基于數(shù)字電路的水塔自動供水系統(tǒng)

宋志鵬 李明華

（1.南通職業(yè)大學(xué)技師學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.中煤科工集團(tuán)常州自動化研究院，江蘇 常州 213015）

引言

隨著生產(chǎn)擴(kuò)大及生活用水需求的增多，在部分工礦企業(yè)中水資源的消耗與管理正日益得到重視。例如在生產(chǎn)過程中需要使用大量的水，為了節(jié)約生產(chǎn)成本，這些企業(yè)常抽取江、河、湖中的水使用。在用水時(shí)通常需要先將水送到水塔中，使水塔中的水與地面管網(wǎng)中的水產(chǎn)生一定的落差，從而形成廠區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)用自來水。而老式的水塔存在著不能自動控制和效率低等諸多缺點(diǎn)，所以，本文中作者將介紹一款用數(shù)字電路來控制的水塔自動供水裝置。

1 老式水塔供水存在的弊端及改進(jìn)

由于水塔很高，水位高低不便于觀察，水少供水則供水中斷，水多則會溢出來。整個(gè)系統(tǒng)沒有水位報(bào)警裝置。若使用人工方式，勞動強(qiáng)度大，工作效率低，安全性難以保障。水泵在工作過程中，若產(chǎn)生故障則會停止供水，這將對生產(chǎn)帶來極大的影響。

鑒于此，我們這款數(shù)字水塔供水系統(tǒng)對以上弊病進(jìn)行了改進(jìn)，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.1 實(shí)現(xiàn)自動供水

當(dāng)水塔處于低水區(qū)時(shí)，控制系統(tǒng)控制水泵實(shí)施供水，同時(shí)黃色指示燈亮起，蜂鳴器發(fā)出1KHZ的高音頻報(bào)警信號。當(dāng)水塔中的水量已超過低水位，進(jìn)入正常水位后，控制系統(tǒng)使黃燈熄滅，綠燈亮起，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出500KHZ的音頻信號，水泵繼續(xù)工作。當(dāng)水塔中的水量已滿，達(dá)到指定水位時(shí)，綠色指示燈熄滅，紅色燈亮起。此時(shí)，蜂鳴器停止發(fā)生，水泵也停止供水。

1.2、雙水泵交替工作

采取雙水泵交替對水塔進(jìn)行供水，其優(yōu)點(diǎn)有：1）高溫作業(yè)時(shí)對水泵的降溫有利，2）如果其中一只水泵出現(xiàn)故障，另一只水泵也會自動工作，不會影響控制系統(tǒng)對水塔的正常供水。

1.3、調(diào)試、檢修方便

為了方便對本系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)，在設(shè)計(jì)中設(shè)有手動供水和手動停止按鈕。

2 數(shù)字電路水塔自動供水控制器設(shè)計(jì)方框圖

3 數(shù)字電路水塔自動供水控制器控制原理

3.1 “低水區(qū)”控制原理

水位在傳感器1位置以下區(qū)域?yàn)榈退畢^(qū)。低水區(qū)范圍在塔底至傳感器1之間，一般以塔高的1/4為宜。IC4觸發(fā)器處于通電后導(dǎo)通狀態(tài)，由于VT2導(dǎo)通，并驅(qū)動繼電器K2吸合，接通M2水泵電動機(jī)的電源回路，使得M2繼續(xù)供水。

3.2 “正常區(qū)”控制原理

當(dāng)水塔中的水位在傳感器1位置以上與傳感器2位置以下區(qū)域，為正常區(qū)。由于干簧傳感器1的觸點(diǎn)閉合促使IC2的相應(yīng)輸出點(diǎn)位發(fā)生改變，顯示燈VD13亮起，IC3促使音頻震蕩持續(xù)工作。由于IC4各點(diǎn)電位沒有發(fā)生改變，水泵電動機(jī)M2繼續(xù)工作，為水塔繼續(xù)供水。

3.3 "滿水區(qū)"工作原理

當(dāng)水位屬于滿水區(qū)時(shí)，干簧傳感器2的觸點(diǎn)閉合。IC2的各點(diǎn)點(diǎn)位發(fā)生改變，使得VT1截止，K1釋放，M1水泵電動機(jī)停止運(yùn)行。此時(shí)VT2也被迫截止，K2釋放，M2水泵電動機(jī)停止工作。

4 硬件設(shè)計(jì)

該控制器的整個(gè)控制系統(tǒng)主要是采用了四塊數(shù)字集成電路，分別為IC1、IC2、IC3和IC4。

IC1型號為CD4011，是一塊四二輸入與非門集成電路。在該控制系統(tǒng)中使用了其中兩個(gè)與非門電路，組成一個(gè)音頻信號發(fā)生器電路，用以產(chǎn)生500HZ音頻信號或產(chǎn)生1KHZ音頻信號，通過VT5推動蜂鳴器BL1發(fā)出音頻提示音。

IC2型號為CD4069，是一塊六與非門集成電路，也稱為六反相器集成電路。在該控制系統(tǒng)中作A/D轉(zhuǎn)換之用。IC2除了作A/D轉(zhuǎn)換之外，同時(shí)還對傳感器狀態(tài)（水塔水位狀態(tài)）進(jìn)行狀態(tài)顯示。

IC3的型號為CD4060，是一塊14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器/分頻器集成電路。振蕩器部分由外接電阻和電容構(gòu)成RC振蕩器，也可以通過外接晶體構(gòu)成高精度的晶體振蕩器。CD4060還有一個(gè)公共的清零端C r，只要在C r端上加一個(gè)高電位或正脈沖，即可使計(jì)數(shù)器輸出端全部為"0"低電平，并同時(shí)迫使振蕩器停振。

IC3在該控制系統(tǒng)中作計(jì)時(shí)器之用，同時(shí)還對IC1組成的音頻信號發(fā)生器實(shí)施控制。在水泵對水塔進(jìn)行供水過程中，計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，并控制音頻信號發(fā)生器工作。計(jì)時(shí)器每計(jì)時(shí)20分鐘，IC3就輸出一個(gè)控制脈沖，通過IC4分別對VT1或VT2實(shí)施控制，最終使電動機(jī)M1與M2互換工作一次。

IC4的型號為CD4013，是一塊雙主－從D型觸發(fā)器集成電路。在該控制系統(tǒng)中，IC4的時(shí)鐘控制端受控于IC3的輸出信號。控制系統(tǒng)通電后，IC4的初始狀態(tài)為：負(fù)Q輸出端輸出高電位"1"、正Q輸出端輸出低電位"0"。此時(shí)，VT2導(dǎo)通，使繼電器K1吸合，水泵M1工作。若在CP（時(shí)鐘控制）端加一個(gè)正向控制信號，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就會翻轉(zhuǎn)。使負(fù)Q端由高電位"1"變成"0"；而正Q端則由低電位"0"變成了高電位"1"。于是VT2截止、K2釋放、M2停止工作；此時(shí)VT1導(dǎo)通、K1吸合、M1工作。若在CP（時(shí)鐘控制）端再次加一個(gè)正向控制信號，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器又會翻轉(zhuǎn)，而輸出狀態(tài)卻回到通電時(shí)的工作狀態(tài)，如此循環(huán)。

系統(tǒng)中還設(shè)置了手動開、停控制按鈕。當(dāng)按下打水按鈕S1，VT1和VT2同時(shí)得到高電位而導(dǎo)通，使繼電器K1、K2同時(shí)吸合，電動機(jī)M1和M2同時(shí)工作打水。當(dāng)按下停止按鈕S2，VT1和VT2同時(shí)截止，K1、K2同時(shí)釋放，M1、M2同時(shí)停止運(yùn)行。手動開、停控制按鈕的設(shè)立，方便了系統(tǒng)的調(diào)試、測試和檢修。

結(jié)語

由于這款水塔自動控制器是基于數(shù)字電路設(shè)計(jì)的，所以比分立元件的控制電路具有更穩(wěn)定、更可靠、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，而且使用的元器件也比較少，從而方便了控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和檢修。

［1]黃培鑫.電子技術(shù)應(yīng)用技能[M].北京：中國勞動和社會保障出版社，2006.

［2］朱春萍，脈沖與數(shù)字電路[M].北京：中國勞動和社會保障出版社，2003.6.