为人们熟悉自然、改造自然的有力工具。
现代的广义智能检测系统应包括一切以运算机(单片机、PC机、工控机、系统机)为信息处置核心的检测设备。
因此,智能检测系统包括了信息获取、信息传送、信息处置和信息输出等多个硬、软件环节。
从某种程度上来讲,智能检测系统的进展水平表现了一个国家的科技和设计水平。
随着我国经济科技的不断进展,各类智能监测技术都取得长足进展,智能水位操纵在日常生活及工业领域中应用相当普遍,比如水塔、地下水、水电站等情形下的水位操纵。
而以往水位的检测是由人工完成的,值班人员全天候地对水位的转变进行监测,用有线及时把水位转变情形报知主控室。
然后主控室再开动电机进行给排水。
很显然上述重复性的工作不管从人员、时刻和资金上都将造成专门大的浪费。
同时也容易出过失。
因此随着自动化技术的进展,水位监测技术也取得了突飞猛进,为人们的生产生活带来了许多方便。
大到可用于水库、湖泊、水池水位的检测,小的能够用于鱼缸、锅炉水位等的检测。
水位检测能够有多种实现方式,如机械操纵、逻辑电路操纵、机电操纵等,在那个地址我选择了数模逻辑电路的方式来监测水位,利用水的导电性持续地全天候地测量水位的转变,把测量到的水位转变转换成相应的电信号,再通过整体电路,完成相应的水位显示操纵和报警功能。
具体设计内容如下:
第一,自己对系统的整体方案进行了设计,通过几天的试探论证,依照设计要求,本系统要紧由六个大的模块组成,别离是:
水位信号模块,信号转换模块,发光管显示模块,数码管显示模块,报警模块,编码模块。
整体方案设计好以后,然后自己别离对各模块的电路进行了分析与设计。
第一对水位信号模块的分析,考虑到分辨率要求不高和信号处置的难度,我决定采纳触点的方式,即在每一个水位点放置一个触点,当水位达到该触点时就可取得一个信号。
然后是对信号模块的分析选择,考虑到系统工作时的稳固性,决定利用CD4066双向模拟开关,把微弱的水位信号转换为稳固的电位信号。
最后关于编码模块和数码模块的选择,考虑到电路的靠得住性和各类芯片的经常使用程度,自己利用了异或门74LS86和或门74LS32组成一个特殊的编码电路对个位的数进行编码。
当对各模块分析选择完成以后,接下来确实是对系统中各要紧芯片的概述,自己通过查阅图书馆的资料和在网上搜集资料,别离对CD40066双向模拟开关芯片,CD4511显示译码器芯片,74LS32和74LS86芯片的各引脚功能进行了图表概述。
当做完这些工作以后,然后确实是对系统电路的设计。
第一是对水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块的电路设计(图)。
接下来是对数码管显示模块、报警模块、编码模块的电路设计(图)。
接下来确实是对系统的要紧工作原理的概述。
当以上工作完成以后,最后确实是对整个系统的做了一个简单调试,调试大体成功。
第2章整体方案
系统总方案设计
依照设计要求,本系统要紧由水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块、数码管显示模块、报警模块、编码模块等模块组成。
其系统方案框图如以下图所示:
图2.1.1系统方案方框图
各模块电路方案分析与设计
2.2.1水位信号模块的选择
方案1:
采纳电容的原理,用两块平行的长方形铜板作为电极放在水中,能够通过检测两电极间的电信号可知水位的转变情形。
优势:
结构简单、水位分辨率可大大提高;缺点:
容易受水质的阻碍产生误差,信号为模拟信号,不方便处置。
方案2:
采纳触点的方式,在每一个水位点放置一个触点,当水抵达该触点时就可取得一个信号。
优势:
灵敏度高、得出的时数字信号容易处置;缺点:
分辨率不行提高,分辨率越高触点越多,越难编码。
考虑到分辨率要求不高和信号处置的难度,排除干扰因素,采纳方案2。
2.2.2信号转换模块的选择
方案1:
利用三极管把微弱的水位信号放大以驱动其他模块的工作。
优势:
本钱低;缺点:
工作不够稳固,利用数量多。
方案2:
利用CD4066双向模拟开关,把微弱的水位信号引到CD4066的操纵端,CD4066的输入端都接电源,如此就能够把微弱的水位信号转换为稳固的电位信号。
优势:
工作稳固靠得住,便于集成化;缺点:
本钱高。
信号转换模块的工作阻碍的各个模块的正常工作采纳方案2。
2.2.3编码模块和数码显示模块的选择
方案1:
利用2块8—3线编码器组合组成16—4的编码电路,再通过一个显示译码器直接驱动数码管显示。
优势:
电路结构简单;缺点:
要编码的信号不够16个,造成浪费,显示译码器不行找。
方案2:
利用异或门74LS86和或门74LS32组成一个特殊的编码电路对个位的数进行编码,当水位高于10厘米时,十厘米信号直接驱动十位数码管显示“1”,在经CD4511显示译码器驱动个位数码管显示。
(详细个位编码见附录)优势:
电路靠得住,稳固;缺点:
电路较复杂。
由于74LS8六、74LS3二、CD4511都是经常使用的电子芯片,因此采纳了方案2
.
第3章系统的芯片概述
3.1CD4066双向模拟开关芯片的介绍
3CD4066芯片的内部结构
图3.1.1CD4066芯片的内部结构方框图
3.1.2CD4066芯片的引脚功能
CD4066是四双向模拟开关,要紧用作模拟或数字信号的多路传输。
引出端排列与CC4016一致,但具有比较低的导通阻抗。
另外,导通阻抗在整个输入信号范围内大体不变。
CD4066由四个彼此独立的双向开关组成,每一个开关有一个操纵信号,开关中的p和n器件在操纵信号作用下同时开关。
这种结构排除开关晶体管阈值电压随输入信号的转变,因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。
与单通道开关相较,具有输入信号峰值电压范围等于电源电压和在输入信号范围内导通阻抗比较稳固等优势。
但假设应用于采保,仍推荐CD4016。
当模拟开关的电源电压采用双电源时,例如=﹢5V,=﹣5V(均对地0V而言),则输入电压对称于0V的正、负信号电压(﹢5V~﹣5V)均能传输。
这时要求控制信号C=“1”为+5V,C=“0”为-5V,否那么只能传输正极性的信号电压。
CD4066芯片的引脚功能图如下
图3.1.2CD4066引脚散布图
.CD4511显示译码器的芯片介绍
ICCD4511是一个用来驱动共阴极LED(数码管)BCD码-七段码译码器
图3.2.1与真值表图所示,其各引脚功能如下:
LT:
做灯用,当LT=0,则不论其它输入状态为何,其输出abcdefg=1111111,
使七段显示器全亮,即显示8,以便观测七段显示器是否正常。
当LT=1,则正
常解码。
BI:
空白输入控制,当BI=0(LT为1时) DCBA之输入为何,其输出abcdefg
皆为0,即七段显示器完全不亮,此脚可供使用者控制仅对有效数据译码,避免
在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。
LE:
数据栓锁致能控制;在CD4511中,不但具译码功能,更具有数据栓锁的记忆功
能。
当LE=0时(LT=1且BI=1),DCBA数据会被送入IC的缓存器中保存,以供
译码器码;当LE=1时,则IC中的暂存器会关闭,仅保存原来在LE=0时的DCBA
数据供译码器译码。
换句话说当LE=1时,不论DCBA的输入数据为何,皆不影响其输出,其输出abcdefg仍保留原来在LE由0转为1以前的资料。
图3.2.1CD4511引脚功能图
INPUT
OUTPUT
LE
BI
LI
DCRA
Abcdefg
DISPLAY
X
X
0
XXXX
1111111
8
X
0
1
XXXX
0000000
BLANK
0
1
1
0000
1111110
0
0
1
1
0001
0110000
1
0
1
1
0010
1101001
2
0
1
1
0011
1111001
3
0
1
1
0100
0110011
4
0
1
1
0101
1011011
5
0
1
1
0110
0011111
6
0
1
1
0111
1110000
7
0
1
1
1000
1111111
8
0
1
1
1001
1110011
9
0
1
1
1010
0000000
BLANK
0
1
1
1011
0000000
BLANK
0
1
1
1100
0000000
BLANK
0
1
1
1101
0000000
BLANK
0
1
1
1110
0000000
BLANK
0
1
1
1111
0000000
BLANK
1
1
1
XXXX
*
*
表CD4511真值表
74LS32和74LS86芯片的分析
374LS32和74LS86芯片的内部方框图
图3.3.174LS32芯片内部结构方框图
图3.3.274LS86芯片内部结构方框图
74LS32芯片的引脚功能介绍
74LS32是通用数字电路:
四2输入或门。
Y=A+B
以集成块的一侧有缺口的为左起:
左下1--1A,2--1B,
3--1Y;4--2A,5--2B,6--2Y;7--GND;
右起:
右上8—Y3,9--3A,10—B3;11—Y4,12--A4,
13—B4;14--VCC
其中A,B为输入端,Y为输出端,GND为电源负极,VCC为电源正极
74LS86是经常使用的TTL2输入端四异或门,在数字电路中经常使用。
它的电源电压是—,能与7486,CT4086,DG74LS86,LH74LS86等元件互换。
第4章系统电路设计
水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块电路设计
4.1.1三模块要紧设计电路图
图4.1.1三模块要紧设计电路图
4.1.2电路工作原理
左端的P1是水位触点,由一个VCC和11个触点组成,用水的导电性,让接触到水的触点出高电位;
U1~U3是CD4066双向模拟开关,将微弱的信号进行转换;
R12~R22是下拉电阻,用于水位没到管脚悬空时CD4066输入端的处置,R1~R11时发光二极管的限流电阻;
P2是数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接口。
与P1相较多了13脚,其直接从10厘米水位信号引出用于驱动十位的数码管显示。
数码管显示模块、报警模块、编码模块电路设计
4.2.1三模块要紧设计电路图
4.2.1三模块要紧设计电路图
4.2.2电路工作原理
P1是连接水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块的接口;
R1~R11是编码模块的下拉电阻,应为CD4066是一个双向虚拟开关,当它断开时编码模块的管脚相当与悬空会引发逻辑混乱,因此加了下拉电阻。
个位的编码电路与报警电路共用74LS86和74LS32芯片,这也是设计是将它们放到同一块板上的缘故之一。
与个位编码电路相连的是CD4511显示编码器直接驱动个位数码管显示。
系统总电路图及工作原理
图4.3.1系统总电路图
上面的仿真图中J一、J2相当于放置在水中的触点(已含下拉电阻),以获取不同水位的信号,将信号引到CD4066,CD4066芯片是一种双向模拟开关,在集成电路内有4个独立的能操纵数字及模拟信号传送的模拟开关。
当触点没接触水的时候由470K电阻的下拉作用使的四个开关的操纵端为低电平,开关断开。
可是当触点接触到水时候,由于水的导电性,使的四个开关导通。
随着水位的升高,CD4066中的虚拟开关逐个开启,把通过水出来后的微弱信号转换成与电源电压相同的电位信号,以驱动发光二极管显示当前水位,水上升到那,对应的发光二极管就发光。
将CD4066的5厘米水位的对位信号引到一个异或门的一个脚上,其另外一个脚接高电平,使得5厘米的水位信号反向输出,方向输出的信号再和10厘米水位对应的CD4066的信号通过一或门由三极管放大以后驱动蜂鸣器报警。
数码管显示模块的信号也是来自CD4066,分为十位和个位的显示,由于水位高过10厘米后,10厘米的触点一直在水中,对应的CD4066的10厘米信号也一直处于高电位,因此只需将CD4066对应的10厘米处信号接到十位数码管的bc段以显示“1”,无需编码就可实现十位显示而且十分靠得住。
而个位的显示需要通过由74LS86和74LS32组成的特殊的编码电路后再经CD4511显示译码器驱动个位的数码管显示。
(详细个位编码见附录)
第5章系统调试
调试工具:
(1)万用表
(2)5V直流电源
(3)水槽
调试环境:
(1)地址:
实验室
(2)室温:
28℃
测试进程:
第一将水位触点放置在水槽中,再利用5V电源接通电路,现在听到“嘀”的报警声,第五、六、九、11号LED发光,数码管显示“7”。
此结果与估量的不符,断开数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接,使电路易于检测,这时看到LED全灭,符合估量结果,接着向水槽内加水,LED逐个亮起,用万用表测量了LED工作电压和信号输出口的工作电压5V,证明水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块没问题。
再把数码管显示模块、报警模块、编码模块连接上,以检查此模块的错误,连上时立刻又显现适才的错误,用万用表测量与水位信号模块、信号转换模块、发光管显示模块的接口发觉有4个接口的电位与估量不符,就疑心是不是CMOS与TTL不兼容的问题。
测试到这便进行不下去了。
以后又想CD4066是个虚拟开关,不该该有什么问题,又上网查资料,并对此用电子实验箱做了专项的模拟实验,发觉什么问题都没有,与估量结果完全相同。
后来又对数码管显示模块、报警模块、编码模块的连接进行认真的检查,最后才发觉原先是芯片的管脚连接不对,输入信号连接再了芯片的输出端上。
于是自己再从头做了一块新板,问题解决了。
再用万用表测量芯片工作电压(低电位、高电位)工作正常了。
最后再次用整体检测水位,当水位低于5厘米时,LED全灭,蜂鸣器发出“嘀”的声音,数码管显示“0”,随着水位的升高蜂鸣器停止发声,LED逐个亮起,数码管对应显示“5~14”,当水位抵达15厘米时红色的LED亮起,数码管显示“15”,蜂鸣器发声报警,达到了估量的结果,调试圆满终止。
总结
随着毕业日子的到来,毕业设计也接近了尾声。
通过几周的奋战咱们的毕业设计终于完成了。
在没有做毕业设计以前感觉毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结,可是通过这次做毕业设计发觉自己的观点有点太片面。
毕业设计不仅是对前面所学知识的一种查验,而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次毕业设计使我明白了自己原先知识还比较欠缺。
自己要学习的东西还太多,以前老是感觉自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。
通过这次毕业设计,咱们才明白学习是一个长期积存的进程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,尽力提高自己知识和综合素养。
这次设计自己在理论上、仿真上都很成功,可是在实际的调试进程中显示部份却显现了问题。
缘故是芯片的封装与设计时的不同,结果引发显示部份个芯片管脚的电位混乱,再处置这些问题时自己显的不平复,显现很多没必要的错误,因设计进程中花费了大量时刻,因此没有足够的时刻调试和改良,这让自己知道了,做任何学问都要一丝不苟,对显现的任何问题和误差都不能轻视,要通过正确的途径区解决,做情形的时候要有耐心和毅力,不要一碰到困难就打退堂鼓,只要坚持下去就能够找到解决问题的思路和方法,在工作中要学会与人合作,认真听取他人的意见,如此做事也会事半功倍。
固然整个实验进程中自己也收成颇多,对电路的设计有一大致的了解并能自己动手完成一些简单的电路设计、制板及调试的进程,极大地提高了自己的动手能力,也让自己懂的了实践才是查验真理的唯一标准,固然也是查验学习功效的标准。
在通过一段时刻的学习以后,咱们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中,因为任何知识都源于实践,归于实践,因此要将所学的知识在实践中来查验。
这次毕业设计的完成既为大学划上了一个完美的句号,脚踏实地,认真严谨,实事求是的学习态度,不怕困难,坚持不懈,吃苦耐劳的精神是我在这次毕业设计中的最大收益。
我想这是一次意志的考验,是对我实际能力的一次提升,会对我以后的学习和工作有专门大帮忙,也是为以后的人一辈子做了一个专门好的铺垫。
参考文献
1中国电子技术网.
2康华光.《电子技术基础》模拟部份(第五版)2006年1月第5版,北京:
高等教育出版社.
3康华光.《电子技术基础》数字部份(第五版)2006年1月第5版,北京:
高等教育出版社.
4李小坚.赵山林.冯晓君.龙怀冰.《ProtelDXP电路设计与制版利用教程》(第2版)2020年2月第2版,北京:
人民邮电出版社.
5志刚.吴海彬.《ProtelDXP利用教程》北京:
清华大学出版社2004.
6胡宴如.耿苏燕.《高频电子线路》2004年12月第1版,北京:
高等教育出版社.
7原著:
邱关源.修订:
罗先觉.《电路》(第5版)2006年5月第5版,北京:
高等教育出版社.
致谢
这次毕业设计取得了很多教师、同窗和同事的帮忙,其中我的导师肖利君教师对我的关切和支持尤其重要,每次碰到难题,我最先做的确实是向肖教师寻求帮忙,而肖教师每次不管忙或闲,总会抽暇来给咱们大伙儿上课面谈,然后一路商量解决的方法。
在那个地址再次谢谢肖教师,肖教师您辛苦了!
感激在整个毕业设计期间和我紧密合作的伍远露、陈相、高阳、王益南等同窗,专门是伍远露同窗,他在本次设计中给予我的无私帮忙和厚爱,不只一次地帮忙我,倾尽了他的所有心血给我提供技术上的指导,在那个地址再次谢谢伍远露同窗,伍远露同窗你辛苦了!
和曾经在方方面面给予过我帮忙的兄弟们,在大学生活即将终止的最后的日子里,咱们再一次演绎了团结合作的童话,把一个比较复杂的,从来没有上手的课题,圆满地完成了。
正是因为有了你们的帮忙,才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识,更让我感觉到了知识之外的东西,那确实是团结的力量。
“不积跬步无以至千里”,这次毕业论文能够最终顺利完成,归功于列位任课教师三年间的认真负责,使我能够专门好的把握专业知识,并在毕业论文中得以表现。
也正是你们长期不懈的支持和帮忙才使得我的毕业论文最终顺利完成。
最后,向湖南工业大学物理与电子工程系的全部教师们再次表示衷心感激:
谢谢你们,谢谢你们三年的辛勤栽培!
附录
附录1
水位信号
对应的个位数
BCD码
D
C
B
A
00000000001
5
0
1
0
1
00000000011
6
0
1
1
0
00000000111
7
0
1
1
1
00000001111
8
1
0
0
0
00000011111
9
1
0
0
1
00000111111
0
0
0
0
0
00001111111
1
0
0
0
1
000
2
0
0
1
0
001
3
0
0
1
1
011
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
由于水位信号从00000000001~是积存增加的,个位的数由5~9再由0~5,BCD码分为ABCD四列,A列为1和0的交替转变,可对应水位信号单个“1”是出“1”,双个“1”出“0”,因此用5个异或门和5个或门组成A位编码,B列依照“0”和“1”的转变,从“0”变到“1”时,“1”的信号接异或门门的一个脚,再由“1”变到“0”时,“0”的信号接同一个异或门的另外一个脚,再把B列中的所有异或门用或门连起来组成B位的编码,C、D列的接法与B列相同。
从而得出个位的特殊编码电路。
附录2
- 配套讲稿:
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- 水位 监测 报警 系统 设计