超聲波的應(yīng)用水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

1、水位監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)水位監(jiān)測(cè)報(bào)警器摘要：本水位監(jiān)測(cè)報(bào)警器使用5V低壓直流電源（也可以用3節(jié)5號(hào)電池代替）就可以對(duì)515厘米的水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用LED顯示和數(shù)碼管顯示水位，并可以對(duì)不再此范圍內(nèi)的水位發(fā)出報(bào)警。主要采用CD4066、74LS86、74LS32、CD4511芯片，再加上數(shù)碼管、蜂鳴器、發(fā)光二極管、電阻這些器件組成一個(gè)簡(jiǎn)單而靈敏的監(jiān)測(cè)報(bào)警電路，操作簡(jiǎn)單，接通電源即可工作。因?yàn)榇蟛糠蛛娐凡捎脭?shù)字電路，所以本水位監(jiān)測(cè)報(bào)警器還具有耗能低、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：譯碼電路 報(bào)警電路 監(jiān)測(cè)電路Abstract: The water level alarm monitoring the use of 5

2、 V low-voltage DC power (can also use three batteries replaced on the 5th) will be able to 5 to 15 centimeters of water level monitoring, with LED display and digital display of water level, and this can no longer Within the scope of a water level alarm. Mainly CD4066, 74LS86, 74LS32, CD4511 chips,

3、coupled with digital control, buzzer, light-emitting diode, the resistance of these devices composed of a simple and sensitive monitoring alarm circuits. Because the majority of circuits using digital circuitry, so the water level monitored alarm system also has low energy consumption, high accuracy

4、 of the characteristics. Keyword: Decoding circuit alarm circuit monitoring circuit一、 前言隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)以深入到了各領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了許多方便。水位的檢測(cè)也可以用自動(dòng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。大到可用于水庫(kù)、湖泊、池塘水位的檢測(cè)，小的可以用于魚(yú)缸、鍋爐水位的檢測(cè)。我們針對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的水位檢測(cè)報(bào)警器的功能、原理、設(shè)計(jì)思路、調(diào)試等方面做了個(gè)系統(tǒng)的介紹。由于編者水平有限，差錯(cuò)在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。二、 總體方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由水位信號(hào)模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、報(bào)警

5、模塊、編碼模塊等模塊構(gòu)成。其系統(tǒng)方案框圖如下圖所示： 我們對(duì)其中的幾個(gè)模塊設(shè)計(jì)了不同的方案并進(jìn)行了比較（1）水位信號(hào)模塊的選擇方案1：采用電容的原理，用兩塊平行的長(zhǎng)方形銅板作為電極放在水中，可以通過(guò)檢測(cè)兩電極間的電信號(hào)可知水位的變化情況。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水位分辨率可大大提高;缺點(diǎn)：容易受水質(zhì)的影響產(chǎn)生誤差，信號(hào)為模擬信號(hào)，不方便處理。方案2：采用觸點(diǎn)的方法，在每個(gè)水位點(diǎn)放置一個(gè)觸點(diǎn)，當(dāng)水到達(dá)該觸點(diǎn)時(shí)就可得到一個(gè)信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、得出的時(shí)數(shù)字信號(hào)容易處理；缺點(diǎn)：分辨率不好提高，分辨率越高觸點(diǎn)越多，越難編碼?？紤]到分辨率要求不高和信號(hào)處理的難度，排除干擾因素，我們采用方案2。（2）信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

6、的選擇方案1:使用三極管把微弱的水位信號(hào)放大以驅(qū)動(dòng)其他模塊的工作。優(yōu)點(diǎn)：成本低；缺點(diǎn)：工作不夠穩(wěn)定，使用數(shù)量多。方案2：使用CD4066雙向模擬開(kāi)關(guān)，把微弱的水位信號(hào)引到CD4066的控制端，CD4066的輸入端都接電源，這樣就能把微弱的水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電位信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：工作穩(wěn)定可靠，便于集成化;缺點(diǎn)：成本高。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的工作影響的各個(gè)模塊的正常工作我們采用方案2。（3）編碼模塊和數(shù)碼顯示模塊的選擇方案1：使用2塊83線編碼器組合構(gòu)成164的編碼電路，再經(jīng)過(guò)一個(gè)顯示譯碼器直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：要編碼的信號(hào)不夠16個(gè)，造成浪費(fèi)，顯示譯碼器不好找。方案2：使用異或門74

7、LS86和或門74LS32組成一個(gè)特殊的編碼電路對(duì)個(gè)位的數(shù)進(jìn)行編碼，當(dāng)水位高于10厘米時(shí)，十厘米信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)十位數(shù)碼管顯示“1”，在經(jīng)CD4511顯示譯碼器驅(qū)動(dòng)個(gè)位數(shù)碼管顯示。（詳細(xì)個(gè)位編碼見(jiàn)附錄）優(yōu)點(diǎn)：電路可靠，穩(wěn)定;缺點(diǎn):電路較復(fù)雜。由于74LS86、74LS32、CD4511都是常用的芯片，因此我們采用了方案2.三、 工作原理上面的仿真圖中J1、J2相當(dāng)于放置在水中的觸點(diǎn)（已含下拉電阻），以獲取不同水位的信號(hào)，將信號(hào)引到CD4066，CD4066芯片是一種雙向模擬開(kāi)關(guān)，在集成電路內(nèi)有4個(gè)獨(dú)立的能控制數(shù)字及模擬信號(hào)傳送的模擬開(kāi)關(guān)。當(dāng)觸點(diǎn)沒(méi)接觸水的時(shí)候由470K電阻的下拉作用使的四個(gè)開(kāi)關(guān)的控

8、制端為低電平，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。但是當(dāng)觸點(diǎn)接觸到水時(shí)候，由于水的導(dǎo)電性，使的四個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。隨著水位的升高，CD4066中的虛擬開(kāi)關(guān)逐個(gè)開(kāi)啟，把經(jīng)過(guò)水出來(lái)后的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成與電源電壓相同的電位信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管顯示當(dāng)前水位，水上升到那，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管就發(fā)光。將CD4066的5厘米水位的對(duì)位信號(hào)引到一個(gè)異或門的一個(gè)腳上，其另外一個(gè)腳接高電平，使得5厘米的水位信號(hào)反向輸出，方向輸出的信號(hào)再和10厘米水位對(duì)應(yīng)的CD4066的信號(hào)經(jīng)過(guò)一或門由三極管放大之后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。數(shù)碼管顯示模塊的信號(hào)也是來(lái)自CD4066，分為十位和個(gè)位的顯示，由于水位高過(guò)10厘米后，10厘米的觸點(diǎn)一直在水中，對(duì)應(yīng)的CD4066的1

9、0厘米信號(hào)也一直處于高電位，因此只需將CD4066對(duì)應(yīng)的10厘米處信號(hào)接到十位數(shù)碼管的bc段以顯示“1”，無(wú)需編碼就可實(shí)現(xiàn)十位顯示而且十分可靠。而個(gè)位的顯示需要經(jīng)過(guò)由74LS86和74LS32組成的特殊的編碼電路后再經(jīng)CD4511顯示譯碼器驅(qū)動(dòng)個(gè)位的數(shù)碼管顯示。（詳細(xì)個(gè)位編碼見(jiàn)附錄）四、 電路設(shè)計(jì)（1）水位信號(hào)模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊左端的P1是水位觸點(diǎn)，由一個(gè)VCC和11個(gè)觸點(diǎn)組成，用水的導(dǎo)電性，讓接觸到水的觸點(diǎn)出高電位；U1U3是CD4066雙向模擬開(kāi)關(guān)，將微弱的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；R12R22是下拉電阻，用于水位沒(méi)到管腳懸空時(shí)CD4066輸入端的處理，R1R11時(shí)發(fā)光二極管的限流電阻

10、；P2是數(shù)碼管顯示模塊、報(bào)警模塊、編碼模塊的連接口。與P1相比多了13腳，其直接從10厘米水位信號(hào)引出用于驅(qū)動(dòng)十位的數(shù)碼管顯示。（2）數(shù)碼管顯示模塊、報(bào)警模塊、編碼模塊P1是連接水位信號(hào)模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊的接口；R1R11是編碼模塊的下拉電阻，應(yīng)為CD4066是一個(gè)雙向虛擬開(kāi)關(guān)，當(dāng)它斷開(kāi)時(shí)編碼模塊的管腳相當(dāng)與懸空會(huì)引起邏輯混亂，因此加了下拉電阻。個(gè)位的編碼電路與報(bào)警電路共用74LS86和74LS32芯片，這也是設(shè)計(jì)是將它們放到同一塊板上的原因之一。與個(gè)位編碼電路相連的是CD4511顯示編碼器直接驅(qū)動(dòng)個(gè)位數(shù)碼管顯示。五、 系統(tǒng)調(diào)試1、調(diào)試工具：（1）萬(wàn)用表（2）5V直流電源（3）

11、水槽2、調(diào)試環(huán)境：（1）地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)室（2）室溫：28 3、測(cè)試過(guò)程：我們首先將水位觸點(diǎn)放置在水槽中，再使用5V電源接通電路，此時(shí)我們聽(tīng)到“嘀”的報(bào)警聲，第5、6、9、11號(hào)LED發(fā)光，數(shù)碼管顯示“7”。此結(jié)果與預(yù)計(jì)的不符，我們斷開(kāi)數(shù)碼管顯示模塊、報(bào)警模塊、編碼模塊的連接，使電路易于檢測(cè)，這時(shí)我們看到LED全滅，符合預(yù)計(jì)結(jié)果，接著向水槽內(nèi)加水，LED逐個(gè)亮起，我們用萬(wàn)用表測(cè)量了LED，證明水位信號(hào)模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊沒(méi)問(wèn)題。我們?cè)侔褦?shù)碼管顯示模塊、報(bào)警模塊、編碼模塊連接上，以檢查此模塊的錯(cuò)誤，連上時(shí)立刻又出現(xiàn)剛才的錯(cuò)誤，我們用萬(wàn)用表測(cè)量與水位信號(hào)模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊的

12、接口發(fā)現(xiàn)有4個(gè)接口的電位與預(yù)計(jì)不符，我們就懷疑是不是CMOS與TTL不兼容的問(wèn)題。測(cè)試到這便進(jìn)行不下去了。之后我們又想CD4066是個(gè)虛擬開(kāi)關(guān)，不應(yīng)該有社么問(wèn)題，我們又上網(wǎng)查資料，并對(duì)此用電子試驗(yàn)箱做了專項(xiàng)的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題都沒(méi)有，與預(yù)計(jì)結(jié)果完全相同。我們又對(duì)數(shù)碼管顯示模塊、報(bào)警模塊、編碼模塊的連接進(jìn)行仔細(xì)的檢查，最后才發(fā)現(xiàn)原來(lái)是芯片的管腳連接不對(duì)，輸入信號(hào)連接再了芯片的輸出端上。我們?cè)購(gòu)男伦隽艘粔K新板，問(wèn)題解決了。我們?cè)儆萌f(wàn)用表測(cè)量芯片工作電壓（低電位0.2V、高電位3.6V）工作正常了。我們?cè)俅斡谜w檢測(cè)水位，當(dāng)水位低于5厘米時(shí)，LED全滅，蜂鳴器發(fā)出“嘀”的聲音，數(shù)碼管顯示“0”，

13、隨著水位的升高蜂鳴器停止發(fā)聲，LED逐個(gè)亮起，數(shù)碼管對(duì)應(yīng)顯示“514”，當(dāng)水位到達(dá)15厘米時(shí)紅色的LED亮起，數(shù)碼管顯示“15”，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，達(dá)到了預(yù)計(jì)的結(jié)果，調(diào)試結(jié)束。六、 設(shè)計(jì)總結(jié)此次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)我們?cè)诶碚撋稀⒎抡嫔隙己艹晒?，但是在?shí)際的調(diào)試過(guò)程中顯示部分卻出現(xiàn)了問(wèn)題。原因是芯片的封裝與設(shè)計(jì)時(shí)的不同，引起顯示部分個(gè)芯片管腳的電位混亂。因設(shè)計(jì)過(guò)程中耗費(fèi)了大量時(shí)間，所以沒(méi)有足夠的時(shí)間調(diào)試和改進(jìn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收獲很多對(duì)電路的設(shè)計(jì)有一個(gè)了解并能自己動(dòng)手完成一些簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)、制板及調(diào)試的過(guò)程，極大地提高了我們的動(dòng)手能力。參考文獻(xiàn)：1、電子技術(shù)電子工業(yè)出版社。2、中國(guó)電子技術(shù)網(wǎng)七、 附錄水位信號(hào)對(duì)應(yīng)的個(gè)位數(shù)BCD碼DCBA50101601107011