（三）水塔水位自动控制系统设计
为了便于设计的实施和制作，计划设计制作一个水塔水位自动控制系统模型。
1、设计要求：
（1）设计和制作一个水塔水位闭环电子控制系统的模型。 （2）能全真模拟水塔中水位的自动控制。 2、设计分析：
（1）根据对设计要求的分析，要求当水塔水位达到高水位时要启动水泵供水，当水塔水位低到水塔低水位时能自动关闭水泵，因此必须对水位进行检测，并能反馈所测的结果，实现这一控制需要采用闭环电子控制系统。
（2）根据水塔水位闭环电子控制系统方框图，设计出合适的输入、控制器（处理）、执行器、被控对象、检测装置的实用电路、电子元器件、设备等。
控制量 输入 控制器(水流量） 执行器 控制对象 输出 (实际水位） （设定水位） （集成电路） （水泵） （水塔） 检测装置 (水位探头) ①输入
由三根裸露的硬铜电线组成水位探头，如右图所示，其中A是零水位探头，B是低水位探头，用来探测水塔低水位，C是高水位探头，用来探测水塔高水位。
调整探头位置，可以预置水塔中的高低水位位置。
②控制器（处理）
它由集成电路等组成，根据预置的高、低水位和水位传感器反馈的水塔实际水位信号进行比较，再经判断，发出向水塔送水或停止送水的指令。
③执行器
执行器由电磁继电器、水泵等组成，其中电磁继电器控制水泵的开和关，水泵将水池中的水送入水塔。
④被控对象
被控对象是水塔及水塔中的水位。 ⑤检测装置
三根水位探头组成一个传感器，对水塔水位随时进行检测，并把信号反馈至比较器。
3、设计方案：
a b 低水位 AB C c 高水位 水塔 水塔中的水位探头 1
（1）水塔水位闭环电子控制系统示意图
水位探头 水塔 放水管 进水管 水泵 控制器 水池 水位闭环电子控制系统示意
（2）水塔水位闭环电子控制系统工作过程 ①接通整个系统的电源。
②当水位传感器中的低水位探头B探测到水塔中的水位处于低水位状态时，它立即把这个信号送入比较器，经比较器比较后，产生一个触发电压，控制器受到触发后，发出进水的指令信号，指令经输出接口电路放大后推动继电器动作，接通水泵电源，水泵开始向水塔供水。
③注水后的水塔水位不断升高，当水位升高到c时，水面与水位传感器的高水位探头C接触，立即产生一个电信号，并把信号反馈给比较器，比较器比较后产生一个触发电压，控制器发出停止进水指令，电磁继电器立即关闭电动机的电源，水泵停止供水。
④当水塔水位降到低水位b以下时，便重复②的控制，这样不断循环，从而使水塔源源不断地供水。
（四）选择、制作电子元件和器材
2
完成设计后，就面临着如何选择电子元件和自制器材，这也是完成控制系统模型制作的重要环节。
（1）控制器电子元件的选择 组成控制器控制系统的电路，可以有三种选择，一是用晶体管组成控制系统电路（见附件1）；二是用集成电路组成控制系统的电路，如可用JN6201集成电路或CB7555集成电路（见附件2）；三是采用定型产品液位继电器（右图）。第一种是要用二极管三极管等晶体管材料自已组装成电路，第二种
是购买现成的集成电路板，第三种液位继电器是定型产品，质量可靠，已经把集成电路和继电器做在一起，可以直接控制小功率电器。从电路的稳定性、便于安装考虑，我们选择了第三种液位继电器作为控制电路。
液位继电器 齿轮泵
（2）执行器的选择
执行器主要由电机和水泵组成，水泵的种类有很多，如；离心泵、活塞泵、
齿轮泵、潜水泵、管道泵等（见附件3）。因离心泵要加自动引水装置（小区、单位等供水量大的一般都用离心泵，而且目前自动加引水装置技术也已成熟，有各种不同的类型和原理，见附件4、5），潜水泵不便安装，经考虑我们选择了不用加引水，而且效率较高且体积较小的齿轮泵。
（3）被控对象水塔的选择
水塔选用了透明的又便于安装传感器的塑料瓶代替（右图）。水塔下的阀门用小球阀（要注意和出水管径相一至），水池用一个长方形的塑料盆代替（见附件8）。
（4）检测装置的选择
目前实际中使用的有用三根导线作探头的
水位探头
水塔
3
也有用干簧管的，干簧管一般用于大型水塔（原理图见附件6），我们选择成本较低的三根硬铜线作探头，用比较粗的铜心护套线中导线来制作，既实用又经济。
（五）安装和调试
在准备了以上元器件后，便进入安装调试阶段，为了少走弯路，分了以下几个步骤。
（1）连通电路：简单地把控制系统电路连接起来（见附件7）。 （2）将探头放入水杯中，水泵进水管放入有水的盆中，接通电源，此时水泵工作，将水打入有探头的杯中，当水位到达高水位时，水泵能自动停止工作。这时减少杯中的水到低水位时，水泵又开始工作，试验成功。
（3）在初步成功后，对系统进行了优化，并按示意图进行组装，不但要考虑安装的正确，还
要考虑布局的美观，最后我们终于设计和制作成功（下图）。
安装
4
（六）供水控制系统自动化发展前景和趋势
随着科学的发展和技术的进步，一种新的高科技的供水控制系统模式，已在一些高档楼盘投入使用，这种被称为“二次加压”的新模式，已取消了水塔供水的二次供水模式，而采用了二次加压，水厂的水供到用户水池，由水泵直接向各家各户供水，这种技术的核心是，水泵用的是变频水泵（和变频空调同一原理），当用户用水量大时，管道内压力降低，水泵转速加快，以保证管道内的压力，
当用户用水量减少时，管道内压力增高，水泵转速减慢，能始终保持管道内的压力，从而保证各户的正常用水。这种供水模式的优点是不用水塔，减少了水的二次污染的可能，目前长兴“国际花园”等高档楼盘已用上了这种供水模式。缺点是一次性投资较大，设备的技术维护费用增加，但这是一种发展趋势。但目前水箱水位闭环电子控制系统在用水量不大的单位、农村，矿井地下水的排泄等场所仍有广阔的空间，在若干年内两种模式将共存发展，相信会有更现代化的供水模式产生，因为科学和技术的发展是无限的。
二次加压新模式 四、水箱水位闭环电子控制系统使用说明书
1、通过注水口向水池（方盆）中注入半池水。 2、关闭水塔下阀门。 3、接通电源后打开电源开关。
4、水泵开始供水，当水位到达高水位时水泵自动关闭，停止供水。 5、打开水塔下的阀门。
6、水塔开始放水，到达低水位时，水泵自动启动，向水塔供水。 7、把水塔下阀门适当关小（放水速度小于供水速度）。
8、此后便进入自动循环状态，到高水位时水泵停止工作，低水位时自动启动水泵。
五、设计感言
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经过这次设计，我们深深地感到综合实践活动的重要性，我们经历了调查、了解、收集资料、分析问题、研究问题、解决问题、通过交流展示各自的研究成果等全过程。培养了我们的问题意识，培养了我们的收集、处理信息的能力，培养了我们的动手实践能力，培养了我们的合作意识，培养了我们的社会责任感。所有的这一切将使我们终身受益。在设计中我们遇到了不少的困难，明显感觉到自己的知识很匮乏，增强了我们学习的动力，明确了学习的目的性。我们希望综合实践活动开展的越来越好，我们将动员更多的同学加入到这个活动中来。
参考文献：
[1]顾建军，《电子控制技术》，江苏教育出版社，2004年12月第1版 [2]顾建军，《技术与设计》，江苏教育出版社，2004年8月第1版
附件1：晶体管组成的水箱闭环控制系统电路图
附件2-1：JN6201集成电路组成的水箱闭环控制系统电路图
6
附件2-2：CB7555集成电路组成的水箱闭环控制系统电路图
附件3：各式水泵
1、潜
水泵：
7
2、离心泵：
附件4：真空引水装置图
（实现从真空引水到水泵启动过程全自动控制 ）8
附件5：离心式水泵自动引水装置原理
9
补水 真空引水罐 供水 水泵 上水管 水池
说明：
当水泵工作时，先抽走真空引水罐中的水，使真空引水罐中形成真空区，迫使水池中的水进入真空引水罐，从而有效的解决了水泵的抽空问题。这种离心式水泵自动引水装置在实际中广泛应用。
附件6：干簧式水（液）位自动控制器原理图
10
继电器 水泵 高水位 磁性传感器（干簧管） （常闭触点） 套管 工作原理：
低水位 磁性浮球 水塔
磁性传感器（干簧管） （常开触点） 当水位到低水位时，磁性浮球下降到低水位，干簧管闭合，使继电器工作，水泵启动。当水位到高水位时，磁性浮球上降到高水位，干簧管断开，使继电器断开，水泵停止工作。能始终发出高水位停泵，低水位开泵信号，达到自动控制水位的目的。
附件7：控制系统电路安装过程：
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附件8：水池
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