水位报警器的几种电路比较

夏天喜

[摘 要]：从实用性和经济性出发，在实验的基础上，本文对四种简单的水位报警器电路进行了比较，其中第一种只能够简单的水满报警，该报警器结构简单，价格便宜，维护方便；第二种能够指示水位的位置，并实现报警功能，该电路设计比较简单，造价便宜，可用LED可简单指示水位；第三种不仅能实现报警功能，还能实现水位自动控制，而且还有自动保护功能；第四种水位报警器由于传感器流经的是交流电，可防止探头的氧化，增强可靠性。

[关键词]：报警器 控制电路 自动保护 交流检测 水位指示

water level alarm apparatus circuits comparison

Abstract：this paper introduced four kinds of alarm apparatus for water level alarm. The first apparatus can alarm when they are filled with water. It is simple，inexpensive，and maintenance conviently；The second kind can indicate the position of water and the circuit is very simple and cheap，and it can indicate the water level by LED. The third kind can not only alarm，but also control the position of water automatically；As a result of using AC for sensor，the fourth apparatus can prevent sensor oxidation，enhancing reliability.

Key Words：alarm apparatus；control circuit；automatic protection；AC detect；water level indication

在日常生活和工业生产中，水位报警控制装置有着广泛的应用，如水塔、楼房水箱等。水位控制装置的形式有很多种，浮子开关式、行程开关式、电节点式、压力式、电子式、微机式等。这些装置或多或少地存在一些缺点：浮子开关式采用机械结构，维护起来不方便；微机式控制装置，虽然操作方便，但造价较昂贵等。本文从实用性和经济性出发，对四种简单报警电路进行了比较。这几种装置结构简单、维护方便、工作可靠、性能价格比比较优良，有的还提供了自动报警、自动保护等功能，在多种场合下均可采用。水位报警器，其中电路设计是最关键的部分，电路设计又要求结构简单，功能齐全，使用方便，造价便宜等。

1.简单水位报警电路

1.1.报警电路

感应水位信号传感器是必须选择的元件，当水位没有到限时，没有信号通过；水位到限时，由于水的导电性，有电流通过，T1基极接电源。选择一个复合管来（也称达林顿管）对感应信号进行放大输出，使它输入到报警电路。在电子学电路设计中，达林顿接法常用于功率放大器和稳压电源中。达林顿电路有四种接法：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP，PNP+NPN。有同极接法和异极接法。电路中用一个功率放大电路来带动喇叭，当电信号通过电路时，带动喇叭发声。电路选择电容对电路进行保护。三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，晶体三极管有NPN和PNP两种结构形式，在此电路中三极管还起到开关作用[1]。

电路如图1所示：

图1 简单水位报警电路

Fig1 simple water level alarm circuit

1.2.工作原理

这套装置是依靠水的导电性，以电极传感器为介质，利用晶体管的开关特性来控制电路。当水位低于电极传感器位置时，电路不导通，处于不工作状态；当水位淹没电极传感器，由于水的导电性，三极管获基极电流导通，电路由T1、T2、R、C构成振荡器产生振荡，喇叭发出声音报警[2]。

2.能够指示水位的报警电路

2.1.电路设计

该水位报警器不但要能实现水的报警功能，还要能实现指示出水的位置，分别是四分之一、二分之一、四分之三和水满四处位置。实现该功能选择CD4066芯片作为主要部件，CD4066芯片结构图如图2所示[3]。

图2 CD4066芯片

Fig2 CD4066 Chip

CD4066具有较低之导通电阻，用于数字或模拟信号的开关、切换等。IC内部四组开关分开独立，一组开关有三只引脚组成，当控制电平为低电平时，另外两脚的电阻处于开路状态，电阻高达数十兆以上；当控制脚为高电平时，另外两脚的电阻相当于短路状态，电阻低到几百欧或几百欧以下。其中，5、6、12、13脚是控制脚；1、3、9、11；2、4、8、10脚为输入输出脚。

电路中用一个开关来连通一个水位的显示，这样就能够完成水位的指示报警功能。

选择发光二极管接入电路中，显示电路的导通与断开，同时显示水位的位置。发光二极管它具有一般P-N接的I-V特性，即正向导通，反向截止特性。此外，它在导通时发光，截止时不发光。报警功能由一个三极管接上蜂鸣器来实现，三极管起到放大信号的作用[4]。同时在各支路中接入电阻，起到保护电路的作用。

电路如图3所示[5]：

图3 水位指示及报警电路

Fig3 water level indication and alarm circuit

2.2.工作原理

该电路不仅能提供水位指示，还能在水满时发出报警声。该电路由一片四双向模拟开关集成电路CD4066为核心构成。当水箱无水时，由于180千欧电阻的作用，使4个开关的控制端为低电平，开关断开，LED均不发光。随着水位的增加，由于水的导电特性，故使得IC的13引脚为高电平，S1接通，LED1点亮。当水位逐渐增加时，LED依次发光指示水位。水满时，LED4发光，显示水满。同时VT1导通，B发出报警声，指示水已满。不需要报警声时，断开开始SA即可。

该电路利用水的导电性，采用CD4066芯片作为处理芯片，该芯片有四组开关，所以该电路能够指出四位水位，如果要将电路扩充成8位，可增加1片CD4066，将原来的4个电阻、二极管扩充为8个。若要显示等级，可从8个二极管负极引出，经编码接74LS47字符译码器，再接七段数码器便可显示水位等级；并且能够实现水满报警功能，电路中只用LED可简单指示水位，本电路可在一些要求不高的场合使用。

3.自控自保水位报警电路

3.1. 工作原理

这套装置是依靠水的导电性，以电极传感器为介质，利用晶体管的开关特性来控制水泵电机工作。其原理如图4所示。

图4 水位报警器装置示意图

Fig4 Water level alarm apparatus schematic diagram

水位自动控制的基本原理是：当加水信号通过下限传感器传入控制电路时，电机电源接通，控制水泵加水；当水位到达上限时，由上限传感器将信号传给控制电路，电机电源断开，停止供水；当水位再回到下限时，电机电源再次接通，水泵工作，电路中控制电路部分是解决问题的关键所在。

3.2. 控制电路的实现

该电路由降压稳压回路和自动控制回路组成。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生急剧变化的元件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大的电流，是一个电动开关[6]。电路中7812是三端稳压输出芯片，输出直流电压12V，提供报警电路工作电压。

图5 水位自动控制装置电路图[7]

Fig5 Of water level automatic control circuit

说明：A——下限水位传感器 B——自保传感器

C——上限水位传感器 D——警戒水位传感器

水泵电机开关由继电器K2的常开触点控制

3.2.1.控制回路

当电源接通时，由于水位在下限水位传感器A以下，晶体管VT1 不导通，故电流不能通过VT1支路，继电器K1不工作；常闭触点K11闭合，晶体管VT2通过获得基极电流而导通，继电器K2用于控制电机的常开触点闭合，控制电机向水池加水；当水位上升至上限水位C时，VT1获得基极电流而导通，继电器K1工作，常闭触点K11断开，继电器K2支路断路，K2控制电机停止供水。

3.2.2.自动保护电路

在图5中，电路中有一条自保传感器支路和一个常开触点K12，这个设计非常重要。当容器中的水到达上限C时，K2支路断开，水位下降。若没有自保传感器支路，当水位离开上限C时，VT1支路断开而导致继电器K1不工作，K11闭合，K2支路导通工作，K2常开触点闭合，电机电源接通，水泵加水。而后，水位又立即上升到上限C，K1支路接通工作，K2路断开，电机电源断开。若没有自保传感器支路，水位在上限水位C处循环，有了自保传感器支路，直到水位到达A点以下才会加水，延长了器件的使用寿命。

3.2.3.报警电路

当出现意外情况时，水位一直上升到警戒水位D，报警器支路接通，用信号灯发出信号，指示水已到达警戒水位，发出警报，电路中的信号灯，按照实际的需要，可以改用蜂鸣器来代替。

在VT2基极串联了一个滑动触点电位器和一个固定电阻，可以根据水位差的多少调节滑动变阻器，使晶体管工作稳定；同时也起到保护晶体管的作用。

4.交流检测水位报警器

4.1.电路分析

图6所示水位报警器，电路用桥式整流对电路电压进行整流滤波后，再输入电路作为工作电压。经整流后，再通过L7809三端稳压集成电路稳压后作为工作电压[8]。

电路图如图6所示[9]：

图6 交流检测水位报警电路

Fig6 AC testing water level alarm circuit

4.2.工作原理

电路中用电容进行滤波；接通电源后，电流经降压、整流、滤波后，一路经R1点亮发光管LED1，作为电源指示；T1、T2组成自激振荡电路，它的输出流经传感器。若传感器被水浸湿，极间电阻减小，连接成达林顿管的T3、T4放大电路导通。振荡电路的输出经T5放大，推动扬声器发出响亮的声音。发光二极管为电源指示。电路中设有方式开关，若开关置于（TEST）位置，电路会连续发声，以检测电路的工作是否正常。由于本电路的传感器流经的是交流电，可防止探头的氧化。

5.结论

水位报警器有多种电路，可以采用这些电路各有一些优缺点。

第一种电路：该电路设计简单，利用水的导电性以及三极管的开关特性来设计。该电路能够实现最高水位报警功能。该报警器结构简单，价格便宜，维护方便，如果在生活中只需要有最高水位报警功能便可采用。

第二种电路：该电路设计比较简单，利用水的导电性，并且采用CD4066芯片作为处理芯片，该芯片有四组开关，该电路能够实现指出四位水位，并且能够实现水满报警功能。该电路设计比较简单，造价便宜，用LED可分四级简单指示水位，还可通过增加电极和相关元件扩充成八位，进行数码显示，在一些要求不高的场合使用。

第三种电路：该电路将用CMOS模拟开关作为核心元件设计，电路设计简单，该电路指出高水位和警戒水位，还设计有电路保护功能，提高了电路的可靠性，延长电路中元件的使用寿命。该电路使用较简的电路，就能达到控制抽水的功能。

第四种电路：该电路设计稍复杂一些，由晶体管组成的自激振荡电路，有达到水满报警的功能，并且电路具有自控功能，由于传感器流经的是交流电，可防止探头的氧化，增强可靠性[10]。该电路体积小，造价便宜，可靠性能相对高，性价比良好。

通过对这四种报警器的分析比较可知，同样功能的报警器可以有不同的电路设计，选用时可根据用户要求使用于不同的场合。选择性价比比较高，可靠性高的设计方案。

参考文献：

[1] 刘淑英，蔡胜乐，王文辉.电路与电子学[M].北京：电子工业出版社2002：95～132.

[2] 余孟尝. 经典晶体管电子线路300例 [M].北京：机械工业出版社，2002：222～239.

[3] 任致程. 数字电子技术基础年简明教程 [M].北京：高等教育出版社，1999：50～99.

[4] 张洪润.电子线路与电子技术 [M].北京：清华大学出版社，2004：78～102.

[5].周志敏，周纪海，纪爱华. 电工电子实用电路 [M].北京：电子工业出版社，2005：249～262.

[6] 王毓银.脉冲与数字电路[M].北京：高等教育出版社，2002：134～145.

[7] 万少松，屈洪刚，严聪.http：//www.wanfangdata.com.cn.1999.5.

[8] 李银华.电子线路设计指导[M]. 北京：清华大学出版社，2004：45～49.

[9] 孙俊人.新编电子电路大全 [M].北京：中国计量出版社，2001：110～120.

[10] Richard R.Spencer. Introduction to Electronic Circuit Design（电子电路设计基础） [M].北京：电子工业出版社，2004.2：132～146.