一种用数字电路设计的水传感器

俞建军

(浙江机电职业技术学院，浙江杭州，310053)

0 引言

市场上关于涉水检测的方法及设备有多种，各有千秋，各有特定的应用场合[1]。论文介绍一种性能可靠，应用方便的水传感器，这是一种用数字电路设计的水传感器，具有报警器的功能，是一种能够发出“哗！哗！哗！”间断声的电路。

水传感器中必须产生能够使蜂鸣器发出声音的振荡声，就是说必须能够产生出人耳能够听得到的音频，该音频的频率与RC振荡器的频率相同，RC振荡器的阻容值与水声“哗”的音频频率匹配。

电路使用了两个RC振荡器来完成这种功能。一个是发出“哗—”这种连续水声的振荡器,另一个是使声音间断的振荡器。水传感器可每隔0.5秒发出“哗！哗！哗！”的声音，是因为使声音间断的振荡器每隔0.5秒发生一次“0”和“1”的交变输出，由与非门将这两个振荡器的输出混合，当与非门的一个输入端为“1”时，它具有将另一个输入反转输出的作用，所以每隔 0.5 秒重复“0”和“1”, 在“1”的期间发出“哗”的声音。

水传感器的工作利用了水导电时的阻值。根据水的电阻与1MΩ下拉电阻的分压比来决定是否发出声音。该传感器装置采用3V电池作电源，当把传感器探头部分直接短路时，如果发出“哗！哗！哗！”的声音就表明制作成功。

1 水传感器总体构成

图1 水传感器总体框图

所谓水传感器就是当电路中的某一处布线被水的电阻值短接时，传感器的蜂鸣器就会发声报警。该水传感器由以下五部分组成：探头触发部分，振荡电路部分，门控部分，扬声器驱动部分及电源部分等，图中箭头表示电源分布情况和信号流向。图2是水传感器的电路图。使用的集成芯片是74HC00（4个2输入的与非门），使用两个这种集成芯片产生蜂鸣声。电路结构中有基本的RC振荡电路，振荡信号通过的门电路，扬声器驱动电路等。

图2 水传感器的电路图

2 水传感器的具体电路设计

2.1 振荡电路部分

图2中，每个振荡电路部分由3个2输入与非门和2个电阻和及1个电容器组成，1个集成芯片74HC00包含4个2输入与非门，拿出3个用于振荡电路部分，第4个与非门用于门控部分，电源是2个串联起来的1.5V电池，作为3V电源使用。

使用的数字芯片是有4个2输入与非门的74HC00芯片，单个2输入与非门的两个引脚之间已经相互连接起来了，所以两个输入端输入相同的信号，在动作上只产生“0”与“0”以及“1”与“1”的组合，这种情况下与非门的动作就是输入的反转，即与反相器的动作相同。若用3个反相器、两个电阻及一个电容就可构成振荡器电路，这种电路叫做RC振荡电路，原始的RC振荡电路由集成芯片74HC04反相器构成[2]，见图3。

图3 反相器74HC04构成的RC振荡电路

图2中，水传感器共有两个振荡电路部分，分为振荡电路部分（一）和振荡电路部分（二），振荡电路部分（一）由与非门U1A、U1B、U1D，电阻R1、R2及电容C2构成，U1B和U1D因两输入引脚短接，变成反相器，U1A是否变成反相器由其输入引脚1决定，若引脚1是电平信号“1”，U1A的输入引脚2和输出引脚“3”逻辑“反相”，构成反相器，振荡电路工作，若引脚1为电平信号“0”，振荡电路部分被封锁，不产生振荡信号。与非门U1A的输入引脚1接水传感器的探头，振荡电路部分（一）是否振荡工作由水传感器的探头信号决定。电阻R2并联接在振荡电路部分（一）的输入和输出之间，电阻R2和电容C2一起决定振荡电路部分（一）的振荡频率，振荡频率为1/1.4R2C2，该频率是水声“哗”的音频频率。电阻R1接在U1A的输入引脚2，起限流保护作用。

图2中，振荡电路部分（二）由与非门U2A、U2B、U2D，电阻R4、R5及电容C4构成，其工作原理与振荡电路部分（一）类似，其振荡频率由R5和C4决定，振荡频率为1/1.4R5C4，该频率是水声“哗”间断的频率，该水声间断频率远小于水声“哗”的音频频率。

2.2 门控电路部分

图2中，门控部分的作用是根据振荡电路（二）变化的电平信号决定是否把振荡电路（一）的振荡信号输出给扬声器驱动部分，顾名思义，它具有门控的作用。2输入与非门U1C构成门控部分，其输入引脚9是振荡电路部分（一）的振荡信号，该信号是否输出由输入引脚10决定，若引脚10为高电平“1”则可输出，若引脚10为低电平“0”则振荡电路部分（一）的振荡信号被封锁，所以振荡电路部分（一）的音频信号通过门控部分的输出将时断时续。

图2中，扬声器驱动部分的作用是对通过门控的信号进行放大并且作为声音能够从扬声器发出。由于数字集成芯片的输岀只有“1”和“0”两种，所以所谓放大就是强化这两种状态，通常用一对互补的三极管Q1和Q2来工作，Q1是NPN晶体三极管8050，Q2是PNP晶体三极管8550，该放大电路是一种对振荡频率交变信号的放大。LS1是功率约100mW，电阻约8～32Ω的小型扬声器。

2.3 探头触发部分

图2中，探头触发部分由电容C1，下拉电阻R6及传感器探头组成，如果探头没有接触水，因下拉电阻的作用，与非门U1A和U2A的1号管脚为电平“0”，振荡电路部分被封锁，不振荡；如果水传感器的探头沾水，发生短接现象，短接电阻和下拉电阻R6对3V电源分压，分压电平接入U1A和U2A的1号管脚，若探头短接电阻的阻值小于下拉电阻R6的阻值（1MΩ），那么与非门U1A和U2A的1号管脚变为“1”，振荡电路部分就开始振荡。

2.4 低耗电设计

图2中，电源部分采用由两节1.5V干电池组成的电源，振荡电路部分和扬声器驱动部分平时在传感器不涉水时不工作，整个电路只消耗极小的漏电路，只有在传感器探头沾水，电路振荡报警时才消耗较大电流，该电路具有节电功能，电源部分待机使用时间较长。

2.5 传感器探头的制作

图4是水传感器探头工作的原理，该探头遇水即导通，产生分压电阻，是一种导通传感器，导通传感器是检测布线之间是否相互接触的电路，工作原理很简单，只是在布线接触时将通常处于“0”（通过下拉电阻的地电位）的门电路的输入变为“1”（电源电压的+3V）就可以了。

图4 水传感器探头的工作原理

图5是传感器探头的制作方法，在确认电路的正确动作之后，应制作相应的探头，水传感器探头属导通触发类型，所以制作起来很方便。降雨传感器探头是在比较宽的基板(5cmX10cm)上刻岀叉指状的电极条，这个传感器探头使用的基板的整个面上敷有一层铜箔,引线不能短路，也可以采用把铜箔贴在基板上的方法,电极的间隙约3mm。浴池水位检测器的探头是把两根硬引线直接插到欲检测的水面上，水位上来时，两根接触水的导线导通，两根引线的前端裸露触水部分是检测水位的探头。

图5 雨水传感器探头的制作方法

3 结论

水传感器只使用了两个数字集成芯片,所以部件的数目简洁，应用方便。水传感器采用2输入与非门74HC00芯片是为了控制方便，一是可由与探头相连的与非门来控制振荡电路部分是否工作，二是可由门控部分的与非门来控制振荡信号是否输出。如果振荡部分一直在工作着,就有电源提供的电流流过，所以我们要对原先由反相器构成的振荡电路进行改良,使它兼有振荡部分的功能和控制振荡的功能，进行这个改良的目的是减少待机时（不发声时）的电流。

水传感器的振荡电路部分，2输入与非门U1A和U2A的两个输入引脚都没有直接连接在一起，它是利用振荡电路中的门U1A和U2A来控制振荡部分的工作。与非门U1A和U2A的1号管脚是它的控制输入，为“1”时振荡，为“0”时停止。U1A和U2A的1号管脚接水传感器的探头，是否振荡由探头电平决定。振荡停止（待机）时的电流基本上只是集成芯片的漏电流，所以图2的电路作为水传感器电路非常适合于待机状态长的应用场合。

工业上使用的水位传感器有多种，大多采用微机控制系统[3]，汽车上也有各种涉水传感器[4-5]，有的可远程报警，这些传感器系统都较复杂，成本较高，安装和使用需要一定的条件，论文介绍的水传感器可检测水的有无，简便易用，耗电省，使用时间长，可作为降雨检测器和浴池水位检测器使用。