基于555时基集成电路的自动抽水控制系统设计

谢兰清

XIE Lan-qing

（广西工业职业技术学院， 南宁 530001）

0 引言

水塔作为储水设施，广泛应用于农村家庭、工厂、城镇以及市区高层楼房的储水及增压，许多单位还在使用水池水塔供水方式，即用水泵从地面水池向水塔或高位水箱抽水，然后再向用户供水。笔者利用2块555时基集成芯片为核心部件设计水池水塔自动抽水控制系统，该系统具有电路简单、性能稳定可靠、经济实用、状态指示直观的特点。现向大家介绍本系统的组成、工作原理及制作方法。

1 电路组成

水池水塔自动抽水控制系统的电路组成如图1所示，图中555时基集成电路芯片IC1和IC2为系统电路的核心元件。555时基集成电路为数字—模拟混合集成电路，可产生精确的时间延迟和振荡，只要改变555集成电路的外部附加元件，就可以构成各种各样的应用电路。其中多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器是三种典型的应用电路。在自动抽水控制系统电路图中2块555时基集成电路芯片IC1和IC2都接成施密特触发电路。L1、M1、H1分别是高位水塔的低、中、高位三根不锈钢水位检测电极；L2、M2、H2分别是地面水池的低、中、高位三根不锈钢水位检测电极。如图2所示为两块555时基集成电路的内部部分简图，继电器J 作为水泵电机控制线路的低压控制开关，分还是合由555时基集成电路的输出电平控制。如图3所示为水泵电机控制线路图，交流接触器的常开触点KM串接在主电源电路中，控制水泵电机工作，交流接触器的线圈通电还是断电由低压继电器J控制。水池水塔自动抽水控制系统整体控制要求是：水池水满并且水塔水位处于低位时水泵电机启动抽水，如水池缺水或水塔水满时水泵电机停止工作。

2 电路工作原理

2.1 水池缺水的情况

当地面水池缺水（即水位低于L2所处的位置）时，L2、M2、H2都悬空，B点的电位UB＞2/3Vcc，经过R8C4电路延时10s～15s后，IC2的U2=U6＞2/3Vcc, 则IC2的③端输出U23为低电平。R8C4延时电路的作用是防止水位波动的干扰，提高抽水控制系统的工作可靠性。从图2所示的内部简图中可看出，此时不管IC1⑦脚内的三极管状态如何，继电器线圈J都不会有电流通过，交流接触器线圈KM不通电，常开触点KM不吸合，故水泵不启动抽水。同时IC2内部⑦脚的三极管饱和导通，发光二极管V3发光表示水池缺水。

图1 控制器电路原理图

图2 IC1、IC2内部简图

2.2 水池水满的情况

当水池中的水位逐渐升高至H2所处的位置时，L2、M2、H2三根电极都在水中，水的导电电阻大约在10 K～20 K之间，考虑水电阻的影响，此时B点的电位UB=[R10+(R11//R水)]VCC/[R9+ R10+(R11//R水)]＜1/3VCC， 经过R8C4电路延时10s～15s后， IC2的U2=U6＜1/3VCC，则IC2的③端输出 U23为高电平。同时IC2内部⑦脚的三极管截止，发光二极管V3不亮表示水池处于不缺水状态。此时水泵是否抽水，由高位水塔的水位状态决定。

2.2.1 水塔缺水的情况

当高位水塔的水位低于M1所处的位置时，H1、M1处于悬空状态，A点电位UA＞2/3VCC，经过R4C1电路延时10s～15s后，IC1的U2=U6＞2/3VCC，则IC1的③端输出U13为低电平，发光二极管V1不亮，表示水塔处于缺水状态。同时，IC1内部⑦脚的三极管饱和导通，故继电器J有电流通过，交流接触器线圈KM通电，常开触点KM吸合，则水泵电机启动抽水。同时，发光二极管V2发光表示处于水泵电机抽水工作状态，水塔中的水位将逐渐升高。

2.2.2 水塔水位超过M1低于H1的情况

当水塔中的水位逐渐升高至M1所处的位置时，H1处于悬空状态，A点的电位UA=(R2+R3+R水)VCC/(R1+ R2+R3+ R水)的数值在（1/3～2/3）VCC之间，根据施密特触发电路的回差特性，IC1的③端输出U13保持低电平的状态不变，则水泵电机继续维持抽水工作状态。

2.2.3 水塔水位超过H1的情况

图3 水泵电机控制线路图

当水塔中的水位逐渐升高至超过H1所处的位置（即水满）时，L1、M1、H1三根电极都在水中，水的导电电阻大约在10K～20K之间。考虑水电阻的影响，此时A点的电位UA=[R2+(R3//R水)]VCC/[R1+ R2+(R3//R水)]＜1/3VCC， 经过R4C1电路延时10s～15s后， IC1的U2=U6＜1/3VCC，则IC1的③端输出 U13为高电平，发光二极管V1发光表示水塔水满，同时IC1内部⑦脚的三极管截止，故继电器J线圈不通电，水泵电机停止抽水，有效防止了水上满后四处溢流的现象。

2.3 抽水过程中，水池水位下降的情况

在水泵抽水的时候，如水池水位下降，有以下两种情况：

2.3.1 水池水位低于H2超过M2的情况

此时，H2处于悬空状态，B点的电位UB=(R10+R11+R水)VCC/(R9+ R10+R11+ R水)的数值在（1/3～2/3）VCC之间，根据施密特触发电路的回差特性，IC2的③端输出U23保持高电平的状态不变，则水泵电机继续维持抽水工作状态。

2.3.2 水池水位低于M2的情况

此时，M2、H2都处于悬空状态，B点的电位UB＞2/3Vcc，经过R8C4电路延时10s～15s后，IC2的U2=U6＞2/3Vcc, 则IC2的③端输出U23为低电平，水泵电机停止抽水。防止水泵在无水情况下持续工作而损坏电机。

3 元件配置及选型

在本系统电路中，IC1、IC2选用双极型的NE555时基集成电路芯片比较好，因为双极型的555时基电路的优点是带负载能力强，抗干扰能力强，可有效防止控制系统受干扰而产生误动作。继电器J选用小型12V的继电器。延时电路中的C1、C4可选用CD26-25-100μF 型号的电解电容，保护二极管V4可选用普通的1N4007型号，其余元件参数按如图所示选用。注意制作6根水位探测电极时要采用不锈钢电极，电极与导线焊接好后要用防水胶布包好以防水锈蚀接头影响导电性。低位电极L1放置比水塔的出水口高些，L2放置比水池的出水口高些，中位电极M1、M2可分别放与L1、L2水平，高位电极H1、H2放置比水塔、水池的溢出口低。此外，水位探测电极的放置要尽量远离水塔、水池的入口注水管处，避免水塔、水池注入水时的冲击扰动致使水位探测电极受扰甚至电极焊接点脱落。

4 结束语

该系统设计先进、实用、合理，主要具有以下几方面的优点： 1）能按照使用者的要求，自动控制水池水塔中水位的高低，根据预先设定的水位自动启动水泵抽水，达到一定的水位后，自动关闭水泵停止抽水；2）通过低压电来控制继电器，完成对水池水塔供水的自动控制，安全可靠， 无需人工监控水塔内水位，就可长期自动地给水塔充分供水而保证不会溢出塔外，这样不仅让用户省力放心，而且不会造成水电资源的白白浪费，从而为家庭和社会节约人力和资财；3）其结构简单，生产制造成本不高，而且使用寿命长，可靠性高，操作维修方便。经过广西南宁地区多家单位实际应用，用户反映该自动抽水控制系统安全、稳定、可靠，完全无须人工参与，使用效果良好。

[1]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M].北京：电子工业出版社,2001.

[2]薛文,华明.电子元器件检测与使用速成[M].福州：福建科学技术出版社,2005.

[3]彭端.应用电子技术[M].北京：机械工业出版社,2001.