水箱實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供水，既能夠節(jié)省人力，又能避免水滿(mǎn)溢出造成水資源的浪費(fèi)。本文找出一種既簡(jiǎn)單、又實(shí)用的水箱自動(dòng)供水電路，應(yīng)用于城鎮(zhèn)居民樓房，或是農(nóng)村住宅樓房生活用水水箱自動(dòng)供水控制。

水箱自動(dòng)供水控制，其控制方法很多，例如：用單片機(jī)進(jìn)行控制；用繼電器進(jìn)行控制；浮球控制等。實(shí)踐表明，這些控制方法或多或少存在一些問(wèn)題。如穩(wěn)定性不高、有電磁干擾、電路價(jià)格較高等。

綜合分析以上分析，找到一種具有成本低、容易實(shí)現(xiàn)、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)的水箱自動(dòng)供水控制電路是必要的，該控制電路采用數(shù)字電路與模擬電路相結(jié)合，集成電路與分立元件相結(jié)合，在水位的檢測(cè)與轉(zhuǎn)換以及對(duì)電機(jī)的控制方面也有新的考慮。

1.控制原理與電路設(shè)計(jì)

該電路原理簡(jiǎn)單，通過(guò)水箱中水位檢測(cè)器檢測(cè)水箱中的水位，并及時(shí)把該水箱水位的高、低以信號(hào)的形式傳遞給控制電路，控制電路與驅(qū)動(dòng)電路相連，當(dāng)水箱中水位低于最低水位檢測(cè)器時(shí)，控制電路控制驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)水泵抽水；當(dāng)水箱中水位位于最低水位檢測(cè)器之上與最高水位檢測(cè)器之下時(shí)，水泵應(yīng)處于保持狀態(tài)；當(dāng)水箱中水位高于最高水位檢測(cè)器時(shí)，控制電路應(yīng)控制驅(qū)動(dòng)電路使水泵停止抽水。

1.1控制原理

本水箱自動(dòng)供水控制電路是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的控制器。具體地說(shuō)，它是一種能夠維持水箱水位界于下水位和上水位之間的水位自動(dòng)控制裝置。它包括水位傳感器、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、直流穩(wěn)壓電源電路4個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水箱中水位分為上水位與下水位兩檔，當(dāng)水箱中的水位低于下水位時(shí)，水位傳感器將此信號(hào)傳遞給控制電路，控制電路控制水泵，應(yīng)啟動(dòng)水泵供水；當(dāng)水箱中的水位高于上水位時(shí)，水位傳感器將此信號(hào)再次傳給控制電路，控制電路此時(shí)控制水泵應(yīng)停止水泵供水。在這里最值得注意的是當(dāng)水處在最高水位與最低水位之間時(shí)水泵的工作狀態(tài)：在水泵抽水時(shí)，水位處于高位傳感器和低位傳感器之間時(shí)，水泵應(yīng)繼續(xù)抽水；而當(dāng)水泵不抽水時(shí)即水箱中水位在下降過(guò)程中，水位處于高位傳感器和低位傳感器之間時(shí)，水泵應(yīng)仍處于不工作狀態(tài)。

基于這一要求，將最低水位信號(hào)和最高水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)數(shù)字信號(hào)送至控制電路，控制電路通過(guò)控制動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，使水泵自動(dòng)抽水或停止抽水，實(shí)現(xiàn)水位自動(dòng)控制。這里關(guān)鍵在于這兩個(gè)水位信號(hào)的引出與轉(zhuǎn)換，該方案中采用的是穩(wěn)定性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的晶體管和邏輯集成電路。當(dāng)水箱水位達(dá)到或高于上水位時(shí)，高、低兩個(gè)檢測(cè)探頭輸出都為高電平信號(hào)，此時(shí)水箱中水已滿(mǎn)，應(yīng)該使水泵停止供水；當(dāng)水箱中水位低于下水位時(shí)，高、低兩個(gè)檢測(cè)探頭輸出均為低電平信號(hào)，此時(shí)水箱中水快用完，應(yīng)該使水泵進(jìn)行供水；如果高位傳感器輸出低電平信號(hào)，低位傳感器輸出高電平信號(hào)，即水箱中水位處于最高水位與最低水位之間，此時(shí)根據(jù)使用要求應(yīng)該讓水泵處于保持狀態(tài)，即當(dāng)水箱中水位處于下降階段時(shí)，水泵仍然處于不工作狀態(tài)；當(dāng)水箱中水位處于上升階段時(shí)，水泵應(yīng)保持繼續(xù)抽水的狀態(tài)。

根據(jù)以上對(duì)控制原理的分析，可將水位傳感器和水泵的工作狀態(tài)總結(jié)為四種情況，其邏輯要求歸納如表1所示。其中第四種情況不會(huì)出現(xiàn)，但是一旦電路故障出現(xiàn)這種情況時(shí)，設(shè)計(jì)中讓水泵關(guān)閉。

表1 邏輯要求

1.2水位傳感電路

本電路采用三極管檢測(cè)水位的高低，給出高低電平信號(hào)，同時(shí)用LED（發(fā)光二極管）來(lái)顯示水位的高低，圖2為水位傳感器電路圖，共有兩個(gè)發(fā)光二極管，如果發(fā)光二極管全部亮，表示水箱中的水已充滿(mǎn)。在水箱中有兩個(gè)檢測(cè)探頭，5V電源送到水箱底部的水中，兩個(gè)C1815三極管分別連接到水箱中的低、高的個(gè)水位檢測(cè)器。最低水位探頭它是水箱中儲(chǔ)存水的最低水位，最低水位探頭連接到一只晶體管的基極，其集電極連接到5V電源，發(fā)射極連接到LED1；最高水位探頭連接到另一只晶體管的基極，其集電極連接到5V電源，發(fā)射極連接到LED2。晶體管只要得到基極電流，就會(huì)導(dǎo)通并點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管（LED1、LED2）。由于生活用水有一定的導(dǎo)電能力，當(dāng)水箱中的水到達(dá)最低水位B時(shí)，最低水位探頭便通過(guò)水的導(dǎo)電獲得電源電流，此時(shí)下端晶體管導(dǎo)通，LED1點(diǎn)亮；當(dāng)水位上升到水箱的最高水位A時(shí)，上端晶體管也導(dǎo)通，LED1與LED2同時(shí)點(diǎn)亮；發(fā)光二極管點(diǎn)亮的狀態(tài)，就能知道水箱中的水位情況，更有利于工作人員的管理，發(fā)光二極管應(yīng)安裝在容易監(jiān)視的位置。改變探頭A和B的高度可調(diào)節(jié)兩個(gè)控制水位的高低，但應(yīng)注意各個(gè)水位探頭之間必須絕緣，避免水位檢測(cè)失靈。

當(dāng)LED亮?xí)r為高電平，將LED1 和LED2接到控制電路上，這樣LED1和LED2就相當(dāng)于低位傳感器和高位傳感器。表2給出發(fā)光管與水位關(guān)系。

表2 LED與水位關(guān)系

1.3控制電路

以L(fǎng)ED為核心的檢測(cè)電路將水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為0或1數(shù)字信號(hào)后，直接送給四2輸入與非門(mén)集成芯片CC4011的輸入端。右邊兩個(gè)與非門(mén)組成基本RS觸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)從基本RS觸發(fā)器的Q端輸出。它們之間的邏輯關(guān)系和水泵工作狀態(tài)可用表3進(jìn)行描述。

注：表中AB=10，不會(huì)出現(xiàn)，設(shè)計(jì)為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，一旦出現(xiàn)此情況，讓水泵關(guān)閉。根據(jù)表3中邏輯關(guān)系，可求出和的表達(dá)式，并通過(guò)化簡(jiǎn)得：=，= 從而可設(shè)計(jì)出控制電路如圖4所示。

以上設(shè)計(jì)也可以采用其它數(shù)字電路進(jìn)行，如：采用或非門(mén)設(shè)計(jì)也可以，只要滿(mǎn)足表3邏輯關(guān)系就可以。

1.4驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路作為整個(gè)電路的中心部分，其穩(wěn)定性和可靠性一定要很高。電路如圖5所示，驅(qū)動(dòng)電路主要由BTA20雙向晶閘管等組成。雙向晶閘管的觸發(fā)信號(hào)由光電耦合電路提供。驅(qū)動(dòng)電路工作原理如下：

RS觸發(fā)器Q端的輸出信號(hào)通過(guò)R1接至發(fā)光二極管LED的陰極，當(dāng)觸發(fā)器Q端輸出低電平0時(shí)，發(fā)光二極管LED導(dǎo)通并發(fā)光；同時(shí)通過(guò)光電耦合器MOC3021給雙向晶閘管提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，雙向晶閘管導(dǎo)通，水泵電機(jī)得電而運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)RS觸發(fā)器Q端輸出高電平1時(shí)，發(fā)光二極管不導(dǎo)通并停止發(fā)光，光電耦合器MOC3021不提供觸發(fā)信號(hào)，雙向晶閘管不導(dǎo)通，水泵電機(jī)失電而停止運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)光二極管LED用作水泵電機(jī)工作狀態(tài)指示。本驅(qū)動(dòng)電路需要注意的是，若水泵的功率較大，則可控硅的最大電流也需加大，如選60A的可控硅等。

1.5穩(wěn)壓電路

前面設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等都需要有穩(wěn)定的直流電源才能工作。所以本方案中設(shè)計(jì)了能輸出5V電壓的直流穩(wěn)壓電源電路。該電路由電源變壓器、整流硅橋、濾波電容、三端集成穩(wěn)壓器組成，如圖6所示。該設(shè)計(jì)的控制電路電流較小，所以，直流5V電源也以用6V干電池供電，不影響控制效果。

圖6 直流穩(wěn)壓電源電路

2.小結(jié)

本水箱自動(dòng)供水控制電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格低廉（大約20元成本）的特點(diǎn)。在電路元器件正確選擇、正確安裝后，無(wú)需調(diào)整即可正常運(yùn)行。實(shí)踐表明，系統(tǒng)運(yùn)行以后工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，能有效地實(shí)現(xiàn)水箱自動(dòng)供水控制。本裝置在元器件參數(shù)提高以后也可以推廣到水塔自動(dòng)供水控制。