水位报警器模型的设计与制作*

2021-01-06王姝曼张忠雪董栩含

物理通报 2021年1期

关键词：浮子报警器电路图

孙鹿魏靓王姝曼张忠雪董栩含

[中国地质大学(北京)地球科学与资源学院北京 100083]

李庚伟

[中国地质大学(北京)数理学院北京 100083]

1 水位报警器模型的研究意义

随着计算机技术和现代通信技术的发展，水位报警器已经从普通型向智能化发展，功能也逐渐趋向完善，而且其理论基础和相关技术也在不断进步．本次实验就是在这一基础上进行的水位报警器模型的设计和制作．

我们了解到水位报警器至关重要的作用，且对其市场进行了一定的调查，发现大多数水位报警器价格昂贵，内部组成复杂，维修和改进也较为复杂，而且大多数水位报警器只具有现场报警的作用，功能较为单一[1]．因此我们对其内部结构进行一定了解之后，做了进一步改进，做出原理简单、维修方便、经济适用且可远程操控的水位报警器模型．

物联网是近几年发展起来的一项技术，是互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通，是硬件设备和互联网结合的产物．我们的研究是想通过电路以及与电路相连接的互联网设备对电路的监控达到实时监控水位的目的．

2 实验原理

在生活中,为提高水位报警的可靠性,可同时使用机械接点法和液位传感器法．我们在考虑条件以及现有知识之后选择了带有电信号的机械接点法以及普通的机械运动带动电路开闭而非振荡电路[2，3]，便于之后电信号传入继电器．

继电器模块是智能系统控制的基本单元模块，通过低电压来控制高电压，强电压，即基本电路用来发送信号，而弱电压作为信息传输系统，实现多种设备对于电路的控制．研究采用的继电器模块电压为24V．在组装的水位报警器中，继电器模块被接入一个有源电路中，接线方式如图1所示[4]．

图1 有源开关接线示意图

3 水位报警器模型的制作过程

在设计相应的电路图，并选择了合适的WiFi模块后，置备了相关的材料，准备依据电路图进行实际材料的连接与实验，再通过不断地做实验发现不足，不断改进，得到合理的装置．

可以使用并联电路及双头开关显示水位高度(图2)．并联电路运行较简便，使用的元件简单，费用较低，元件损伤较低，可以在一定程度上承受电路短路带来的损害．双头开关的使用也可使电路通过小灯泡与电铃的使用呈现水位情况．但是这种方法相对来说可控制电压调节范围较小，且不能和移动设备相连表现其智能功能．

图2 并联电路与双头开关

相比之下，使用电磁继电器连接水位控制开关及电路更为方便．相比上面的并联电路，使用电磁继电器的电路多了物联的功能．实验中的水位报警器采用最简单的电路设计，使单刀双掷开关与并联的绿灯和电铃的一端连接，通过水中浮球的上下浮动改变单刀双掷开关的位置来控制绿灯和电铃的工作状态(图3)．当位于安全水位时，绿灯亮；当水位逐渐上升时浮球受到一定的浮力，带动杠杆，根据杠杆原理，开关与绿灯的连接断开，当水位上升到一定程度时，使电铃与电路接通，发出警报；当水位下降恢复正常时，又重新与绿灯接通．绿灯和电铃的另一端接入继电器的输入端，继电器输出端与电源负极相连，形成一个完整的电路，运用WiFi模块加强与传递信号，即可实现移动设备与电路的信号传输，并达到监视水位的目的．

图3 水位报警器电路图

在实验过程中，主要的问题包括电路图设计的合理性、各部件的安装、WiFi模块的调试等，具体问题及解决方法如下：

(1)有多种电路设计方案，我们通过对每种方案的优缺点对比选择了更适合我们所设计的水位报警器的电路图．

(2)在初期实际材料组装时存在不合理之处，造成操作不便，实际电路不清楚明了，之后多次试验发现问题并及时调整，使装置简单明了．

(3)WiFi模块调试过程中由于专业知识的不足形成了困难，通过设置WiFi用户名与密码可以正常使用．

4 实验成果及结论

目前，已完成水位报警器的设计与制作，实物图如图4所示.该水位上升报警器在水位未上升到危险水位且正常工作时，由于摩擦力和浮子重力的影响，浮子悬空于水位之上，电路连通，正常小灯泡亮，当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时，电路仍是连通状态，小灯泡亮，当水位上升到危险水位时(量杯500 mL，容量的一半)，由于此时浮力超过静摩擦力和重力的影响，浮子向上运动，摩擦系数减小，摩擦力减小，浮子迅速向上带动开关位置向下与蜂鸣器连通．普通小灯泡熄灭，蜂鸣器响起报警，并通过WiFi模块向我们的手机发送信号，实现水位变化时及时发出警报，进行远程监控报警的效果．大大的降低了人力物力的使用．