劉勝奇

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430212)

0 引 言

水是生命之源,是動(dòng)植物體內(nèi)和人的身體中不可缺少的物質(zhì),沒有水就沒有生命的存在。我國(guó)人均水資源占有量低,截至2022年,我國(guó)人均水資源總量不足2 000m3[1]。節(jié)水是解決我國(guó)用水問題的根本出路。水是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要原料,更是城市發(fā)展的重要保障。在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,往往需要對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)并加以控制,水位監(jiān)測(cè)與控制有機(jī)械控制、邏輯電路控制、機(jī)電控制、單片機(jī)控制、復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制等多種實(shí)現(xiàn)方法[2]。時(shí)下市場(chǎng)上有一些采用浮球來控制水位的球閥和簡(jiǎn)單水位控制開關(guān),這些產(chǎn)品價(jià)格低廉,但是無法自動(dòng)控制水位的高低,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)水目的。隨著我國(guó)工業(yè)的迅猛發(fā)展,基于單片機(jī)或復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)水位控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中,保證了設(shè)備正常安全運(yùn)行,但這些系統(tǒng)從軟件的開發(fā)到整個(gè)硬件的設(shè)計(jì)和鋪設(shè)投入較大,整體價(jià)格較高,應(yīng)用于太陽能熱水器等產(chǎn)品仍受到一些經(jīng)濟(jì)上的限制,因此大規(guī)模的普及存在較大桎梏。

筆者設(shè)計(jì)了一款基于雙向模擬開關(guān)集成電路CD4066的新型數(shù)字水箱自動(dòng)水位控制器。該控制器質(zhì)優(yōu)價(jià)廉,能對(duì)水箱使用過程中可能出現(xiàn)的水位異常進(jìn)行報(bào)警并自動(dòng)完成上水、確保水箱水位的穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)所用芯片應(yīng)用廣泛,設(shè)備制作成本低,既保證做到自動(dòng)控制水位的高低,節(jié)約用水,又有自身控制系統(tǒng)的安全優(yōu)勢(shì),具有很強(qiáng)的可操作性,可以廣泛應(yīng)用在太陽能熱水器等產(chǎn)品中。

1 系統(tǒng)電路與工作原理

太陽能熱水器一般都設(shè)在房屋的高處,熱水器的水位在使用時(shí)不易觀察,給使用者帶來不便。該自動(dòng)水位控制器可用于太陽能熱水器的水位指示與控制,實(shí)現(xiàn)水箱中缺水或加水過多時(shí)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警并自動(dòng)控制水位。

其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,當(dāng)水箱水位低于設(shè)定水位時(shí),由于180k電阻的作用,使雙向模擬開關(guān)集成電路CD4066的4個(gè)開關(guān)的控制端13腳、5腳、6腳、12腳為低電平,開關(guān)S1、S2、S3、S4斷開,CD4066的1腳、3腳、8腳、10腳為高電平,發(fā)光二極管VL1～VL4不亮,VT2導(dǎo)通,報(bào)警器低水位報(bào)警,同時(shí),CD4066的1腳高電平作為可控硅VS的觸發(fā)信號(hào),觸發(fā)可控硅VS導(dǎo)通,繼電器K2得電工作,其常開觸點(diǎn)K2閉合,水泵M得電抽水。隨著水位的增加,加之水的導(dǎo)電性,使得CD4066的13腳變?yōu)楦唠娖?S1接通,1腳變?yōu)榈碗娖?VL1點(diǎn)亮,VT2截止,報(bào)警器低水位報(bào)警停止。當(dāng)水位繼續(xù)逐漸增加時(shí),S2、S3依次接通,CD4066的3腳、8腳依次變?yōu)榈碗娖?VL2、VL3依次發(fā)光指示水位。水滿時(shí),CD4066的12腳變?yōu)楦唠娖?S4接通,10腳變?yōu)榈碗娖?VL4發(fā)光,顯示水箱水滿,同時(shí)VT1、VT3導(dǎo)通。VT3導(dǎo)通,繼電器K1得電,其常閉觸點(diǎn)K1斷開,可控硅VS失去陽極電壓,由導(dǎo)通變截止,繼電器K2失電,其常開觸點(diǎn)K2由閉合變斷開,水泵M停止抽水;VT1導(dǎo)通,水位報(bào)警器發(fā)出高水位報(bào)警聲,提示水箱水位已滿。不需要報(bào)警時(shí),斷開開關(guān)SA即可。

圖1 數(shù)字水位控制器電路

在用水過程中,水箱水位逐漸降低,CD4066的12腳、6腳、5腳依次變?yōu)榈碗娖?開關(guān)S4、S3、S2依次斷開,10腳、8腳、3腳也跟隨依次變?yōu)楦唠娖?VL4、VL3、VL2依次熄滅。

當(dāng)水箱水位低于設(shè)定最低水位時(shí),CD4066的13腳變?yōu)榈碗娖?1腳變?yōu)楦唠娖?VT2導(dǎo)通,報(bào)警器低水位報(bào)警,同時(shí),CD4066的1腳高電平觸發(fā)可控硅VS導(dǎo)通,繼電器K2得電工作,其常開觸點(diǎn)K2閉合,水泵M得電又開始抽水,抽到水箱水位到最高水位為止,如此反復(fù)進(jìn)行。這樣就可以控制水箱水位,合理控制用水,達(dá)到節(jié)水目的。

2 系統(tǒng)功能組成

如圖2所示,本系統(tǒng)由水位檢測(cè)電路、水位顯示電路、雙向模擬開關(guān)集成電路、水位報(bào)警電路、控制驅(qū)動(dòng)電路及電機(jī)工作電路等6部分組成,系統(tǒng)核心部分主要有雙向模擬開關(guān)集成電路CD4066、水位顯示電路、水位報(bào)警電路及可控硅控制驅(qū)動(dòng)電路,本系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新部分是利用雙向模擬開關(guān)集成電路CD4066的開關(guān)功能,控制水位顯示、水位報(bào)警及上水電機(jī)的工作狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)水位顯示、報(bào)警及控制等功能,既降低了系統(tǒng)制造成本,又合理控制用水,達(dá)到節(jié)水目的。

圖2 數(shù)字水位控制器功能組成

2.1 電源電路

本系統(tǒng)采用直流6V、1.5A電源供電?？梢灾苯邮褂弥绷?V、1.5A電源適配器供電,也可以在本電路的基礎(chǔ)上,添加交流220V經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓,變成直流6V電路,得到直流6V、1.5A電源。電源電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定,完全滿足系統(tǒng)電源的要求。

2.2 水位檢測(cè)電路

五個(gè)金屬探針電極分別置于水箱里的五個(gè)不同的合適位置,作為水位探測(cè)電路。與電源相聯(lián)的金屬探針電極端部位置作為設(shè)定的最低水位,與水箱底部之間要有合適距離,不可直接接觸;表示水箱滿水的金屬探針電極端部與水箱頂部同樣要有合適距離,不可直接接觸。為保證電路長(zhǎng)時(shí)間正常工作,金屬探針電極采用在水中不易腐蝕、不易附著水垢的黃銅材料。

2.3 開關(guān)集成電路

系統(tǒng)開關(guān)電路采用雙向模擬開關(guān)集成電路CD4066,其電路圖如圖3所示,主要用作模擬或數(shù)字信號(hào)的多路傳輸。CD4066 的每個(gè)封裝內(nèi)部有4個(gè)獨(dú)立的模擬開關(guān),每個(gè)模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個(gè)端子,其中每一組的輸入端和輸出端可以互換。當(dāng)控制端加高電平時(shí),開關(guān)導(dǎo)通;當(dāng)控制端加低電平時(shí),開關(guān)截止。模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí),導(dǎo)通電阻為幾十歐姆;模擬開關(guān)截止時(shí),呈現(xiàn)很高的阻抗,可以看成為開路。

圖3 CD4066電路圖

2.4 水位報(bào)警電路

利用VT18050、VT28550的開關(guān)特性,當(dāng)水箱水位是最高水位時(shí),VT1、VT2的基極都是高電位,VT1導(dǎo)通,VT2截止,6V有源蜂鳴器B發(fā)出報(bào)警聲,當(dāng)水箱水位到最低水位時(shí),VT1、VT2的基極都是低電位,VT2導(dǎo)通,VT1截止,6V有源蜂鳴器B發(fā)出報(bào)警聲。不需報(bào)警時(shí),斷開開關(guān)SA即可。

2.5 驅(qū)動(dòng)電路及電機(jī)電路

利用單向可控硅VS的開關(guān)特性,當(dāng)水箱水位到最低水位時(shí),CD4066的13腳是低電位,開關(guān)S1斷開,CD4066的1腳是高電位,觸發(fā)VS,使其導(dǎo)通,繼電器K2得電,電機(jī)電路接通,電機(jī)工作,水箱進(jìn)水。當(dāng)水箱水位到最高水位時(shí),CD4066的12腳是高電位,VT3的基極是高電位,VT3導(dǎo)通,繼電器K1得電,單向可控硅VS陽極失去電壓,使其截止,開關(guān)K2斷開,電機(jī)電路斷開,電機(jī)停止工作,水箱停止進(jìn)水。繼電器K1并聯(lián)電容C1,可以保證電路工作的穩(wěn)定性并保護(hù)繼電器K1。在外界供水條件較好的情況下,也可以把電機(jī)電路改為截止閥控制電路。

3 結(jié) 語

根據(jù)雙向模擬開關(guān)集成電路CD4066的開關(guān)特性,創(chuàng)造性地將水位控制信號(hào)與該電路的開關(guān)特性進(jìn)行了融合,設(shè)計(jì)了一款成本低、可靠性高、可控制性優(yōu)的數(shù)字水位控制器,融入水位顯示、報(bào)警和自動(dòng)上水功能,用于解決水位信號(hào)顯示、高低水位報(bào)警及水箱水位自動(dòng)控制等問題,確保了水位自動(dòng)控制過程的長(zhǎng)期有效性,在能夠?qū)崟r(shí)控制水位并進(jìn)行顯示、報(bào)警的同時(shí),能夠有效保證水箱水位在有效范圍,確保了水箱水位系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)低、控制效果好,有助于實(shí)現(xiàn)水資源的精細(xì)利用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,隨著自動(dòng)化技術(shù)的完善和硬件成本的降低,以及人們對(duì)現(xiàn)有資源的重視,水位自動(dòng)控制系統(tǒng)仍然有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。