基于数字电路的水塔自动供水系统

宋志鹏 李明华

（1.南通职业大学技师学院，江苏 南通 226007；2.中煤科工集团常州自动化研究院，江苏 常州 213015）

引言

随着生产扩大及生活用水需求的增多，在部分工矿企业中水资源的消耗与管理正日益得到重视。例如在生产过程中需要使用大量的水，为了节约生产成本，这些企业常抽取江、河、湖中的水使用。在用水时通常需要先将水送到水塔中，使水塔中的水与地面管网中的水产生一定的落差，从而形成厂区内的生产用自来水。而老式的水塔存在着不能自动控制和效率低等诸多缺点，所以，本文中作者将介绍一款用数字电路来控制的水塔自动供水装置。

1 老式水塔供水存在的弊端及改进

由于水塔很高，水位高低不便于观察，水少供水则供水中断，水多则会溢出来。整个系统没有水位报警装置。若使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障。水泵在工作过程中，若产生故障则会停止供水，这将对生产带来极大的影响。

鉴于此，我们这款数字水塔供水系统对以上弊病进行了改进，它具有以下优点：

1.1 实现自动供水

当水塔处于低水区时，控制系统控制水泵实施供水，同时黄色指示灯亮起，蜂鸣器发出1KHZ的高音频报警信号。当水塔中的水量已超过低水位，进入正常水位后，控制系统使黄灯熄灭，绿灯亮起，同时蜂鸣器发出500KHZ的音频信号，水泵继续工作。当水塔中的水量已满，达到指定水位时，绿色指示灯熄灭，红色灯亮起。此时，蜂鸣器停止发生，水泵也停止供水。

1.2、双水泵交替工作

采取双水泵交替对水塔进行供水，其优点有：1）高温作业时对水泵的降温有利，2）如果其中一只水泵出现故障，另一只水泵也会自动工作，不会影响控制系统对水塔的正常供水。

1.3、调试、检修方便

为了方便对本系统进行调试和维护，在设计中设有手动供水和手动停止按钮。

2 数字电路水塔自动供水控制器设计方框图

3 数字电路水塔自动供水控制器控制原理

3.1 “低水区”控制原理

水位在传感器1位置以下区域为低水区。低水区范围在塔底至传感器1之间，一般以塔高的1/4为宜。IC4触发器处于通电后导通状态，由于VT2导通，并驱动继电器K2吸合，接通M2水泵电动机的电源回路，使得M2继续供水。

3.2 “正常区”控制原理

当水塔中的水位在传感器1位置以上与传感器2位置以下区域，为正常区。由于干簧传感器1的触点闭合促使IC2的相应输出点位发生改变，显示灯VD13亮起，IC3促使音频震荡持续工作。由于IC4各点电位没有发生改变，水泵电动机M2继续工作，为水塔继续供水。

3.3 "满水区"工作原理

当水位属于满水区时，干簧传感器2的触点闭合。IC2的各点点位发生改变，使得VT1截止，K1释放，M1水泵电动机停止运行。此时VT2也被迫截止，K2释放，M2水泵电动机停止工作。

4 硬件设计

该控制器的整个控制系统主要是采用了四块数字集成电路，分别为IC1、IC2、IC3和IC4。

IC1型号为CD4011，是一块四二输入与非门集成电路。在该控制系统中使用了其中两个与非门电路，组成一个音频信号发生器电路，用以产生500HZ音频信号或产生1KHZ音频信号，通过VT5推动蜂鸣器BL1发出音频提示音。

IC2型号为CD4069，是一块六与非门集成电路，也称为六反相器集成电路。在该控制系统中作A/D转换之用。IC2除了作A/D转换之外，同时还对传感器状态（水塔水位状态）进行状态显示。

IC3的型号为CD4060，是一块14位二进制串行计数器/分频器集成电路。振荡器部分由外接电阻和电容构成RC振荡器，也可以通过外接晶体构成高精度的晶体振荡器。CD4060还有一个公共的清零端C r，只要在C r端上加一个高电位或正脉冲，即可使计数器输出端全部为"0"低电平，并同时迫使振荡器停振。

IC3在该控制系统中作计时器之用，同时还对IC1组成的音频信号发生器实施控制。在水泵对水塔进行供水过程中，计数器开始计时，并控制音频信号发生器工作。计时器每计时20分钟，IC3就输出一个控制脉冲，通过IC4分别对VT1或VT2实施控制，最终使电动机M1与M2互换工作一次。

IC4的型号为CD4013，是一块双主－从D型触发器集成电路。在该控制系统中，IC4的时钟控制端受控于IC3的输出信号。控制系统通电后，IC4的初始状态为：负Q输出端输出高电位"1"、正Q输出端输出低电位"0"。此时，VT2导通，使继电器K1吸合，水泵M1工作。若在CP（时钟控制）端加一个正向控制信号，双稳态触发器就会翻转。使负Q端由高电位"1"变成"0"；而正Q端则由低电位"0"变成了高电位"1"。于是VT2截止、K2释放、M2停止工作；此时VT1导通、K1吸合、M1工作。若在CP（时钟控制）端再次加一个正向控制信号，双稳态触发器又会翻转，而输出状态却回到通电时的工作状态，如此循环。

系统中还设置了手动开、停控制按钮。当按下打水按钮S1，VT1和VT2同时得到高电位而导通，使继电器K1、K2同时吸合，电动机M1和M2同时工作打水。当按下停止按钮S2，VT1和VT2同时截止，K1、K2同时释放，M1、M2同时停止运行。手动开、停控制按钮的设立，方便了系统的调试、测试和检修。

结语

由于这款水塔自动控制器是基于数字电路设计的，所以比分立元件的控制电路具有更稳定、更可靠、故障率低等优点，而且使用的元器件也比较少，从而方便了控制系统的安装、调试和检修。

［1]黄培鑫.电子技术应用技能[M].北京：中国劳动和社会保障出版社，2006.

［2］朱春萍，脉冲与数字电路[M].北京：中国劳动和社会保障出版社，2003.6.