基于數字電路的水塔自動供水系統

宋志鵬 李明華

（1.南通職業大學技師學院，江蘇 南通 226007；2.中煤科工集團常州自動化研究院，江蘇 常州 213015）

引言

隨著生產擴大及生活用水需求的增多，在部分工礦企業中水資源的消耗與管理正日益得到重視。例如在生產過程中需要使用大量的水，為了節約生產成本，這些企業常抽取江、河、湖中的水使用。在用水時通常需要先將水送到水塔中，使水塔中的水與地面管網中的水產生一定的落差，從而形成廠區內的生產用自來水。而老式的水塔存在著不能自動控制和效率低等諸多缺點，所以，本文中作者將介紹一款用數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

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。整個系統沒有水位報警裝置。若使用人工方式，勞動強度大，工作效率低，安全性難以保障。水泵在工作過程中，若產生故障則會停止供水，這將對生產帶來極大的影響。

鑒于此，我們這款數字水塔供水系統對以上弊病進行了改進，它具有以下優點：

1.1 實現自動供水

當水塔處于低水區時，控制系統控制水泵實施供水，同時黃色指示燈亮起，蜂鳴器發出1KHZ的高音頻報警信號。當水塔中的水量已超過低水位，進入正常水位后，控制系統使黃燈熄滅，綠燈亮起，同時蜂鳴器發出500KHZ的音頻信號，水泵繼續工作。當水塔中的水量已滿，達到指定水位時，綠色指示燈熄滅，紅色燈亮起。此時，蜂鳴器停止發生，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行供水，其優點有：1）高溫作業時對水泵的降溫有利，2）如果其中一只水泵出現故障，另一只水泵也會自動工作，不會影響控制系統對水塔的正常供水。

1.3、調試、檢修方便

為了方便對本系統進行調試和維護，在設計中設有手動供水和手動停止按鈕。

2 數字電路水塔自動供水控制器設計方框圖

3 數字電路水塔自動供水控制器控制原理

3.1 “低水區”控制原理

水位在傳感器1位置以下區域為低水區。低水區范圍在塔底至傳感器1之間，一般以塔高的1/4為宜。IC4觸發器處于通電后導通狀態，由于VT2導通，并驅動繼電器K2吸合，接通M2水泵電動機的電源回路，使得M2繼續供水。

3.2 “正常區”控制原理

當水塔中的水位在傳感器1位置以上與傳感器2位置以下區域，為正常區。由于干簧傳感器1的觸點閉合促使IC2的相應輸出點位發生改變，顯示燈VD13亮起，IC3促使音頻震蕩持續工作。由于IC4各點電位沒有發生改變，水泵電動機M2繼續工作，為水塔繼續供水。

3.3 "滿水區"工作原理

當水位屬于滿水區時，干簧傳感器2的觸點閉合。IC2的各點點位發生改變，使得VT1截止，K1釋放，M1水泵電動機停止運行。此時VT2也被迫截止，K2釋放，M2水泵電動機停止工作。

4 硬件設計

該控制器的整個控制系統主要是采用了四塊數字集成電路，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。在該控制系統中使用了其中兩個與非門電路，組成一個音頻信號發生器電路，用以產生500HZ音頻信號或產生1KHZ音頻信號，通過VT5推動蜂鳴器BL1發出音頻提示音。

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。在該控制系統中作A/D轉換之用。IC2除了作A/D轉換之外，同時還對傳感器狀態（水塔水位狀態）進行狀態顯示。

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

IC3在該控制系統中作計時器之用，同時還對IC1組成的音頻信號發生器實施控制。在水泵對水塔進行供水過程中，計數器開始計時，并控制音頻信號發生器工作。計時器每計時20分鐘，IC3就輸出一個控制脈沖，通過IC4分別對VT1或VT2實施控制，最終使電動機M1與M2互換工作一次。

IC4的型號為CD4013，是一塊雙主－從D型觸發器集成電路。在該控制系統中，IC4的時鐘控制端受控于IC3的輸出信號。控制系統通電后，IC4的初始狀態為：負Q輸出端輸出高電位"1"、正Q輸出端輸出低電位"0"。此時，VT2導通，使繼電器K1吸合，水泵M1工作。若在CP（時鐘控制）端加一個正向控制信號，雙穩態觸發器就會翻轉。使負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VT1導通、K1吸合、M1工作。若在CP（時鐘控制）端再次加一個正向控制信號，雙穩態觸發器又會翻轉，而輸出狀態卻回到通電時的工作狀態，如此循環。

系統中還設置了手動開、停控制按鈕。當按下打水按鈕S1，VT1和VT2同時得到高電位而導通，使繼電器K1、K2同時吸合，電動機M1和M2同時工作打水。當按下停止按鈕S2，VT1和VT2同時截止，K1、K2同時釋放，M1、M2同時停止運行。手動開、停控制按鈕的設立，方便了系統的調試、測試和檢修。

結語

由于這款水塔自動控制器是基于數字電路設計的，所以比分立元件的控制電路具有更穩定、更可靠、故障率低等優點，而且使用的元器件也比較少，從而方便了控制系統的安裝、調試和檢修。

［1]黃培鑫.電子技術應用技能[M].北京：中國勞動和社會保障出版社，2006.

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