基于NE555的自動(dòng)供水控制器設計

隨著(zhù)社會(huì )建設的飛速發(fā)展，高樓林立，聳入云端，如何將源水送入高層，不間斷地向用戶(hù)輸送水質(zhì)、水量和水壓三方面都符合使用要求的水便是目前供水系統的主要任務(wù)。目前常采用的供水方式有水位供水、壓力供水和變頻供水等方式，其采用的供水設備控制箱多為強電控制方式，電路成本高、體積大，安裝費工費時(shí)，運行噪聲大，維護不方便，控制功能單一，繼電保護功能不完善，信號采集實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現較高控制精度。本文針對以上問(wèn)題以NE555集成電路為核心器件設計了一種自動(dòng)供水控制器，利用電子電路的優(yōu)勢提高了控制的可靠性，完善了各種控制功能，一體化結構設計降低了成本。
1 NE555集成電路
　555時(shí)基電路[1]是一種多用途的數字—模擬混合集成電路，它具有控制、觸發(fā)、電平檢測比較以及放電和輸出放大等功能，主要用于構成信號產(chǎn)生電路、定時(shí)電路、報警電路和控制電路。由于使用靈活、方便，所以在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等領(lǐng)域得到廣泛應用。
　圖1是一種雙極型555定時(shí)器的電路結構圖。它由兩個(gè)高精度電壓比較器、基本RS觸發(fā)器和集電極開(kāi)路的放電三極管三部分組成。為了提高電路的帶負載能力，還在輸出端設置了緩沖器，增加驅動(dòng)器的目的是使555電路的最大輸出電流可達200 mA，以便直接驅動(dòng)繼電器、小電機、指示燈、揚聲器等負載。

2 控制器設計
　本文采用TI公司生產(chǎn)的NE555集成電路作為核心器件設計而成的控制器可配合壓力罐、水塔等供水設備使用?？刂破骷詣?dòng)控制、電機保護、故障報警于一體，其性能穩定、結構緊湊、功能齊全。
2.1 控制原理
　圖2給出控制器的控制原理方框圖。首先由供水控制電路起閉交流接觸器，從而使水泵運行或停機。供水控制電路可由三種形式的控制信號接通：壓力控制的電接點(diǎn)壓力表，水位控制的水導電極，及儲水池限位控制。水泵運行時(shí)，實(shí)時(shí)電流是否安全，通過(guò)檢測電路分別與過(guò)流、斷相保護電路門(mén)限值進(jìn)行比較作為正常運行或保護的給定。電流表可直觀(guān)地顯示水泵運行工作電流，當水泵出現異常時(shí)，保護電路切斷給水控制電路，水泵停止運行，同時(shí)發(fā)出報警。

2.2 控制電路
　水泵的運行或停機由供水系統的壓力、水位檢測信號或人為的手動(dòng)信號控制。手動(dòng)控制方式下，由不同的啟動(dòng)按鍵傳遞不同的控制信號觸發(fā)NE555的2、6引腳，使3腳輸出不同電平值驅動(dòng)繼電器，起停交流接觸器，來(lái)控制水泵電機的工作。
　自動(dòng)控制方式下，可通過(guò)不同的信號采集方式控制供水電路。圖3為控制器內部設置的壓力和水位控制電路接線(xiàn)方式。如圖3(a)示，控制信號由電接點(diǎn)壓力表檢測獲得。①端連接高點(diǎn)校正針(上表針)、②端連接氣壓針(中表針)、③端連接低點(diǎn)校正針(下表針)。當氣壓罐內壓力低于下限設定值時(shí)，中表針和下表針接觸，NE555的3腳輸出高電平，電機運轉，水泵向氣壓罐內注水，壓力不斷增大，中表針上移離開(kāi)下表針，并與上表針相碰后，NE555的輸出端電平翻轉，電機停止運行。外界用水使罐內壓力不斷下降，當中表針和下表針再次相碰時(shí)，重復上述工作過(guò)程。如圖3(b)示，控制信號由三根導線(xiàn)組成的傳感器檢測獲得。①端為公共電極沉入水底，②、③端相連后連接上限位電極，④端連接下限位電極。當水位落到下限電極以下時(shí)，②、④均懸空，②、③通過(guò)電阻R12接通電源的負極，集成電路2、6端低電平觸發(fā)，集成電路3腳輸出高電平，繼電器、接觸器通電，接通水泵向水塔或水箱內注水，水位升高超過(guò)下電極后，電源Vcc由①端通過(guò)水電阻連接R14、R15，其分壓后約為Vcc/2加于2、6端，電路仍處于保持狀態(tài)，當水位滿(mǎn)到上限電極時(shí)，①、②端通過(guò)水連通，2、6端電位高于2Vcc/3，3腳電平翻轉，繼電器、接觸器釋放，水泵電機停止工作。隨著(zhù)外界用水，水位不斷下降，當水位低于下限電極時(shí)，重復上述過(guò)程。

　以上兩種接線(xiàn)方式分別適用于氣壓罐自動(dòng)供水系統和水塔水箱自動(dòng)供水系統，用戶(hù)在使用時(shí)可根據自己需求選擇其中任意一種。
2.3 保護電路
　四運放集成器件LM324[2]采用14腳雙列直插塑料封裝，內部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。它具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應用在各種電路中。
　本文介紹的控制器的線(xiàn)路保護就是由一塊LM324配合交流互感器和相應的執行機構來(lái)完成的，能準確實(shí)現電路的斷相和過(guò)流判斷。其電路原理圖如圖4所示。

　電路保護原理：H為三只互感器，當電機運行時(shí)三只互感器均有感應電壓輸出。產(chǎn)生的感應電壓整定后加至集成運放LM324-A的正相輸入端，其反相輸入端的電位是由R5、R5′分壓后取得，電機在正常運轉情況下，LM324-A正相輸入端電位明顯高于反相輸入端，LM324-A輸出高電平。當動(dòng)力線(xiàn)L1斷相時(shí)H無(wú)輸出電壓。這時(shí)LM324-A的反相輸入端電位高于正相輸入端電位，輸出端由高電平轉為低電平。斷相執行電路由KM切斷電機電源同時(shí)發(fā)出報警信號。L2、L3斷相后與之相同。
　電機正常運行時(shí)，H的感應電壓穩定在某一數值上，由二極管D2等組成或門(mén)加在LM324-D反相輸入端，正相輸入端的電位由電阻R7、電位器R8的分壓得到。調整R8可使正相輸入端電位剛剛大于反相輸入端電位，LM324-D正常情況下輸出高電平。當電機運行中因過(guò)載、阻轉、滯轉、工作電壓偏低等原因造成電機工作電流增大時(shí)，H的感應電壓隨之增高，致使反相輸入端的電位高于正相輸入端，LM324-D翻轉輸出低電平，過(guò)流執行電路切斷電機同時(shí)發(fā)出報警信號。
　為了保證整個(gè)供水系統的安全穩定運行，除以上保護外，控制器還設有電流表直流放大電路、限位及報警電路[3]等。
　設計的自動(dòng)供水控制器在實(shí)驗室安裝調配后，與電接點(diǎn)壓力表配合，可構成壓力罐壓力自動(dòng)控制系統；與三根水導電極配合，可構成水塔水箱等水位自動(dòng)控制系統；運行演示具有儲水池無(wú)水停機、限位自保功能；具有電動(dòng)機斷相保護功能，切斷時(shí)間t≤2 s，切斷后同時(shí)報警；具有電動(dòng)機過(guò)流保護功能，切斷后同時(shí)報警、延時(shí)4~7 min自動(dòng)復位。
　目前控制器投放本地市場(chǎng)，以其優(yōu)廉的價(jià)格，良好的性能受到廣大用戶(hù)的好評，有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。
參考文獻
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