基于逻辑电路CD4066的数字水位控制器设计

刘胜奇

(长江工程职业技术学院,武汉 430212)

0 引 言

水是生命之源,是动植物体内和人的身体中不可缺少的物质,没有水就没有生命的存在。我国人均水资源占有量低,截至2022年,我国人均水资源总量不足2 000m3[1]。节水是解决我国用水问题的根本出路。水是工农业生产中的重要原料,更是城市发展的重要保障。在日常生活及工农业生产中,往往需要对水位进行监测并加以控制,水位监测与控制有机械控制、逻辑电路控制、机电控制、单片机控制、复杂计算机系统控制等多种实现方法[2]。时下市场上有一些采用浮球来控制水位的球阀和简单水位控制开关,这些产品价格低廉,但是无法自动控制水位的高低,以实现自动节水目的。随着我国工业的迅猛发展,基于单片机或复杂计算机系统水位控制技术已被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中,保证了设备正常安全运行,但这些系统从软件的开发到整个硬件的设计和铺设投入较大,整体价格较高,应用于太阳能热水器等产品仍受到一些经济上的限制,因此大规模的普及存在较大桎梏。

笔者设计了一款基于双向模拟开关集成电路CD4066的新型数字水箱自动水位控制器。该控制器质优价廉,能对水箱使用过程中可能出现的水位异常进行报警并自动完成上水、确保水箱水位的稳定可靠。该系统所用芯片应用广泛,设备制作成本低,既保证做到自动控制水位的高低,节约用水,又有自身控制系统的安全优势,具有很强的可操作性,可以广泛应用在太阳能热水器等产品中。

1 系统电路与工作原理

太阳能热水器一般都设在房屋的高处,热水器的水位在使用时不易观察,给使用者带来不便。该自动水位控制器可用于太阳能热水器的水位指示与控制,实现水箱中缺水或加水过多时自动发出声光报警并自动控制水位。

其电路结构如图1所示,当水箱水位低于设定水位时,由于180k电阻的作用,使双向模拟开关集成电路CD4066的4个开关的控制端13脚、5脚、6脚、12脚为低电平,开关S1、S2、S3、S4断开,CD4066的1脚、3脚、8脚、10脚为高电平,发光二极管VL1～VL4不亮,VT2导通,报警器低水位报警,同时,CD4066的1脚高电平作为可控硅VS的触发信号,触发可控硅VS导通,继电器K2得电工作,其常开触点K2闭合,水泵M得电抽水。随着水位的增加,加之水的导电性,使得CD4066的13脚变为高电平,S1接通,1脚变为低电平,VL1点亮,VT2截止,报警器低水位报警停止。当水位继续逐渐增加时,S2、S3依次接通,CD4066的3脚、8脚依次变为低电平,VL2、VL3依次发光指示水位。水满时,CD4066的12脚变为高电平,S4接通,10脚变为低电平,VL4发光,显示水箱水满,同时VT1、VT3导通。VT3导通,继电器K1得电,其常闭触点K1断开,可控硅VS失去阳极电压,由导通变截止,继电器K2失电,其常开触点K2由闭合变断开,水泵M停止抽水;VT1导通,水位报警器发出高水位报警声,提示水箱水位已满。不需要报警时,断开开关SA即可。

图1 数字水位控制器电路

在用水过程中,水箱水位逐渐降低,CD4066的12脚、6脚、5脚依次变为低电平,开关S4、S3、S2依次断开,10脚、8脚、3脚也跟随依次变为高电平,VL4、VL3、VL2依次熄灭。

当水箱水位低于设定最低水位时,CD4066的13脚变为低电平,1脚变为高电平,VT2导通,报警器低水位报警,同时,CD4066的1脚高电平触发可控硅VS导通,继电器K2得电工作,其常开触点K2闭合,水泵M得电又开始抽水,抽到水箱水位到最高水位为止,如此反复进行。这样就可以控制水箱水位,合理控制用水,达到节水目的。

2 系统功能组成

如图2所示,本系统由水位检测电路、水位显示电路、双向模拟开关集成电路、水位报警电路、控制驱动电路及电机工作电路等6部分组成,系统核心部分主要有双向模拟开关集成电路CD4066、水位显示电路、水位报警电路及可控硅控制驱动电路,本系统主要创新部分是利用双向模拟开关集成电路CD4066的开关功能,控制水位显示、水位报警及上水电机的工作状态,从而实现水位显示、报警及控制等功能,既降低了系统制造成本,又合理控制用水,达到节水目的。

图2 数字水位控制器功能组成

2.1 电源电路

本系统采用直流6V、1.5A电源供电。可以直接使用直流6V、1.5A电源适配器供电,也可以在本电路的基础上,添加交流220V经过变压、整流、滤波、稳压,变成直流6V电路,得到直流6V、1.5A电源。电源电路简单稳定,完全满足系统电源的要求。

2.2 水位检测电路

五个金属探针电极分别置于水箱里的五个不同的合适位置,作为水位探测电路。与电源相联的金属探针电极端部位置作为设定的最低水位,与水箱底部之间要有合适距离,不可直接接触;表示水箱满水的金属探针电极端部与水箱顶部同样要有合适距离,不可直接接触。为保证电路长时间正常工作,金属探针电极采用在水中不易腐蚀、不易附着水垢的黄铜材料。

2.3 开关集成电路

系统开关电路采用双向模拟开关集成电路CD4066,其电路图如图3所示,主要用作模拟或数字信号的多路传输。CD4066 的每个封装内部有4个独立的模拟开关,每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子,其中每一组的输入端和输出端可以互换。当控制端加高电平时,开关导通;当控制端加低电平时,开关截止。模拟开关导通时,导通电阻为几十欧姆;模拟开关截止时,呈现很高的阻抗,可以看成为开路。

图3 CD4066电路图

2.4 水位报警电路

利用VT18050、VT28550的开关特性,当水箱水位是最高水位时,VT1、VT2的基极都是高电位,VT1导通,VT2截止,6V有源蜂鸣器B发出报警声,当水箱水位到最低水位时,VT1、VT2的基极都是低电位,VT2导通,VT1截止,6V有源蜂鸣器B发出报警声。不需报警时,断开开关SA即可。

2.5 驱动电路及电机电路

利用单向可控硅VS的开关特性,当水箱水位到最低水位时,CD4066的13脚是低电位,开关S1断开,CD4066的1脚是高电位,触发VS,使其导通,继电器K2得电,电机电路接通,电机工作,水箱进水。当水箱水位到最高水位时,CD4066的12脚是高电位,VT3的基极是高电位,VT3导通,继电器K1得电,单向可控硅VS阳极失去电压,使其截止,开关K2断开,电机电路断开,电机停止工作,水箱停止进水。继电器K1并联电容C1,可以保证电路工作的稳定性并保护继电器K1。在外界供水条件较好的情况下,也可以把电机电路改为截止阀控制电路。

3 结 语

根据双向模拟开关集成电路CD4066的开关特性,创造性地将水位控制信号与该电路的开关特性进行了融合,设计了一款成本低、可靠性高、可控制性优的数字水位控制器,融入水位显示、报警和自动上水功能,用于解决水位信号显示、高低水位报警及水箱水位自动控制等问题,确保了水位自动控制过程的长期有效性,在能够实时控制水位并进行显示、报警的同时,能够有效保证水箱水位在有效范围,确保了水箱水位系统的稳定可靠。整个系统造价低、控制效果好,有助于实现水资源的精细利用。从长远来看,随着自动化技术的完善和硬件成本的降低,以及人们对现有资源的重视,水位自动控制系统仍然有着广阔的发展和应用前景。