針對小明設(shè)計的水箱水位電子控制系統(tǒng)中控制電路部分有待補充完整的問題，本設(shè)計將利用555集成電路構(gòu)建一個可靠的水位檢測與水泵驅(qū)動電路。根據(jù)要求，系統(tǒng)需實現(xiàn)當(dāng)水位低于探頭b時，電動機自動啟動帶動水泵抽水，水位恢復(fù)后自動停止。
一、 系統(tǒng)設(shè)計原理
555集成電路在此應(yīng)用中配置為施密特觸發(fā)器模式，利用其輸入電壓與閾值比較后產(chǎn)生明確的高低電平輸出的特性。其邏輯關(guān)系可概括為：當(dāng)輸入電壓（通常由探頭檢測的水位狀態(tài)轉(zhuǎn)換而來）低于某個閾值時，輸出高電平；當(dāng)輸入電壓高于某個閾值時，輸出低電平。這種滯回特性可以有效防止水位在臨界點附近波動時造成的電機頻繁啟停（即“水泵抖動”現(xiàn)象），提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
二、 電路組成與工作過程
- 水位探測部分：需要三個金屬探頭（通常為不銹鋼材質(zhì)），分別安裝在水箱內(nèi)部的不同高度。假設(shè)從高到低依次為探頭a（高水位限）、探頭b（低水位檢測點）、探頭c（公共端/接地端）。探頭c始終浸入水中或與水路電氣連接。水位變化會導(dǎo)致探頭a、b與探頭c之間的通斷狀態(tài)改變。
- 信號轉(zhuǎn)換與555控制電路：
- 將探頭b和探頭c的信號接入一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)或直接作為開關(guān)信號，轉(zhuǎn)換為555芯片的輸入電壓（通常接入
TRIG(引腳2) 和THRES(引腳6) 并短接）。
- 關(guān)鍵設(shè)計：當(dāng)水位高于探頭b時，b與c通過水體導(dǎo)通，使得555的輸入電壓被拉高（接近Vcc或一個高電平）。根據(jù)555施密特觸發(fā)器邏輯，此時輸出端（引腳3）為低電平。
- 當(dāng)水位低于探頭b時，b與c之間斷開，通過一個上拉電阻（連接至Vcc）或分壓網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，使得555的輸入電壓降低到一個低電平。此時，555輸出端（引腳3）翻轉(zhuǎn)為高電平。
- 驅(qū)動與執(zhí)行部分：
- 555的輸出引腳（3腳）的高電平，用于驅(qū)動后級電路控制電動機。由于555的輸出電流有限，不能直接驅(qū)動水泵電機。
- 需要補充一個驅(qū)動級，例如使用一個NPN型三極管（如S8050）或一個繼電器驅(qū)動電路。
- 方案A（晶體管驅(qū)動直流電機）：555輸出高電平時，通過一個限流電阻使三極管飽和導(dǎo)通，從而接通直流電機的電源回路，電機運轉(zhuǎn)抽水。
- 方案B（繼電器驅(qū)動交流水泵）：555輸出高電平時，驅(qū)動三極管使繼電器線圈得電，繼電器常開觸點閉合，接通交流水泵的電源，水泵工作。此方案更常見且安全，可實現(xiàn)強弱電隔離。
- 自鎖與防抖：555自身的施密特特性提供了電壓滯回，構(gòu)成了基本的防抖功能。如果需要更復(fù)雜的邏輯（如達到高水位a后才停止），則需要將探頭a的信號也引入，可能需使用另一個555或門電路構(gòu)成RS觸發(fā)器邏輯，但根據(jù)當(dāng)前題目要求（僅低于b時抽水），上述基本電路已滿足。一個常見的改進是加入一個由探頭a（高水位）反饋的復(fù)位信號到555的
RESET（引腳4）或通過二極管邏輯與輸入腳連接，實現(xiàn)水位達到a點時強制輸出低電平停止抽水。
三、 待補充控制電路示意圖（文字描述）
完整的補充電路連接建議如下：
- Vcc（例如+12V）通過一個電阻R1（如10kΩ）連接到555的引腳2和6（短接后的節(jié)點，稱為“檢測節(jié)點”）。
- 探頭b連接到“檢測節(jié)點”。
- 探頭c連接到電路地（GND）。
- 在“檢測節(jié)點”與地之間，可以連接一個較小的電容（如0.01μF~0.1μF）用于濾除水波抖動引起的干擾。
- 555的引腳4（復(fù)位）和引腳8（電源）接Vcc，引腳1接地。
- 引腳5（控制電壓）通過一個0.01μF電容接地以穩(wěn)定比較閾值。
- 引腳3（輸出）通過一個電阻R2（如1kΩ）連接到NPN三極管（如S8050）的基極。三極管的發(fā)射極接地，集電極連接繼電器線圈的一端。繼電器線圈的另一端接Vcc，并在線圈兩端反向并聯(lián)一個續(xù)流二極管（如1N4007）。繼電器常開觸點串聯(lián)到水泵（交流220V或直流電源）的主回路中。
四、 工作流程
- 初始/水位正常（水位高于b點）：探頭b-c導(dǎo)通，檢測節(jié)點電壓為低（被拉向地），555輸出低電平，三極管截止，繼電器斷開，水泵不工作。
- 水位下降至低于b點：探頭b-c斷開，檢測節(jié)點電壓通過R1被上拉至高電平（>2/3 Vcc），555輸出立即翻轉(zhuǎn)為低電平嗎？錯誤。更正：當(dāng)輸入（引腳2/6）電壓上升至高電平（>2/3 Vcc）時，555輸出應(yīng)為低電平；當(dāng)輸入電壓下降至低電平（<1/3 Vcc）時，輸出才為高電平。因此，關(guān)鍵邏輯需要重新對應(yīng)：
- 正確對應(yīng)關(guān)系：必須設(shè)計成水位低于b時，輸入電壓為低（<1/3 Vcc），輸出高；水位高于b時，輸入電壓為高（>2/3 Vcc），輸出低。
- 修正設(shè)計：因此，探頭b不應(yīng)直接接檢測節(jié)點。應(yīng)改為：探頭c接Vcc（或一個上拉源），探頭b接檢測節(jié)點。當(dāng)水位高于b時，b-c導(dǎo)通，檢測節(jié)點被接至Vcc（高電平），輸出低；水位低于b時，b-c斷開，檢測節(jié)點通過一個下拉電阻接地（變?yōu)榈碗娖剑敵龈摺Ｏ吕娮柚敌枧c內(nèi)部/上拉電阻配合設(shè)置合適分壓。
- 水位回升至高于b點：輸入電壓再次被拉高，555輸出翻回低電平，三極管截止，繼電器斷開，水泵停止工作。
通過以上設(shè)計與修正，系統(tǒng)即可可靠實現(xiàn)“水位低于探頭b時，電動機自動抽水”的核心控制功能。整個電路結(jié)構(gòu)簡潔，成本低廉，可靠性高，是經(jīng)典的水位自動控制解決方案之一。
