基于邏輯電路CD4066的數字水位控制器設計

劉勝奇

(長江工程職業技術學院,武漢 430212)

0 引 言

水是生命之源,是動植物體內和人的身體中不可缺少的物質,沒有水就沒有生命的存在。我國人均水資源占有量低,截至2022年,我國人均水資源總量不足2 000m3[1]。節水是解決我國用水問題的根本出路。水是工農業生產中的重要原料,更是城市發展的重要保障。在日常生活及工農業生產中,往往需要對水位進行監測并加以控制,水位監測與控制有機械控制、邏輯電路控制、機電控制、單片機控制、復雜計算機系統控制等多種實現方法[2]。時下市場上有一些采用浮球來控制水位的球閥和簡單水位控制開關,這些產品價格低廉,但是無法自動控制水位的高低,以實現自動節水目的。隨著我國工業的迅猛發展,基于單片機或復雜計算機系統水位控制技術已被廣泛應用到石油、化工、醫藥、食品等各行各業中,保證了設備正常安全運行,但這些系統從軟件的開發到整個硬件的設計和鋪設投入較大,整體價格較高,應用于太陽能熱水器等產品仍受到一些經濟上的限制,因此大規模的普及存在較大桎梏。

筆者設計了一款基于雙向模擬開關集成電路CD4066的新型數字水箱自動水位控制器。該控制器質優價廉,能對水箱使用過程中可能出現的水位異常進行報警并自動完成上水、確保水箱水位的穩定可靠。該系統所用芯片應用廣泛,設備制作成本低,既保證做到自動控制水位的高低,節約用水,又有自身控制系統的安全優勢,具有很強的可操作性,可以廣泛應用在太陽能熱水器等產品中。

1 系統電路與工作原理

太陽能熱水器一般都設在房屋的高處,熱水器的水位在使用時不易觀察,給使用者帶來不便。該自動水位控制器可用于太陽能熱水器的水位指示與控制,實現水箱中缺水或加水過多時自動發出聲光報警并自動控制水位。

其電路結構如圖1所示,當水箱水位低于設定水位時,由于180k電阻的作用,使雙向模擬開關集成電路CD4066的4個開關的控制端13腳、5腳、6腳、12腳為低電平,開關S1、S2、S3、S4斷開,CD4066的1腳、3腳、8腳、10腳為高電平,發光二極管VL1～VL4不亮,VT2導通,報警器低水位報警,同時,CD4066的1腳高電平作為可控硅VS的觸發信號,觸發可控硅VS導通,繼電器K2得電工作,其常開觸點K2閉合,水泵M得電抽水。隨著水位的增加,加之水的導電性,使得CD4066的13腳變為高電平,S1接通,1腳變為低電平,VL1點亮,VT2截止,報警器低水位報警停止。當水位繼續逐漸增加時,S2、S3依次接通,CD4066的3腳、8腳依次變為低電平,VL2、VL3依次發光指示水位。水滿時,CD4066的12腳變為高電平,S4接通,10腳變為低電平,VL4發光,顯示水箱水滿,同時VT1、VT3導通。VT3導通,繼電器K1得電,其常閉觸點K1斷開,可控硅VS失去陽極電壓,由導通變截止,繼電器K2失電,其常開觸點K2由閉合變斷開,水泵M停止抽水;VT1導通,水位報警器發出高水位報警聲,提示水箱水位已滿。不需要報警時,斷開開關SA即可。

圖1 數字水位控制器電路

在用水過程中,水箱水位逐漸降低,CD4066的12腳、6腳、5腳依次變為低電平,開關S4、S3、S2依次斷開,10腳、8腳、3腳也跟隨依次變為高電平,VL4、VL3、VL2依次熄滅。

當水箱水位低于設定最低水位時,CD4066的13腳變為低電平,1腳變為高電平,VT2導通,報警器低水位報警,同時,CD4066的1腳高電平觸發可控硅VS導通,繼電器K2得電工作,其常開觸點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,如此反復進行。這樣就可以控制水箱水位,合理控制用水,達到節水目的。

2 系統功能組成

如圖2所示,本系統由水位檢測電路、水位顯示電路、雙向模擬開關集成電路、水位報警電路、控制驅動電路及電機工作電路等6部分組成,系統核心部分主要有雙向模擬開關集成電路CD4066、水位顯示電路、水位報警電路及可控硅控制驅動電路,本系統主要創新部分是利用雙向模擬開關集成電路CD4066的開關功能,控制水位顯示、水位報警及上水電機的工作狀態,從而實現水位顯示、報警及控制等功能,既降低了系統制造成本,又合理控制用水,達到節水目的。

圖2 數字水位控制器功能組成

2.1 電源電路

本系統采用直流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上,添加交流220V經過變壓、整流、濾波、穩壓,變成直流6V電路,得到直流6V、1.5A電源。電源電路簡單穩定,完全滿足系統電源的要求。

2.2 水位檢測電路

五個金屬探針電極分別置于水箱里的五個不同的合適位置,作為水位探測電路。與電源相聯的金屬探針電極端部位置作為設定的最低水位,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。為保證電路長時間正常工作,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 開關集成電路

系統開關電路采用雙向模擬開關集成電路CD4066,其電路圖如圖3所示,主要用作模擬或數字信號的多路傳輸。CD4066 的每個封裝內部有4個獨立的模擬開關,每個模擬開關有輸入、輸出、控制三個端子,其中每一組的輸入端和輸出端可以互換。當控制端加高電平時,開關導通;當控制端加低電平時,開關截止。模擬開關導通時,導通電阻為幾十歐姆;模擬開關截止時,呈現很高的阻抗,可以看成為開路。

圖3 CD4066電路圖

2.4 水位報警電路

利用VT18050、VT28550的開關特性,當水箱水位是最高水位時,VT1、VT2的基極都是高電位,VT1導通,VT2截止,6V有源蜂鳴器B發出報警聲,當水箱水位到最低水位時,VT1、VT2的基極都是低電位,VT2導通,VT1截止,6V有源蜂鳴器B發出報警聲。不需報警時,斷開開關SA即可。

2.5 驅動電路及電機電路

利用單向可控硅VS的開關特性,當水箱水位到最低水位時,CD4066的13腳是低電位,開關S1斷開,CD4066的1腳是高電位,觸發VS,使其導通,繼電器K2得電,電機電路接通,電機工作,水箱進水。當水箱水位到最高水位時,CD4066的12腳是高電位,VT3的基極是高電位,VT3導通,繼電器K1得電,單向可控硅VS陽極失去電壓,使其截止,開關K2斷開,電機電路斷開,電機停止工作,水箱停止進水。繼電器K1并聯電容C1,可以保證電路工作的穩定性并保護繼電器K1。在外界供水條件較好的情況下,也可以把電機電路改為截止閥控制電路。

3 結 語

根據雙向模擬開關集成電路CD4066的開關特性,創造性地將水位控制信號與該電路的開關特性進行了融合,設計了一款成本低、可靠性高、可控制性優的數字水位控制器,融入水位顯示、報警和自動上水功能,用于解決水位信號顯示、高低水位報警及水箱水位自動控制等問題,確保了水位自動控制過程的長期有效性,在能夠實時控制水位并進行顯示、報警的同時,能夠有效保證水箱水位在有效范圍,確保了水箱水位系統的穩定可靠。整個系統造價低、控制效果好,有助于實現水資源的精細利用。從長遠來看,隨著自動化技術的完善和硬件成本的降低,以及人們對現有資源的重視,水位自動控制系統仍然有著廣闊的發展和應用前景。