单片门电路鱼缸水位控制系统的设计

王 姗

（重庆电子工程职业学院，重庆401441）

单片门电路鱼缸水位控制系统的设计

王 姗

（重庆电子工程职业学院，重庆401441）

文章研究并设计了一种高精度鱼缸水位监控系统，能够实现信号采集、处理和水泵驱动等功能，并能自动补水和控制水位。利用独立电路采集超高水位与超低水位信号和控制继电器开关，控制水泵开或关的工作循环，实现自动检测水位和自动补水。设计的系统结构简单，制造成本低廉，灵敏度较高。

水位；水泵；单片门电路；自动补水

0 引言

随着人们生活水平的提高，对家居休闲产品的需求不断增加。生态鱼缸是目前需求较大的一种休闲产品。生态鱼缸的底滤、测滤、角滤能够对鱼缸中的水进行过虑和净化。鱼缸水泵促进水不断循环，加快了鱼缸中的水蒸发，每天每个无盖鱼缸蒸发1～4升的水量。鱼缸中的水蒸发后，必须及时补充，否则会导致鱼缸的水循环系统不能正常工作，甚至烧毁水泵。及时给鱼缸补充水往往也给家庭带来负担，特别是家庭成员出差或旅游外出时，无人给鱼缸补充水，成为困扰家庭养鱼的难题。

设计开发鱼缸自动补水控制系统，对养鱼爱好者具有很高的实用价值。设计的补水控制系统应具有体积小、成本低廉、控制方便、易于操作的优点。

1 水位自动控制器设计

1.1 设计构想

利用简单的电子线路和独立的水泵设计一种控制装置，对鱼缸水位进行自动检测与补水控制[1]。通过控制系统，使鱼缸中的水位保持一定的高度范围内，当水位低于下限时，水泵自动供水；当水达到水位上限时，水泵自动停止供水。根据控制原理可知，要实现控制对象的被控量（测定值）自动比较给定值，控制系统应具有测量、比较、执行等三种基本功能。利用单片门电路执行器来实现这三种功能。按偏差调节控制原理如图1所示。

图1 按偏差调节的控制原理

1）被控量：调控的水位高低；

2）受控对象：贮水容器（鱼缸）中的水；

3）测量器件：水位探头将水位值转化为相应的电位值；

4）给定值：是水位的上限值和下限值；

5）计算比较：将测量得到的水位实际值与给定值进行比较；

6）执行机构：驱动水泵电路工作和开启指示灯；7）执行器件：为水泵注水。

在上限水位和下限水位之间设定系统的阈值范围。当测定值在阈值范围内，执行器件不工作；当测定值超出阈值范围，执行机构驱动水泵自动补水。从图1表明，控制系统是一个闭合回路，系统是根据按偏差调节原则设计的，只要被控量的偏离值达到修正阈值，系统就能自行纠偏，实现水位自动补偿，实现鱼缸自动补水或停止供水。

1.2 设计方案

控制器电路由电源电路、水位信号采集与检测电路、输出驱动执行电路三部分组成[2]，图2所示。

图2 水位控制电路

下面分别分析电源电路、水位信号采集与检测电路、输出驱动执行电路。

1.2.1 电源电路

电源电路直接与220V的交流电源联接，经过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路，得到低压直流输出。首先，220V电压经变压器降压。其次，输出低压交流电加至由D1—D4构成的桥式整流输入端，整流后经电容CI滤波得到大约为10V的直流电压，并经R1可开启红色发光管LED1，并送到水位检测电极上。10V的低压电不影响鱼缸内鱼的生命。

1.2.2 水位信号检测电路

水位信号检测与监控电路以四二输入与门电路CD4081为核心，并由五根水位检测电极探针 A、B 、C、D、E 构成，一般情况下只使用 A、B、C三个电极探针。根据系统电极实测水位的变化，把测量值反馈至CD4081相应的引脚，以实现电平调节，以驱动输出电路，进而执行元件驱动水泵[3]。

1.2.3 输出驱动电路

输出驱动主要由驱动管（三极管）VT1、继电器J1、功能选择开关K和能实现输出状态指示的绿色发光管LED2组成。在功能选择开关处于“开”的位置时，继电器J1被强制工作，相应触点J1-1闭合，外接负荷（单相电动水泵或控制接触器）开始工作，实现强制补水（人工干预补水），开启输出状态指示绿色发光管LED2；在处于“关”的位置时，J1-1触点断开，外接负荷被全部切断；处于“自动”位置时，J1工作受驱动管VT1控制。当VT1基极电位处于高电平时，驱动管饱和导通，继电器通电，开始吸合动作，开启绿色发光管LED2，驱动水泵实现补水。当VT1基极电位低电平时，驱动管截止，继电器J1-1失电，绿色发光管LED2关闭，驱动水泵断电，水泵停止泵水。

1.3 主要元器件选择

1)门电路 IC1：选用 CD4081，四-2输入与门集成电路；

2)驱动三极管VT1、VT2：选用8050小功率晶体NPN型三极管，放大倍数大于50；

3)整流二极管 D1～D4：选用 IN4007，整流二极管；

4)发光管LED1：电源加电指示，红色发光管；发光管LED2：输出状态指示，绿色发光管；

5)二极管 D5～D7：选用 IN41418，D5、D6 为隔离自锁二极管；

6)电容C2—C5：滤除信号干扰。

2 实验结果

2.1 水位控制逻辑

鱼缸自动补水示意图如图3所示。

图3 鱼缸自动补水示意图

电极探针A用于设置水位上限控制点。水位上升到A点水位，水与探头接触，由于液体的导电性，A、B两极接通，导致水泵供水断开，水位控制器自动关闭水泵。电极探针B是水位下限液位控制点，水位下降到B点水位时，水与探头接触脱离，水位控制器自动开泵，鱼缸充水。电极C为地线，与鱼缸底部接触。当水位低于电极B时，驱动管VT1饱和导通，水泵向鱼缸内补水。随着水位升高，检测电极B升至高电位，鱼缸继续补水。当水位上升到上限水位控制点A点时，与门输出端VT2饱和导通，VT1截止，水泵失电，外控水泵停止工作，补水停止。

表1 水位控制程序表

系统控制门电路执行逻辑：水位低于B点，执行控制门电路导通，水泵控制逻辑为“1”，水泵执行注水动作；水位高于B点但低于A点，执行控制门电路继续导通，水泵控制逻辑为“1”水泵继续执行注水动作；水位到达A点，执行控制门电路截止，水泵控制逻辑为“0”，水泵停止注水；鱼缸水量蒸发，水位降低，但水位低于A点高于B点，执行控制门电路继续截止，水泵控制逻辑为“0”，水泵无动作；直至水位下降至B点，执行控制门电路再次导通，水泵控制逻辑为“1”，水泵再次执行注水动作。

2.2 水位监控实验

表1为鱼缸自动补水实验参数和结果。

表1 鱼缸自动补水实验

首先，将水位探测电极A、B、C置于鱼缸中，其中C置于缸底，B与A置于鱼缸最低目标水位（下限水位）和最高目标水位（上限水位）。第一组实验使鱼缸水位低于最低水位，接通电路，控制电路接受检测电极信息，输出二极管点亮开始向鱼缸补水。当水位达到B（下限水位）后继续补水，直至升到上限水位，水泵停止。实际注水高度5厘米，注水量5升，用时30秒，水泵停止注水。

鱼缸水量蒸发，水位下降，低于上限水位但高于下限水位，水泵停止，输出二极管无显示。当水位达到下限水位时，输出二极管开启，开始向鱼缸补水，达到上限水位，水泵停止，实际注水高度2厘米，注水量2升，用时12秒，水泵停止注水。此后监控电路把鱼缸水位控制在上限水位与下限水位之间。

系统的控制精度不宜设置太高，实验可知A、B两个电极探针的高度差一般不低于2厘米，以保证系统在阈值内自动补水。

3 结语

设计的系统能实时监测并控制鱼缸水位，采用分立元件电路控制鱼缸补水。设计的水位控制器生产成本低，实用价值大，在鱼缸无人值守的环境下，能实现自动补水。实验结果表明，采用的技术路线合理，设计方法可靠。

[1]李明伟，陈守雄.模糊液位控制器的设计与MATLAB仿真[J].自动化技术与应用，2006(6)：21-22.

[2]牛标，张代远.可监控智能液位控制器系统设计[J].计算机技术与发展，2010(7)：188-191.

[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科技出版社，2001：1-12.

责任编辑仇大勇

TU273.5

A

1674－5787（2017）03－0146－03

10.13887/j.cnki.jccee.2017（3）.38

2017-02-15

本文系重庆市教育科学规划课题“高职学院多学科无纸化考试平台建设与应用”（项目编号：2012-GX-188）的阶段性研究成果。

王姗（1989—），女，在职硕士研究生，重庆电子工程职业学院，助教，研究方向：机电一体化与专业英语。