在觀賞魚養殖或家庭水族箱管理中，維持水位的穩定至關重要。水位過低不僅影響觀賞效果，更可能危及魚類生存。本文基于NE555時基集成電路，設計一種簡單、可靠、低成本的魚缸水位自動控制裝置，其核心目標是：當水位低于預設的下限（如圖1中的b點）時，自動啟動電動機抽水；水位恢復到安全范圍后，自動停止抽水。

一、 系統工作原理與NE555功能概述

整個控制系統的核心是NE555集成電路。NE555是一種極富盛名且應用廣泛的模擬-數字混合集成定時器芯片。根據圖1中提供的輸入輸出關系表，我們可以將其在本次設計中的工作模式理解為一種施密特觸發器（雙穩態模式） 或由外部傳感器觸發的單穩態模式的變體應用。其核心特性是：輸出狀態（高電平或低電平）由特定引腳（如觸發引腳TRIG和閾值引腳THRES）的電壓與內部參考電壓的比較結果決定，具有滯回特性，可以有效防止水位在臨界點附近波動時電機的頻繁啟停（即“抖動”）。

在本設計中，我們將水位探測點（如圖1中的a點和b點）作為傳感器。通常，a點設置為水位上限探測點，b點設置為水位下限探測點。水位本身作為可變電阻或開關使用：當水位淹沒電極時，電極間通過水導電，電阻很小；當水位離開電極時，電極間開路，電阻極大。

二、 電路設計思路與連接方案

1. 水位傳感部分：

• 使用三根導電探針（或金屬電極）垂直插入魚缸。一根公共端（例如接電源Vcc），另外兩根分別對應高位點a和低位點b。

• b點是控制關鍵。當水位高于b點時，b點探針與公共端通過水導通，使連接b點的電路節點（通常連接到NE555的觸發引腳，如第2腳）處于一個特定的電平（例如高電平）。

• 當水位低于b點時，b點探針與公共端之間斷開，該節點電平被上拉或下拉電阻改變（例如變為低電平）。這個電平變化將作為NE555的觸發信號。

1. NE555核心控制部分：

• 將NE555配置為單穩態模式或一種特定的比較器模式。這里更常用的是利用其觸發引腳(2)和復位引腳(4)。

• 設計要點：

• 觸發條件：水位低于b點 → b點電極斷開 → 觸發引腳(2)電壓降至低于(1/3)Vcc → 符合觸發條件。

• 輸出動作：一旦觸發，NE555輸出引腳(3)立即從低電平跳變為高電平，并維持一段時間（由外部RC電路決定，或在本水位控制中，我們希望維持到水位恢復，因此需要結合a點進行復位）。

• 復位/停止條件：輸出高電平驅動繼電器或晶體管，使電動機開始抽水。水位隨之上升。當水位淹沒a點時，a點電極導通，可以將一個信號（例如高電平）送至NE555的復位引腳(4)。當復位引腳(4)收到有效信號（低電平有效復位時接低電平，高電平有效時接高電平，需根據電路設計），NE555輸出立即復位為低電平，電動機停止工作。

• 另一種更優的設計是使用雙探頭（b點和公共端）結合NE555的施密特觸發器特性。將b點信號送至觸發端。當水位低于b，觸發輸出高電平驅動電機；當水位上升，雖然重新淹沒b點，但由于施密特觸發器的滯回特性，輸出不會立即改變，直到水位上升到遠高于b點（由另一個電阻分壓點設定，替代了物理a點）或通過一個延時電路后才停止，這樣可以確保每次補水都有足夠的量，避免電機短時間循環啟停。

1. 執行機構部分：

• NE555的輸出引腳(3)驅動能力有限（約200mA），不能直接驅動大功率水泵電機。

• 需要使用一個晶體管（如NPN型三極管） 或繼電器模塊作為驅動開關。當NE555輸出高電平時，晶體管飽和導通或繼電器吸合，使水泵電機通電工作；輸出低電平時，晶體管截止或繼電器釋放，電機斷電停止。

• 必須注意：在與交流市電驅動的水泵連接時，務必使用繼電器進行電氣隔離，確保控制電路的安全。

三、 集成電路設計

基于NE555的魚缸水位自動控制電路設計，巧妙地將水位變化轉化為電信號，利用NE555穩定的觸發與復位功能，控制執行機構的通斷。其核心邏輯映射如下：

• 輸入狀態（水位低于b點）：觸發 → 輸出動作（OUT=High）：電機運行。
• 復位條件（水位達到a點）：復位 → 輸出動作（OUT=Low）：電機停止。

這種設計結構簡單、成本低廉、抗干擾能力較強（得益于NE555的滯回特性），非常適合家庭或小型魚缸的水位自動維護。在實際制作中，需要仔細調整探測電極的位置、上拉/下拉電阻的阻值以及可能用到的RC定時參數，以確保系統穩定可靠地運行。