基于NE555的自動供水控制器設(shè)計

隨著社會建設(shè)的飛速發(fā)展，高樓林立，聳入云端，如何將源水送入高層，不間斷地向用戶輸送水質(zhì)、水量和水壓三方面都符合使用要求的水便是目前供水系統(tǒng)的主要任務(wù)。目前常采用的供水方式有水位供水、壓力供水和變頻供水等方式，其采用的供水設(shè)備控制箱多為強(qiáng)電控制方式，電路成本高、體積大，安裝費(fèi)工費(fèi)時，運(yùn)行噪聲大，維護(hù)不方便，控制功能單一，繼電保護(hù)功能不完善，信號采集實時性差，難以實現(xiàn)較高控制精度。本文針對以上問題以NE555集成電路為核心器件設(shè)計了一種自動供水控制器，利用電子電路的優(yōu)勢提高了控制的可靠性，完善了各種控制功能，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計降低了成本。
1 NE555集成電路
　555時基電路[1]是一種多用途的數(shù)字—模擬混合集成電路，它具有控制、觸發(fā)、電平檢測比較以及放電和輸出放大等功能，主要用于構(gòu)成信號產(chǎn)生電路、定時電路、報警電路和控制電路。由于使用靈活、方便，所以在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
　圖1是一種雙極型555定時器的電路結(jié)構(gòu)圖。它由兩個高精度電壓比較器、基本RS觸發(fā)器和集電極開路的放電三極管三部分組成。為了提高電路的帶負(fù)載能力，還在輸出端設(shè)置了緩沖器，增加驅(qū)動器的目的是使555電路的最大輸出電流可達(dá)200 mA，以便直接驅(qū)動繼電器、小電機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等負(fù)載。

2 控制器設(shè)計
　本文采用TI公司生產(chǎn)的NE555集成電路作為核心器件設(shè)計而成的控制器可配合壓力罐、水塔等供水設(shè)備使用。控制器集自動控制、電機(jī)保護(hù)、故障報警于一體，其性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全。
2.1 控制原理
　圖2給出控制器的控制原理方框圖。首先由供水控制電路起閉交流接觸器，從而使水泵運(yùn)行或停機(jī)。供水控制電路可由三種形式的控制信號接通：壓力控制的電接點(diǎn)壓力表，水位控制的水導(dǎo)電極，及儲水池限位控制。水泵運(yùn)行時，實時電流是否安全，通過檢測電路分別與過流、斷相保護(hù)電路門限值進(jìn)行比較作為正常運(yùn)行或保護(hù)的給定。電流表可直觀地顯示水泵運(yùn)行工作電流，當(dāng)水泵出現(xiàn)異常時，保護(hù)電路切斷給水控制電路，水泵停止運(yùn)行，同時發(fā)出報警。

2.2 控制電路
　水泵的運(yùn)行或停機(jī)由供水系統(tǒng)的壓力、水位檢測信號或人為的手動信號控制。手動控制方式下，由不同的啟動按鍵傳遞不同的控制信號觸發(fā)NE555的2、6引腳，使3腳輸出不同電平值驅(qū)動繼電器，起停交流接觸器，來控制水泵電機(jī)的工作。
　自動控制方式下，可通過不同的信號采集方式控制供水電路。圖3為控制器內(nèi)部設(shè)置的壓力和水位控制電路接線方式。如圖3(a)示，控制信號由電接點(diǎn)壓力表檢測獲得。①端連接高點(diǎn)校正針(上表針)、②端連接氣壓針(中表針)、③端連接低點(diǎn)校正針(下表針)。當(dāng)氣壓罐內(nèi)壓力低于下限設(shè)定值時，中表針和下表針接觸，NE555的3腳輸出高電平，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵向氣壓罐內(nèi)注水，壓力不斷增大，中表針上移離開下表針，并與上表針相碰后，NE555的輸出端電平翻轉(zhuǎn)，電機(jī)停止運(yùn)行。外界用水使罐內(nèi)壓力不斷下降，當(dāng)中表針和下表針再次相碰時，重復(fù)上述工作過程。如圖3(b)示，控制信號由三根導(dǎo)線組成的傳感器檢測獲得。①端為公共電極沉入水底，②、③端相連后連接上限位電極，④端連接下限位電極。當(dāng)水位落到下限電極以下時，②、④均懸空，②、③通過電阻R12接通電源的負(fù)極，集成電路2、6端低電平觸發(fā)，集成電路3腳輸出高電平，繼電器、接觸器通電，接通水泵向水塔或水箱內(nèi)注水，水位升高超過下電極后，電源Vcc由①端通過水電阻連接R14、R15，其分壓后約為Vcc/2加于2、6端，電路仍處于保持狀態(tài)，當(dāng)水位滿到上限電極時，①、②端通過水連通，2、6端電位高于2Vcc/3，3腳電平翻轉(zhuǎn)，繼電器、接觸器釋放，水泵電機(jī)停止工作。隨著外界用水，水位不斷下降，當(dāng)水位低于下限電極時，重復(fù)上述過程。

　以上兩種接線方式分別適用于氣壓罐自動供水系統(tǒng)和水塔水箱自動供水系統(tǒng)，用戶在使用時可根據(jù)自己需求選擇其中任意一種。
2.3 保護(hù)電路
　四運(yùn)放集成器件LM324[2]采用14腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。它具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。
　本文介紹的控制器的線路保護(hù)就是由一塊LM324配合交流互感器和相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成的，能準(zhǔn)確實現(xiàn)電路的斷相和過流判斷。其電路原理圖如圖4所示。

　電路保護(hù)原理：H為三只互感器，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時三只互感器均有感應(yīng)電壓輸出。產(chǎn)生的感應(yīng)電壓整定后加至集成運(yùn)放LM324-A的正相輸入端，其反相輸入端的電位是由R5、R5′分壓后取得，電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，LM324-A正相輸入端電位明顯高于反相輸入端，LM324-A輸出高電平。當(dāng)動力線L1斷相時H無輸出電壓。這時LM324-A的反相輸入端電位高于正相輸入端電位，輸出端由高電平轉(zhuǎn)為低電平。斷相執(zhí)行電路由KM切斷電機(jī)電源同時發(fā)出報警信號。L2、L3斷相后與之相同。
　電機(jī)正常運(yùn)行時，H的感應(yīng)電壓穩(wěn)定在某一數(shù)值上，由二極管D2等組成或門加在LM324-D反相輸入端，正相輸入端的電位由電阻R7、電位器R8的分壓得到。調(diào)整R8可使正相輸入端電位剛剛大于反相輸入端電位，LM324-D正常情況下輸出高電平。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行中因過載、阻轉(zhuǎn)、滯轉(zhuǎn)、工作電壓偏低等原因造成電機(jī)工作電流增大時，H的感應(yīng)電壓隨之增高，致使反相輸入端的電位高于正相輸入端，LM324-D翻轉(zhuǎn)輸出低電平，過流執(zhí)行電路切斷電機(jī)同時發(fā)出報警信號。
　為了保證整個供水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，除以上保護(hù)外，控制器還設(shè)有電流表直流放大電路、限位及報警電路[3]等。
　設(shè)計的自動供水控制器在實驗室安裝調(diào)配后，與電接點(diǎn)壓力表配合，可構(gòu)成壓力罐壓力自動控制系統(tǒng)；與三根水導(dǎo)電極配合，可構(gòu)成水塔水箱等水位自動控制系統(tǒng)；運(yùn)行演示具有儲水池?zé)o水停機(jī)、限位自保功能；具有電動機(jī)斷相保護(hù)功能，切斷時間t≤2 s，切斷后同時報警；具有電動機(jī)過流保護(hù)功能，切斷后同時報警、延時4~7 min自動復(fù)位。
　目前控制器投放本地市場，以其優(yōu)廉的價格，良好的性能受到廣大用戶的好評，有著廣闊的發(fā)展前景。
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