摘 要： 針對(duì)于目前供水系統(tǒng)在水質(zhì)、水壓、水量等方面的高要求，設(shè)計(jì)了一種基于NE555集成電路的自動(dòng)供水系統(tǒng)控制器，并對(duì)其控制原理，電路過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)等進(jìn)行了介紹。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及用市場(chǎng)用戶反饋信息驗(yàn)證了控制器的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞： NE555；LM324；壓力控制；水位控制
隨著社會(huì)建設(shè)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(tǒng)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(shè)備控制箱多為強(qiáng)電控制方式，電路成本高、體積大，安裝費(fèi)工費(fèi)時(shí)，運(yùn)行噪聲大，維護(hù)不方便，控制功能單一，繼電保護(hù)功能不完善，信號(hào)采集實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)較高控制精度。本文針對(duì)以上問(wèn)題以NE555集成電路為核心器件設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)供水控制器，利用電子電路的優(yōu)勢(shì)提高了控制的可靠性，完善了各種控制功能，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù)字—模擬混合集成電路，它具有控制、觸發(fā)、電平檢測(cè)比較以及放電和輸出放大等功能，主要用于構(gòu)成信號(hào)產(chǎn)生電路、定時(shí)電路、報(bào)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(cè)量與控制、家用電器、電子玩具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
圖1是一種雙極型555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)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(fù)載能力，還在輸出端設(shè)置了緩沖器，增加驅(qū)動(dòng)器的目的是使555電路的最大輸出電流可達(dá)200 mA，以便直接驅(qū)動(dòng)繼電器、小電機(jī)、指示燈、揚(yáng)聲器等負(fù)載。
2 控制器設(shè)計(jì)
本文采用TI公司生產(chǎn)的NE555集成電路作為核心器件設(shè)計(jì)而成的控制器可配合壓力罐、水塔等供水設(shè)備使用。控制器集自動(dòng)控制、電機(jī)保護(hù)、故障報(bào)警于一體，其性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)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(yùn)行或停機(jī)。供水控制電路可由三種形式的控制信號(hào)接通：壓力控制的電接點(diǎn)壓力表，水位控制的水導(dǎo)電極，及儲(chǔ)水池限位控制。水泵運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)電流是否安全，通過(guò)檢測(cè)電路分別與過(guò)流、斷相保護(hù)電路門限值進(jìn)行比較作為正常運(yùn)行或保護(hù)的給定。電流表可直觀地顯示水泵運(yùn)行工作電流，當(dāng)水泵出現(xiàn)異常時(shí)，保護(hù)電路切斷給水控制電路，水泵停止運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出報(bào)警。
2.2 控制電路
水泵的運(yùn)行或停機(jī)由供水系統(tǒng)的壓力、水位檢測(cè)信號(hào)或人為的手動(dòng)信號(hào)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(hào)觸發(fā)NE555的2、6引腳，使3腳輸出不同電平值驅(qū)動(dòng)繼電器，起停交流接觸器，來(lái)控制水泵電機(jī)的工作。
自動(dòng)控制方式下，可通過(guò)不同的信號(hào)采集方式控制供水電路。圖3為控制器內(nèi)部設(shè)置的壓力和水位控制電路接線方式。如圖3(a)示，控制信號(hào)由電接點(diǎn)壓力表檢測(cè)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(dāng)氣壓罐內(nèi)壓力低于下限設(shè)定值時(shí)，中表針和下表針接觸，NE555的3腳輸出高電平，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵向氣壓罐內(nèi)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(zhuǎn)，電機(jī)停止運(yùn)行。外界用水使罐內(nèi)壓力不斷下降，當(dāng)中表針和下表針再次相碰時(shí)，重復(fù)上述工作過(guò)程。如圖3(b)示，控制信號(hào)由三根導(dǎo)線組成的傳感器檢測(cè)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(dāng)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(fù)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(nèi)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(dāng)水位滿到上限電極時(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(zhuǎn)，繼電器、接觸器釋放，水泵電機(jī)停止工作。隨著外界用水，水位不斷下降，當(dāng)水位低于下限電極時(shí)，重復(fù)上述過(guò)程。
以上兩種接線方式分別適用于氣壓罐自動(dòng)供水系統(tǒng)和水塔水箱自動(dòng)供水系統(tǒng)，用戶在使用時(shí)可根據(jù)自己需求選擇其中任意一種。
2.3 保護(hù)電路
四運(yùn)放集成器件LM324[2]采用14腳雙列直插塑料封裝，內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)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(yīng)用在各種電路中。
本文介紹的控制器的線路保護(hù)就是由一塊LM324配合交流互感器和相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)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(hù)原理：H為三只互感器，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)三只互感器均有感應(yīng)電壓輸出。產(chǎn)生的感應(yīng)電壓整定后加至集成運(yùn)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(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)動(dòng)力線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(zhuǎn)為低電平。斷相執(zhí)行電路由KM切斷電機(jī)電源同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。L2、L3斷相后與之相同。
電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，H的感應(yīng)電壓穩(wěn)定在某一數(shù)值上，由二極管D2等組成或門加在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(diào)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(dāng)電機(jī)運(yùn)行中因過(guò)載、阻轉(zhuǎn)、滯轉(zhuǎn)、工作電壓偏低等原因造成電機(jī)工作電流增大時(shí)，H的感應(yīng)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(zhuǎn)輸出低電平，過(guò)流執(zhí)行電路切斷電機(jī)同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
為了保證整個(gè)供水系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，除以上保護(hù)外，控制器還設(shè)有電流表直流放大電路、限位及報(bào)警電路[3]等。
設(shè)計(jì)的自動(dòng)供水控制器在實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)配后，與電接點(diǎn)壓力表配合，可構(gòu)成壓力罐壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)；與三根水導(dǎo)電極配合，可構(gòu)成水塔水箱等水位自動(dòng)控制系統(tǒng)；運(yùn)行演示具有儲(chǔ)水池?zé)o水停機(jī)、限位自保功能；具有電動(dòng)機(jī)斷相保護(hù)功能，切斷時(shí)間t≤2 s，切斷后同時(shí)報(bào)警；具有電動(dòng)機(jī)過(guò)流保護(hù)功能，切斷后同時(shí)報(bào)警、延時(shí)4~7 min自動(dòng)復(fù)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的好評(píng)，有著廣闊的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2] 谷立新.電工電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].重慶：西南師范大學(xué)出版社，2009.
[3] 李加升.基本光敏器件的光控電路分析[J].益陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(1).
[4] 何香玲.555時(shí)基電路的研究與應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2009(5).
[5] 莊若杉.電氣系統(tǒng)安裝與調(diào)試技術(shù)[J].安裝，2006(7).