液面檢測(cè)方案論述

為了能夠準(zhǔn)確的完成對(duì)不同成分的液體進(jìn)行分離，準(zhǔn)確地檢測(cè)到液面的位置是否必要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有快速準(zhǔn)確地檢測(cè)到液面的位置這樣才能夠精確的完成不同成分的也提的分離。在對(duì)液面的位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通常有如下三種方法：1.利用傳感器完成測(cè)定；2.測(cè)定電容的大?。?.通過(guò)不同溶液的透光度不同來(lái)實(shí)現(xiàn)液面的檢測(cè)。下面對(duì)上述三種方案進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述。

方案一是通過(guò)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)液面位置的檢測(cè)。液體傳感器可以對(duì)不同成分的液體進(jìn)行檢測(cè)，可以將液體的變化體現(xiàn)在電壓的變化上。所以一旦傳感器檢測(cè)到液面的位置時(shí)，在傳感器的輸出端就會(huì)有一個(gè)明顯的電壓變化，然后通過(guò)電壓比較器對(duì)這個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行判斷就可以實(shí)現(xiàn)液面位置的檢測(cè)。

方案二的主要檢測(cè)原理是針對(duì)不同溶液的導(dǎo)電能力不同，所以當(dāng)電容式傳感器所處的溶液不同時(shí)其檢測(cè)到的電容值不同，當(dāng)檢測(cè)到電容值的變化時(shí)也就代表檢測(cè)到液體的液面位置。

方案三的檢測(cè)原理主要是利用不同成分的液體其對(duì)光線的傳導(dǎo)能力不同，也就是透光度不同，通過(guò)紅外發(fā)射二極管對(duì)液體進(jìn)行照射，然后在液體的另一端對(duì)紅外線進(jìn)行接收，將接收到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。紅外線照射在兩種不同液體時(shí)，接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)弱是不同的，這樣就導(dǎo)致輸出的電壓信號(hào)不同，這樣就可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到液面的變化。

上述三種方法中，方案一的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)，成本相較于方案三要高；方案二的檢測(cè)方法比較復(fù)雜，而且實(shí)現(xiàn)比較困難；方案三的工作原理與方案一類似，而且成本是三種方案中最低的，但是方案三的最主要缺點(diǎn)是檢測(cè)中可能存在比較大的干擾，進(jìn)而導(dǎo)致檢測(cè)效果不佳。

信號(hào)處理部分方案論述：

當(dāng)前端的檢測(cè)電路完成了對(duì)液面位置的檢測(cè)后，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)做出相應(yīng)的控制動(dòng)作。在本次設(shè)計(jì)的液面位置實(shí)時(shí)檢測(cè)與分離系統(tǒng)中，有兩種處理方式。數(shù)字電路和MCU。

第一種是采用數(shù)字電路的方式，通過(guò)電壓比較器對(duì)前端檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行比較判斷，然后根據(jù)比較器的輸出來(lái)控制后端的執(zhí)行電路。

第二種是采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的檢測(cè)控制核心，通過(guò)單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)前端檢測(cè)電路的輸出電壓進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，在單片機(jī)內(nèi)部通過(guò)程序算法對(duì)液面的位置進(jìn)行判斷，然后通過(guò)單片機(jī)的IO完成對(duì)后續(xù)執(zhí)行電路的控制。

上述兩種方案都具有比較顯明的優(yōu)缺點(diǎn)，第一種方案的優(yōu)點(diǎn)時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明確，可靠性高；缺點(diǎn)是，電路設(shè)計(jì)一次成型后，后續(xù)的升級(jí)維護(hù)較為復(fù)雜；而方案二的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以通過(guò)修改程序的方式對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行改進(jìn)，易于升級(jí)和維護(hù)；其主要缺點(diǎn)是，采樣單片機(jī)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，使系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)增加。

方案確定：

通過(guò)對(duì)液面檢測(cè)和信號(hào)處理部分方案的詳細(xì)論述，本次設(shè)計(jì)選擇傳感器+數(shù)字電路的方式作為本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

單元電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)：

信號(hào)處理電路的主要作用是對(duì)前端采集電路檢測(cè)到的液面信號(hào)進(jìn)行處理，然后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路完成分離操作。本次設(shè)計(jì)采用電壓比較器作為處理電路的核心，通過(guò)對(duì)前端傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行判斷，進(jìn)而產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制電路來(lái)完成液體的分離操作。

本次設(shè)計(jì)選擇LM393芯片作為系統(tǒng)的比較器。LM393是雙電壓比較器集成電路。該比較器芯片的特點(diǎn)如下：
工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源:±1～±18V；
消耗電流小，Icc=0.8mA；lm393是什么
輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2mV；
共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～Vcc-1.5V；
輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；
輸出可以用開(kāi)路集電極連接“或”門；
采用雙列直插8引腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8腳塑料封裝。

LM393比較器的應(yīng)用十分簡(jiǎn)單，只需要少數(shù)的外圍電路就可以完成比較器的功能。

如下圖所示為本次設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路。本次設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路采用LM393內(nèi)部的兩個(gè)比較器組成雙比較器判斷電路，當(dāng)輸入電壓大于V1時(shí)處理電路輸出1，當(dāng)輸入電壓小于V0時(shí)處理電路輸出0，（V1>V0）這樣就可以形成滯環(huán)，防止頻繁的對(duì)執(zhí)行單元進(jìn)行操作。滯環(huán)的寬度可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)：

如下圖所示為聲光報(bào)警電路。聲光報(bào)警電路主要是利用信號(hào)處理電路的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。由于信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)采用74LS08實(shí)現(xiàn)，所以其并不能夠直接完成對(duì)蜂鳴器和LED指示燈的控制，所以本次設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)NPN型三級(jí)管實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器和LED的控制，當(dāng)信號(hào)處理電路的輸出為高電平也就是檢測(cè)到液面時(shí)，此時(shí)NPN三極管由于基極電阻所施加為高電平而導(dǎo)通，進(jìn)而使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警音，同時(shí)LED有電流流過(guò)而發(fā)光，進(jìn)而達(dá)到聲光報(bào)警的目的。

液體自動(dòng)分離電路設(shè)計(jì)：

如下圖所示為液體自動(dòng)分離電路。液體自動(dòng)分離電路采用繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥的控制方式，一旦信號(hào)處理電路檢測(cè)到液面信號(hào)以后就會(huì)通過(guò)三級(jí)管完成對(duì)繼電器的控制，通過(guò)繼電器的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)完成對(duì)電磁閥的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液體的分離。

Multisim仿真

如圖所示為本次設(shè)計(jì)的液面檢測(cè)與分離系統(tǒng)電路，電路的各部分組成，之前章節(jié)已經(jīng)介紹，接下來(lái)對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行介紹。點(diǎn)擊軟件上方的運(yùn)行按鈕。

此時(shí)仿真已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行，本次設(shè)計(jì)的仿真電路中采用電位器來(lái)模擬傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的輸出電壓的大小來(lái)模擬傳感器的輸出。

當(dāng)我們將電位器的滑動(dòng)條向右側(cè)調(diào)節(jié)時(shí)，此時(shí)電位器的輸出電壓逐漸增大，當(dāng)電壓大于設(shè)定的比較電壓時(shí)，此時(shí)可以看到，聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警提示音，同時(shí)繼電器動(dòng)作，控制電磁閥完成液面分離操作。當(dāng)我們將電位器的滑動(dòng)條向左調(diào)節(jié)時(shí)，此時(shí)電位器的輸出電壓逐漸減小，當(dāng)小于設(shè)定的電壓時(shí)，報(bào)警接觸，電磁閥停止工作。

審核編輯：劉清