2、第二種控制方案的設(shè)計(jì)

如下圖：

在本方案中,，浮球,、連桿、重錘,、水位檢測(cè)電位器等構(gòu)成水位檢測(cè)裝置,，它們與水塔水池形成一個(gè)整體，檢測(cè)電位器的三根引線與遠(yuǎn)處控制室中的比較器連接,，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離控制水位,。

本方案的控制過(guò)程：移動(dòng)水位設(shè)定電位器的滑塊設(shè)定水位的高低，設(shè)此時(shí)同相輸入端（+）的電壓高于反相輸入端（-）的電壓,，比較器輸出高電平,，執(zhí)行器也輸出高電平，水泵抽水,，水池水位上升,；浮球上浮連桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)檢測(cè)電位器滑塊向右移動(dòng),，檢測(cè)電位器輸出的電壓升高,；若檢測(cè)電位器輸出的電壓高于設(shè)定電位器輸出的電壓,，即反相輸入端（-）的電壓高于同相輸入端的電壓，比較器輸出低電平,，執(zhí)行器也輸出低電平,，水泵停止抽水。隨著水池水位的下降,，水位檢測(cè)電位器輸出的電壓也在下降,，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定電位器輸出的電壓時(shí)，上述過(guò)程又重復(fù)進(jìn)行,。

本方案實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的水位調(diào)節(jié),，但還存在著當(dāng)水位稍有下降時(shí)，水泵又被啟動(dòng),，也即還是存在水泵頻繁啟動(dòng)的問(wèn)題,。

（三）加入控制器實(shí)現(xiàn)水泵的間隙抽水

1、為了解決水泵頻繁啟動(dòng)的問(wèn)題,，可讓水池水位降到一定低的位置時(shí)啟動(dòng)水泵,，水位達(dá)到我們?cè)O(shè)定的水位時(shí)再關(guān)閉水泵。在此我們引入了控制器,。

A,、控制器模塊

①模塊外形結(jié)構(gòu)：

 控制器模塊的+12V電源端、地,、輸出及指示都與比較器相同,，其輸入有兩組（共四個(gè)），一般兩組中各有一個(gè)輸入端被使用,，低電平開(kāi)這一端表示當(dāng)將低電平開(kāi)與地連接一下,，輸出就是高電平，將低電平關(guān)與地連接一下,，輸出就是低電平,，這里的低電平、高電平也分別是0V和+6V,。當(dāng)使用高電平開(kāi)或關(guān)時(shí),，應(yīng)分別斷開(kāi)相應(yīng)的連接片，將控制信號(hào)接入,。并且接線片斷開(kāi)時(shí),，在模塊內(nèi)部已接了高電平，也就是即使外面不接高電平,，斷開(kāi)的這一端也產(chǎn)生了高電平,，模塊也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。這是為簡(jiǎn)化使用方法而設(shè)計(jì)的。

②模塊內(nèi)部電路：

B,、認(rèn)識(shí)控制器

a,、利用上述電路和連接件體驗(yàn)控制器的一個(gè)功能。

①用連接件先將低電平關(guān)與地短接一下,，注意此時(shí)輸出指示燈的亮滅情況,。

結(jié)果：應(yīng)是滅。

②先猜測(cè)一下用連接件將低電平開(kāi)與地連接,，輸出指示燈亮還是滅,？然后連接以進(jìn)行證明。

③如果將連接線斷開(kāi),，讓學(xué)生猜測(cè),，輸出指示燈還亮著嗎？然后進(jìn)行證明,。

結(jié)果：盡管低電平開(kāi)與地已經(jīng)斷開(kāi),，但輸出指示燈沒(méi)有隨著熄滅，而是繼續(xù)亮著,。

④問(wèn)題：如何使輸出指示燈滅,？

結(jié)果：只要將低電平關(guān)與地短接一下。

⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)論：控制器具有記憶功能,。

⑥分別將低電平開(kāi)與+6V（高電平）連接（注意：這個(gè)+6V只供這里的試驗(yàn),，不能對(duì)外供電，因?yàn)樵趦?nèi)部接了電阻,，用來(lái)保護(hù)模塊），低電平關(guān)與+6V（高電平）連接,，讓學(xué)生猜測(cè)指示燈的亮與滅,。然后加以證明。

結(jié)果：高電平無(wú)法通過(guò)低電平控制端實(shí)現(xiàn)模塊的開(kāi)和關(guān),。

⑦通過(guò)上述步驟得出：

  低電平開(kāi)和低電平關(guān)這兩個(gè)控制端,，只對(duì)低電平信號(hào)有響應(yīng)，控制器具有記憶功能,。

b,、利用上述電路繼續(xù)體驗(yàn)控制器的另外兩個(gè)控制端的功能

①先將高電平開(kāi)的兩個(gè)螺絲松開(kāi)，取出連接金屬片,，取兩條連接線分別接在這兩個(gè)接線柱上,，連接線的另一端都插入水中，不要相碰,。

②再取一條連接線將其一端接地,，另一端與低電平關(guān)觸碰一下，讓指示燈熄滅,。

如下圖：

③將①中的兩條導(dǎo)線的連接片從水中取出（此時(shí)高電平開(kāi)這一端從模塊內(nèi)部產(chǎn)生了高電平）,，注意指示燈的亮滅,。（指示燈亮）

說(shuō)明：高電平開(kāi)與下面的高電平關(guān)中的高電平不需要外電路提供，只要將高電平開(kāi)或高電平關(guān)與地之間的連接金屬片取出,，模塊內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生高電平,，這是為了簡(jiǎn)化模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)而降低學(xué)生的操作難度而設(shè)計(jì)的，當(dāng)然外電路提供也可以,。

④讓學(xué)生猜測(cè)將兩接線片重新插入到水中,，指示燈亮還是滅。

結(jié)果：指示燈還是亮,。

⑤將高電平開(kāi)的連接金屬片重新連上,，取出高電平關(guān)的連接金屬片，同樣取兩條連接線分別接在這兩個(gè)接線柱上,，連接線的另一端都插入水中,，不要相碰。

如下圖：

⑥讓學(xué)生描述操作的過(guò)程（方法）,，及應(yīng)產(chǎn)生的現(xiàn)象,。

……

……

⑦結(jié)論：控制器的不同控制端都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的功能，控制器具有記憶功能,。

通過(guò)上面反復(fù)的體驗(yàn),，學(xué)生對(duì)控制器模塊有了一定的了解。

2,、利用控制器實(shí)現(xiàn)水塔抽水的間隙控制——水塔控制系統(tǒng)的第三種設(shè)計(jì)方案,。

如下圖：

在本例中，當(dāng)水位達(dá)到綠色電極時(shí),，綠色電極通過(guò)水與黑色電極連通,，即低電平關(guān)與地連接，控制器輸出低電平,，執(zhí)行器輸出低電平,，水泵輸入電壓為低電平，也即水泵電壓為零,，水泵停止抽水,。

隨著水池中的水被不斷放出，水池水位下降,，綠色電極露出水面,，低電平關(guān)獲得高電平，但對(duì)控制器的輸出沒(méi)有影響,。水池水位繼續(xù)下降,，紅色電極露出水面，紅色電極與黑色電極斷開(kāi)，即紅色電極不再接地,，也即高電平開(kāi)獲得高電平,，控制器輸出高電平，執(zhí)行器輸出高電平,，水泵得電開(kāi)始抽水,。水池水位上升，紅色電極通過(guò)水與黑色電極連通,，即紅色電極接低電平,，但低電平不對(duì)控制器產(chǎn)生作用，水泵繼續(xù)工作,，直到水位達(dá)到綠色電極,，水泵才停止工作。

在本例中,，由于設(shè)定了進(jìn)水水位,，和停止進(jìn)水的水位，使得水泵的工作是間隙進(jìn)行的,。保護(hù)了設(shè)備,。開(kāi)始進(jìn)水的水位高低可以通過(guò)變紅色電極的高低來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)束進(jìn)水的水位高低可以通過(guò)改變綠色電極的高低來(lái)實(shí)現(xiàn),。這里實(shí)際上有兩個(gè)比較器,，只不過(guò)通過(guò)機(jī)械位置的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3,、水塔控制系統(tǒng)的第四種設(shè)計(jì)方案,。

第三種方案雖然實(shí)現(xiàn)了水位高度的控制，在現(xiàn)實(shí)生活中,，我們經(jīng)常希望能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,，因此我們還有對(duì)第三種方案進(jìn)行優(yōu)化的可能。下圖是第四種方案,。

本系統(tǒng)的工作過(guò)程：

①將水位設(shè)定電位器的滑塊，移到需要的位置,，即設(shè)定了水池中水面能達(dá)到的最高位置,。也即給比較器的同相輸入端設(shè)定了一個(gè)電壓。

②檢測(cè)電位器滑塊所在的位置通過(guò)浮球,、連桿,、重錘等作用而受水池水位的控制，設(shè)此時(shí)檢測(cè)電位器輸出的電壓比設(shè)定電位器輸出的電壓低,，即比較器的反相端電壓低于同相端的電壓,，比較器輸出高電平（6V）,由于此輸出端是接控制器低電平關(guān)的，因此控制器輸出不變，即維持原來(lái)的高電平輸出,，水泵繼續(xù)抽水,。

③隨著水位的上升，檢測(cè)電位器輸出的電壓超過(guò)了設(shè)定電位器輸出的電壓,，比較器輸出低電平（0V）,，這一低電平使控制器產(chǎn)生響應(yīng)，輸出低電平,，水泵失電而停止抽水,。

④隨著水池水位的下降，當(dāng)檢測(cè)電位器的電壓下降到比設(shè)定電位器電壓低時(shí),，比較器輸出高電平（6V）,，但這個(gè)高電平不構(gòu)成對(duì)控制器的控制作用。

⑤水池水位繼續(xù)下降,，當(dāng)下降到綠色電極露出水面,，也即高電平控制端不再通過(guò)水接地，此時(shí)高電平開(kāi)控制端獲得高電平,，控制器輸出高電平,，水泵得電抽水。水池水位在上升,。

⑥又回到②的狀態(tài),，不斷循環(huán)。

本系統(tǒng)由于將控制器,，比較器等有機(jī)的結(jié)合在一起,，實(shí)現(xiàn)了高水位的遠(yuǎn)程控制。

總結(jié)：

    水塔控制系統(tǒng),，還有許多值得優(yōu)化的地方,，可供學(xué)有余力的學(xué)生繼續(xù)改進(jìn)。本系統(tǒng)的模塊,，還可進(jìn)行其他擴(kuò)展應(yīng)用,，如教材中的定時(shí)抽水系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)），聲控?zé)?、光控?zé)舻取?/p>

本材料的特色：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，面對(duì)不同層次的學(xué)生，可進(jìn)行不同的實(shí)踐活動(dòng),，每個(gè)模塊,，經(jīng)簡(jiǎn)單的與電源連接，就可以探究其功能,，在連接較復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí),，由于每個(gè)模塊,，都有輸出，電源等指示,，容易發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,，降低的學(xué)生實(shí)踐中的難度。

模塊設(shè)計(jì)了較多的保護(hù)措施,，用12V電源供電,，模塊任何接線錯(cuò)誤，都不會(huì)導(dǎo)致模塊的損壞,，保證了學(xué)生活動(dòng)的順利開(kāi)展,。

模塊的可通用性、及擴(kuò)展性都較強(qiáng),，便于進(jìn)行更廣泛的應(yīng)用,。

    設(shè)計(jì)過(guò)程符合人的認(rèn)識(shí)過(guò)程，也符合設(shè)計(jì)思路的形成過(guò)程,，逐漸深入,。

    模塊易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，希望有志于此的同仁合作開(kāi)發(fā),。