水位報(bào)警器模型的設(shè)計(jì)與制作*

孫 鹿 魏 靚 王姝曼 張忠雪 董栩含

[中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院 北京 100083]

李庚偉

[中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院 北京 100083]

1 水位報(bào)警器模型的研究意義

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，水位報(bào)警器已經(jīng)從普通型向智能化發(fā)展，功能也逐漸趨向完善，而且其理論基礎(chǔ)和相關(guān)技術(shù)也在不斷進(jìn)步．本次實(shí)驗(yàn)就是在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行的水位報(bào)警器模型的設(shè)計(jì)和制作．

我們了解到水位報(bào)警器至關(guān)重要的作用，且對(duì)其市場(chǎng)進(jìn)行了一定的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)水位報(bào)警器價(jià)格昂貴，內(nèi)部組成復(fù)雜，維修和改進(jìn)也較為復(fù)雜，而且大多數(shù)水位報(bào)警器只具有現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警的作用，功能較為單一[1]．因此我們對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定了解之后，做了進(jìn)一步改進(jìn)，做出原理簡(jiǎn)單、維修方便、經(jīng)濟(jì)適用且可遠(yuǎn)程操控的水位報(bào)警器模型．

物聯(lián)網(wǎng)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能行使獨(dú)立功能的普通物體實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，是硬件設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的產(chǎn)物．我們的研究是想通過電路以及與電路相連接的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)電路的監(jiān)控達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控水位的目的．

2 實(shí)驗(yàn)原理

在生活中,為提高水位報(bào)警的可靠性,可同時(shí)使用機(jī)械接點(diǎn)法和液位傳感器法．我們?cè)诳紤]條件以及現(xiàn)有知識(shí)之后選擇了帶有電信號(hào)的機(jī)械接點(diǎn)法以及普通的機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)電路開閉而非振蕩電路[2，3]，便于之后電信號(hào)傳入繼電器．

繼電器模塊是智能系統(tǒng)控制的基本單元模塊，通過低電壓來控制高電壓，強(qiáng)電壓，即基本電路用來發(fā)送信號(hào)，而弱電壓作為信息傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備對(duì)于電路的控制．研究采用的繼電器模塊電壓為24V．在組裝的水位報(bào)警器中，繼電器模塊被接入一個(gè)有源電路中，接線方式如圖1所示[4]．

圖1 有源開關(guān)接線示意圖

3 水位報(bào)警器模型的制作過程

在設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路圖，并選擇了合適的WiFi模塊后，置備了相關(guān)的材料，準(zhǔn)備依據(jù)電路圖進(jìn)行實(shí)際材料的連接與實(shí)驗(yàn)，再通過不斷地做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不足，不斷改進(jìn)，得到合理的裝置．

可以使用并聯(lián)電路及雙頭開關(guān)顯示水位高度(圖2)．并聯(lián)電路運(yùn)行較簡(jiǎn)便，使用的元件簡(jiǎn)單，費(fèi)用較低，元件損傷較低，可以在一定程度上承受電路短路帶來的損害．雙頭開關(guān)的使用也可使電路通過小燈泡與電鈴的使用呈現(xiàn)水位情況．但是這種方法相對(duì)來說可控制電壓調(diào)節(jié)范圍較小，且不能和移動(dòng)設(shè)備相連表現(xiàn)其智能功能．

圖2 并聯(lián)電路與雙頭開關(guān)

相比之下，使用電磁繼電器連接水位控制開關(guān)及電路更為方便．相比上面的并聯(lián)電路，使用電磁繼電器的電路多了物聯(lián)的功能．實(shí)驗(yàn)中的水位報(bào)警器采用最簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，使單刀雙擲開關(guān)與并聯(lián)的綠燈和電鈴的一端連接，通過水中浮球的上下浮動(dòng)改變單刀雙擲開關(guān)的位置來控制綠燈和電鈴的工作狀態(tài)(圖3)．當(dāng)位于安全水位時(shí)，綠燈亮；當(dāng)水位逐漸上升時(shí)浮球受到一定的浮力，帶動(dòng)杠桿，根據(jù)杠桿原理，開關(guān)與綠燈的連接斷開，當(dāng)水位上升到一定程度時(shí)，使電鈴與電路接通，發(fā)出警報(bào)；當(dāng)水位下降恢復(fù)正常時(shí)，又重新與綠燈接通．綠燈和電鈴的另一端接入繼電器的輸入端，繼電器輸出端與電源負(fù)極相連，形成一個(gè)完整的電路，運(yùn)用WiFi模塊加強(qiáng)與傳遞信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備與電路的信號(hào)傳輸，并達(dá)到監(jiān)視水位的目的．

圖3 水位報(bào)警器電路圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，主要的問題包括電路圖設(shè)計(jì)的合理性、各部件的安裝、WiFi模塊的調(diào)試等，具體問題及解決方法如下：

(1)有多種電路設(shè)計(jì)方案，我們通過對(duì)每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比選擇了更適合我們所設(shè)計(jì)的水位報(bào)警器的電路圖．

(2)在初期實(shí)際材料組裝時(shí)存在不合理之處，造成操作不便，實(shí)際電路不清楚明了，之后多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)調(diào)整，使裝置簡(jiǎn)單明了．

(3)WiFi模塊調(diào)試過程中由于專業(yè)知識(shí)的不足形成了困難，通過設(shè)置WiFi用戶名與密碼可以正常使用．

4 實(shí)驗(yàn)成果及結(jié)論

目前，已完成水位報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作，實(shí)物圖如圖4所示.該水位上升報(bào)警器在水位未上升到危險(xiǎn)水位且正常工作時(shí)，由于摩擦力和浮子重力的影響，浮子懸空于水位之上，電路連通，正常小燈泡亮，當(dāng)水位上升到浮子的高度，浮力又不足以使浮子抵抗摩擦力上升時(shí)，電路仍是連通狀態(tài)，小燈泡亮，當(dāng)水位上升到危險(xiǎn)水位時(shí)(量杯500 mL，容量的一半)，由于此時(shí)浮力超過靜摩擦力和重力的影響，浮子向上運(yùn)動(dòng)，摩擦系數(shù)減小，摩擦力減小，浮子迅速向上帶動(dòng)開關(guān)位置向下與蜂鳴器連通．普通小燈泡熄滅，蜂鳴器響起報(bào)警，并通過WiFi模塊向我們的手機(jī)發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水位變化時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警的效果．大大的降低了人力物力的使用．

圖4 水位報(bào)警器實(shí)際裝置圖

我們的水位報(bào)警器模型還存在很多不足，具體有：

(1)因?yàn)槔^電器模塊本身工作電壓的要求，水位報(bào)警器基本電路中的電源電壓應(yīng)大于26 V，故不能使用普通電池作為電源，我們采用了最大電壓為35 V的學(xué)生電源．

(2)由于使用了學(xué)生電源，教師在使用本模型進(jìn)行演示時(shí)需有學(xué)生電源的配合．

(3)我們?cè)O(shè)計(jì)出的水位報(bào)警器僅在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了初步的試驗(yàn)，為便于演示采用了較大體積的浮球開關(guān)，應(yīng)用在家庭、防洪中還需再進(jìn)一步地試驗(yàn)體積更小或更大的液位傳感器等器具．

但可以想見，若將繼電器模塊的適用電壓減小到便于攜帶的電池電壓，將報(bào)警器模型總體減小到適宜的程度，將為我們的生活帶去極大便利．