基于NE555的自动供水控制器设计

随着社会建设的飞速发展，高楼林立，耸入云端，如何将源水送入高层，不间断地向用户输送水质、水量和水压三方面都符合使用要求的水便是目前供水系统的主要任务。目前常采用的供水方式有水位供水、压力供水和变频供水等方式，其采用的供水设备控制箱多为强电控制方式，电路成本高、体积大，安装费工费时，运行噪声大，维护不方便，控制功能单一，继电保护功能不完善，信号采集实时性差，难以实现较高控制精度。本文针对以上问题以NE555集成电路为核心器件设计了一种自动供水控制器，利用电子电路的优势提高了控制的可靠性，完善了各种控制功能，一体化结构设计降低了成本。
1 NE555集成电路
　555时基电路[1]是一种多用途的数字—模拟混合集成电路，它具有控制、触发、电平检测比较以及放电和输出放大等功能，主要用于构成信号产生电路、定时电路、报警电路和控制电路。由于使用灵活、方便，所以在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等领域得到广泛应用。
　图1是一种双极型555定时器的电路结构图。它由两个高精度电压比较器、基本RS触发器和集电极开路的放电三极管三部分组成。为了提高电路的带负载能力，还在输出端设置了缓冲器，增加驱动器的目的是使555电路的最大输出电流可达200 mA，以便直接驱动继电器、小电机、指示灯、扬声器等负载。

2 控制器设计
　本文采用TI公司生产的NE555集成电路作为核心器件设计而成的控制器可配合压力罐、水塔等供水设备使用。控制器集自动控制、电机保护、故障报警于一体，其性能稳定、结构紧凑、功能齐全。
2.1 控制原理
　图2给出控制器的控制原理方框图。首先由供水控制电路起闭交流接触器，从而使水泵运行或停机。供水控制电路可由三种形式的控制信号接通：压力控制的电接点压力表，水位控制的水导电极，及储水池限位控制。水泵运行时，实时电流是否安全，通过检测电路分别与过流、断相保护电路门限值进行比较作为正常运行或保护的给定。电流表可直观地显示水泵运行工作电流，当水泵出现异常时，保护电路切断给水控制电路，水泵停止运行，同时发出报警。

2.2 控制电路
　水泵的运行或停机由供水系统的压力、水位检测信号或人为的手动信号控制。手动控制方式下，由不同的启动按键传递不同的控制信号触发NE555的2、6引脚，使3脚输出不同电平值驱动继电器，起停交流接触器，来控制水泵电机的工作。
　自动控制方式下，可通过不同的信号采集方式控制供水电路。图3为控制器内部设置的压力和水位控制电路接线方式。如图3(a)示，控制信号由电接点压力表检测获得。①端连接高点校正针(上表针)、②端连接气压针(中表针)、③端连接低点校正针(下表针)。当气压罐内压力低于下限设定值时，中表针和下表针接触，NE555的3脚输出高电平，电机运转，水泵向气压罐内注水，压力不断增大，中表针上移离开下表针，并与上表针相碰后，NE555的输出端电平翻转，电机停止运行。外界用水使罐内压力不断下降，当中表针和下表针再次相碰时，重复上述工作过程。如图3(b)示，控制信号由三根导线组成的传感器检测获得。①端为公共电极沉入水底，②、③端相连后连接上限位电极，④端连接下限位电极。当水位落到下限电极以下时，②、④均悬空，②、③通过电阻R12接通电源的负极，集成电路2、6端低电平触发，集成电路3脚输出高电平，继电器、接触器通电，接通水泵向水塔或水箱内注水，水位升高超过下电极后，电源Vcc由①端通过水电阻连接R14、R15，其分压后约为Vcc/2加于2、6端，电路仍处于保持状态，当水位满到上限电极时，①、②端通过水连通，2、6端电位高于2Vcc/3，3脚电平翻转，继电器、接触器释放，水泵电机停止工作。随着外界用水，水位不断下降，当水位低于下限电极时，重复上述过程。

　以上两种接线方式分别适用于气压罐自动供水系统和水塔水箱自动供水系统，用户在使用时可根据自己需求选择其中任意一种。
2.3 保护电路
　四运放集成器件LM324[2]采用14脚双列直插塑料封装，内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。它具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
　本文介绍的控制器的线路保护就是由一块LM324配合交流互感器和相应的执行机构来完成的，能准确实现电路的断相和过流判断。其电路原理图如图4所示。

　电路保护原理：H为三只互感器，当电机运行时三只互感器均有感应电压输出。产生的感应电压整定后加至集成运放LM324-A的正相输入端，其反相输入端的电位是由R5、R5′分压后取得，电机在正常运转情况下，LM324-A正相输入端电位明显高于反相输入端，LM324-A输出高电平。当动力线L1断相时H无输出电压。这时LM324-A的反相输入端电位高于正相输入端电位，输出端由高电平转为低电平。断相执行电路由KM切断电机电源同时发出报警信号。L2、L3断相后与之相同。
　电机正常运行时，H的感应电压稳定在某一数值上，由二极管D2等组成或门加在LM324-D反相输入端，正相输入端的电位由电阻R7、电位器R8的分压得到。调整R8可使正相输入端电位刚刚大于反相输入端电位，LM324-D正常情况下输出高电平。当电机运行中因过载、阻转、滞转、工作电压偏低等原因造成电机工作电流增大时，H的感应电压随之增高，致使反相输入端的电位高于正相输入端，LM324-D翻转输出低电平，过流执行电路切断电机同时发出报警信号。
　为了保证整个供水系统的安全稳定运行，除以上保护外，控制器还设有电流表直流放大电路、限位及报警电路[3]等。
　设计的自动供水控制器在实验室安装调配后，与电接点压力表配合，可构成压力罐压力自动控制系统；与三根水导电极配合，可构成水塔水箱等水位自动控制系统；运行演示具有储水池无水停机、限位自保功能；具有电动机断相保护功能，切断时间t≤2 s，切断后同时报警；具有电动机过流保护功能，切断后同时报警、延时4~7 min自动复位。
　目前控制器投放本地市场，以其优廉的价格，良好的性能受到广大用户的好评，有着广阔的发展前景。
参考文献
[1] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.
[2] 谷立新.电工电子技术基础[M].重庆：西南师范大学出版社，2009.
[3] 李加升.基本光敏器件的光控电路分析[J].益阳职业技术学院学报，2006(1).
[4] 何香玲.555时基电路的研究与应用[J].电子技术，2009(5).
[5] 庄若杉.电气系统安装与调试技术[J].安装，2006(7).