水位報警器的幾種電路比較

夏天喜

[摘 要]：從實用性和經濟性出發，在實驗的基礎上，本文對四種簡單的水位報警器電路進行了比較，其中第一種只能夠簡單的水滿報警，該報警器結構簡單，價格便宜，維護方便；第二種能夠指示水位的位置，并實現報警功能，該電路設計比較簡單，造價便宜，可用LED可簡單指示水位；第三種不僅能實現報警功能，還能實現水位自動控制，而且還有自動保護功能；第四種水位報警器由于傳感器流經的是交流電，可防止探頭的氧化，增強可靠性。

[關鍵詞]：報警器 控制電路 自動保護 交流檢測 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

在日常生活和工業生產中，水位報警控制裝置有著廣泛的應用，如水塔、樓房水箱等。水位控制裝置的形式有很多種，浮子開關式、行程開關式、電節點式、壓力式、電子式、微機式等。這些裝置或多或少地存在一些缺點：浮子開關式采用機械結構，維護起來不方便；微機式控制裝置，雖然操作方便，但造價較昂貴等。本文從實用性和經濟性出發，對四種簡單報警電路進行了比較。這幾種裝置結構簡單、維護方便、工作可靠、性能價格比比較優良，有的還提供了自動報警、自動保護等功能，在多種場合下均可采用。水位報警器，其中電路設計是最關鍵的部分，電路設計又要求結構簡單，功能齊全，使用方便，造價便宜等。

1.簡單水位報警電路

1.1.報警電路

感應水位信號傳感器是必須選擇的元件，當水位沒有到限時，沒有信號通過；水位到限時，由于水的導電性，有電流通過，T1基極接電源。選擇一個復合管來（也稱達林頓管）對感應信號進行放大輸出，使它輸入到報警電路。在電子學電路設計中，達林頓接法常用于功率放大器和穩壓電源中。達林頓電路有四種接法：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP，PNP+NPN。有同極接法和異極接法。電路中用一個功率放大電路來帶動喇叭，當電信號通過電路時，帶動喇叭發聲。電路選擇電容對電路進行保護。三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，晶體三極管有NPN和PNP兩種結構形式，在此電路中三極管還起到開關作用[1]。

電路如圖1所示：

圖1 簡單水位報警電路

Fig1 simple water level alarm circuit

1.2.工作原理

這套裝置是依靠水的導電性，以電極傳感器為介質，利用晶體管的開關特性來控制電路。當水位低于電極傳感器位置時，電路不導通，處于不工作狀態；當水位淹沒電極傳感器，由于水的導電性，三極管獲基極電流導通，電路由T1、T2、R、C構成振蕩器產生振蕩，喇叭發出聲音報警[2]。

2.能夠指示水位的報警電路

2.1.電路設計

該水位報警器不但要能實現水的報警功能，還要能實現指示出水的位置，分別是四分之一、二分之一、四分之三和水滿四處位置。實現該功能選擇CD4066芯片作為主要部件，CD4066芯片結構圖如圖2所示[3]。

圖2 CD4066芯片

Fig2 CD4066 Chip

CD4066具有較低之導通電阻，用于數字或模擬信號的開關、切換等。IC內部四組開關分開獨立，一組開關有三只引腳組成，當控制電平為低電平時，另外兩腳的電阻處于開路狀態，電阻高達數十兆以上；當控制腳為高電平時，另外兩腳的電阻相當于短路狀態，電阻低到幾百歐或幾百歐以下。其中，5、6、12、13腳是控制腳；1、3、9、11；2、4、8、10腳為輸入輸出腳。

電路中用一個開關來連通一個水位的顯示，這樣就能夠完成水位的指示報警功能。

選擇發光二極管接入電路中，顯示電路的導通與斷開，同時顯示水位的位置。發光二極管它具有一般P-N接的I-V特性，即正向導通，反向截止特性。此外，它在導通時發光，截止時不發光。報警功能由一個三極管接上蜂鳴器來實現，三極管起到放大信號的作用[4]。同時在各支路中接入電阻，起到保護電路的作用。

電路如圖3所示[5]：

圖3 水位指示及報警電路

Fig3 water level indication and alarm circuit

2.2.工作原理

該電路不僅能提供水位指示，還能在水滿時發出報警聲。該電路由一片四雙向模擬開關集成電路CD4066為核心構成。當水箱無水時，由于180千歐電阻的作用，使4個開關的控制端為低電平，開關斷開，LED均不發光。隨著水位的增加，由于水的導電特性，故使得IC的13引腳為高電平，S1接通，LED1點亮。當水位逐漸增加時，LED依次發光指示水位。水滿時，LED4發光，顯示水滿。同時VT1導通，B發出報警聲，指示水已滿。不需要報警聲時，斷開開始SA即可。

該電路利用水的導電性，采用CD4066芯片作為處理芯片，該芯片有四組開關，所以該電路能夠指出四位水位，如果要將電路擴充成8位，可增加1片CD4066，將原來的4個電阻、二極管擴充為8個。若要顯示等級，可從8個二極管負極引出，經編碼接74LS47字符譯碼器，再接七段數碼器便可顯示水位等級；并且能夠實現水滿報警功能，電路中只用LED可簡單指示水位，本電路可在一些要求不高的場合使用。

3.自控自保水位報警電路

3.1. 工作原理

這套裝置是依靠水的導電性，以電極傳感器為介質，利用晶體管的開關特性來控制水泵電機工作。其原理如圖4所示。

圖4 水位報警器裝置示意圖

Fig4 Water level alarm apparatus schematic diagram

水位自動控制的基本原理是：當加水信號通過下限傳感器傳入控制電路時，電機電源接通，控制水泵加水；當水位到達上限時，由上限傳感器將信號傳給控制電路，電機電源斷開，停止供水；當水位再回到下限時，電機電源再次接通，水泵工作，電路中控制電路部分是解決問題的關鍵所在。

3.2. 控制電路的實現

該電路由降壓穩壓回路和自動控制回路組成。繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時，輸出量將發生急劇變化的元件，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大的電流，是一個電動開關[6]。電路中7812是三端穩壓輸出芯片，輸出直流電壓12V，提供報警電路工作電壓。

圖5 水位自動控制裝置電路圖[7]

Fig5 Of water level automatic control circuit

說明：A——下限水位傳感器 B——自保傳感器

C——上限水位傳感器 D——警戒水位傳感器

水泵電機開關由繼電器K2的常開觸點控制

3.2.1.控制回路

當電源接通時，由于水位在下限水位傳感器A以下，晶體管VT1 不導通，故電流不能通過VT1支路，繼電器K1不工作；常閉觸點K11閉合，晶體管VT2通過獲得基極電流而導通，繼電器K2用于控制電機的常開觸點閉合，控制電機向水池加水；當水位上升至上限水位C時，VT1獲得基極電流而導通，繼電器K1工作，常閉觸點K11斷開，繼電器K2支路斷路，K2控制電機停止供水。

3.2.2.自動保護電路

在圖5中，電路中有一條自保傳感器支路和一個常開觸點K12，這個設計非常重要。當容器中的水到達上限C時，K2支路斷開，水位下降。若沒有自保傳感器支路，當水位離開上限C時，VT1支路斷開而導致繼電器K1不工作，K11閉合，K2支路導通工作，K2常開觸點閉合，電機電源接通，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路斷開，電機電源斷開。若沒有自保傳感器支路，水位在上限水位C處循環，有了自保傳感器支路，直到水位到達A點以下才會加水，延長了器件的使用壽命。

3.2.3.報警電路

當出現意外情況時，水位一直上升到警戒水位D，報警器支路接通，用信號燈發出信號，指示水已到達警戒水位，發出警報，電路中的信號燈，按照實際的需要，可以改用蜂鳴器來代替。

在VT2基極串聯了一個滑動觸點電位器和一個固定電阻，可以根據水位差的多少調節滑動變阻器，使晶體管工作穩定；同時也起到保護晶體管的作用。

4.交流檢測水位報警器

4.1.電路分析

圖6所示水位報警器，電路用橋式整流對電路電壓進行整流濾波后，再輸入電路作為工作電壓。經整流后，再通過L7809三端穩壓集成電路穩壓后作為工作電壓[8]。

電路圖如圖6所示[9]：

圖6 交流檢測水位報警電路

Fig6 AC testing water level alarm circuit

4.2.工作原理

電路中用電容進行濾波；接通電源后，電流經降壓、整流、濾波后，一路經R1點亮發光管LED1，作為電源指示；T1、T2組成自激振蕩電路，它的輸出流經傳感器。若傳感器被水浸濕，極間電阻減小，連接成達林頓管的T3、T4放大電路導通。振蕩電路的輸出經T5放大，推動揚聲器發出響亮的聲音。發光二極管為電源指示。電路中設有方式開關，若開關置于（TEST）位置，電路會連續發聲，以檢測電路的工作是否正常。由于本電路的傳感器流經的是交流電，可防止探頭的氧化。

5.結論

水位報警器有多種電路，可以采用這些電路各有一些優缺點。

第一種電路：該電路設計簡單，利用水的導電性以及三極管的開關特性來設計。該電路能夠實現最高水位報警功能。該報警器結構簡單，價格便宜，維護方便，如果在生活中只需要有最高水位報警功能便可采用。

第二種電路：該電路設計比較簡單，利用水的導電性，并且采用CD4066芯片作為處理芯片，該芯片有四組開關，該電路能夠實現指出四位水位，并且能夠實現水滿報警功能。該電路設計比較簡單，造價便宜，用LED可分四級簡單指示水位，還可通過增加電極和相關元件擴充成八位，進行數碼顯示，在一些要求不高的場合使用。

第三種電路：該電路將用CMOS模擬開關作為核心元件設計，電路設計簡單，該電路指出高水位和警戒水位，還設計有電路保護功能，提高了電路的可靠性，延長電路中元件的使用壽命。該電路使用較簡的電路，就能達到控制抽水的功能。

第四種電路：該電路設計稍復雜一些，由晶體管組成的自激振蕩電路，有達到水滿報警的功能，并且電路具有自控功能，由于傳感器流經的是交流電，可防止探頭的氧化，增強可靠性[10]。該電路體積小，造價便宜，可靠性能相對高，性價比良好。

通過對這四種報警器的分析比較可知，同樣功能的報警器可以有不同的電路設計，選用時可根據用戶要求使用于不同的場合。選擇性價比比較高，可靠性高的設計方案。

參考文獻：

[1] 劉淑英，蔡勝樂，王文輝.電路與電子學[M].北京：電子工業出版社2002：95～132.

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[4] 張洪潤.電子線路與電子技術 [M].北京：清華大學出版社，2004：78～102.

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[6] 王毓銀.脈沖與數字電路[M].北京：高等教育出版社，2002：134～145.

[7] 萬少松，屈洪剛，嚴聰.http：//www.wanfangdata.com.cn.1999.5.

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[9] 孫俊人.新編電子電路大全 [M].北京：中國計量出版社，2001：110～120.

[10] Richard R.Spencer. Introduction to Electronic Circuit Design（電子電路設計基礎） [M].北京：電子工業出版社，2004.2：132～146.