光電式液面監(jiān)測系統(tǒng)

1、江蘇師范大學(xué)物電學(xué)院本科生課程設(shè)計(jì)課 程 名 稱： 光電綜合設(shè)計(jì) 題 目： 光電式液面監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè) 班 級： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 生 學(xué) 號： 日 期： 指 導(dǎo) 教 師： 物電學(xué)院教務(wù)部印制說明：1、報(bào)告中的第一、二、三項(xiàng)由學(xué)生在課程設(shè)計(jì)開始前填寫，由指導(dǎo)教師指導(dǎo)并確認(rèn)簽字。2、學(xué)生成績由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的設(shè)計(jì)情況給出各項(xiàng)分值及總評成績，并填寫成績評定表。3、所有學(xué)生必須參加課程設(shè)計(jì)的答辯環(huán)節(jié)，凡不參加答辯者，其成績一律按不及格處理。答辯小組成員應(yīng)由2人及以上教師組成。答辯后學(xué)生根據(jù)答辯情況填寫答辯記錄表。4、報(bào)告正文字?jǐn)?shù)一般應(yīng)不少于3000字，也可由指導(dǎo)教師根據(jù)本門課程設(shè)計(jì)的情況另

2、行規(guī)定。5、平時(shí)表現(xiàn)成績低于6分的學(xué)生，取消答辯資格，其該課程設(shè)計(jì)成績按不及格處理。6、課程設(shè)計(jì)完成后，由指導(dǎo)教師根據(jù)完成情況寫出總結(jié)。7、此表格式為江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院提供的基本格式，指導(dǎo)教師可根據(jù)本門課程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及內(nèi)容做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。一、課程設(shè)計(jì)目的、任務(wù)和內(nèi)容要求：1、光電綜合設(shè)計(jì)目的與要求光電綜合設(shè)計(jì)是面向高年級本科生開展的綜合性的課外科技活動，通過光電綜合設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力; 加強(qiáng)科學(xué)研究和工程實(shí)踐素質(zhì)的訓(xùn)練，提高學(xué)生對實(shí)際問題進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作的綜合能力；為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和在今后工作崗位上獨(dú)立開展科學(xué)研究打下良好基礎(chǔ)。要求學(xué)生能在三周時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，并

3、通過答辯，為優(yōu)秀學(xué)生的發(fā)揮與創(chuàng)新創(chuàng)造條件。2、光電綜合設(shè)計(jì)方式光電綜合設(shè)計(jì)包括：選題、方案設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)、仿真、采購、安裝與調(diào)試、撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯，答辯組成員不少于三人。3、光電綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容光電綜合設(shè)計(jì)是以光學(xué)和電子電路（含模擬和數(shù)字電路）應(yīng)用設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容，可以涉及模-數(shù)混合電路、單片機(jī)、可編程器件、EDA軟件工具和PC機(jī)（主要用于開發(fā)）的應(yīng)用。包括“理論設(shè)計(jì)”和“實(shí)際制作與調(diào)試”兩部分。通過該設(shè)計(jì)達(dá)到綜合性訓(xùn)練的目的。光電綜合設(shè)計(jì)課題數(shù)每次不超過五個(gè)題目，學(xué)生可以選擇其一，每個(gè)課題包括基本部分和發(fā)揮部分，隨著新理論、新技術(shù)、新工藝、新器件的引入，其內(nèi)容根據(jù)實(shí)際情況將有所更新，做到與時(shí)俱進(jìn)

4、。 二、進(jìn)度安排：光電綜合設(shè)計(jì)的時(shí)間安排在第七學(xué)期結(jié)束前三周進(jìn)行，共計(jì)21天。第1至2天： 選擇課題，論證設(shè)計(jì)方案；第3至5天： 原理設(shè)計(jì)，原理仿真、修改；第6至8天： PCB板設(shè)計(jì)，購買元器件；第9至13天： 安裝和調(diào)試：分步安裝、焊接、調(diào)試，電路修改，總調(diào)；第14至15天： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（有外殼要求）；第16至19天： 撰寫電子綜合設(shè)計(jì)報(bào)告；第20至21天： 綜合設(shè)計(jì)驗(yàn)收、答辯。三、主要參考文獻(xiàn)：1閻石主. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版M . 高等教育出版社 ，19982康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）M . 高等教育出版社，2000 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 目錄摘 要II1引言11.1系統(tǒng)背景1

5、1.2系統(tǒng)功能12方案論證與選擇22.1方案設(shè)計(jì)思路22.2方案選擇23 系統(tǒng)設(shè)計(jì)33.1 系統(tǒng)的工作原理33.2 系統(tǒng)硬件組成34電路設(shè)計(jì)44.1激光發(fā)射電路44.2激光接收電路44.3放大整形電路54.4聲光報(bào)警電路55設(shè)計(jì)結(jié)果及分析75.1結(jié)果分析75.2存在不足75.3方案改進(jìn)與設(shè)想76總結(jié)與體會8參考文獻(xiàn)9附錄10摘 要在工業(yè)控制系統(tǒng)以及湖泊等測繪工程中，準(zhǔn)確及時(shí)地檢測出液面的深度已經(jīng)成為一個(gè)很重要的課題，而目前擔(dān)負(fù)著對液位測量、液面高度等任務(wù)的完成有諸多不盡人意的地方，需要更加完善、合理的液位檢測跟蹤控制系統(tǒng)。隨著科學(xué)的進(jìn)步，激光的出現(xiàn)，這一問題得以解決。激光因?yàn)橄喔啥雀?，方向性?/p>

6、，傳播距離遠(yuǎn)有著廣泛的應(yīng)用。激光照射接收器，光電轉(zhuǎn)換，接收器輸出電流，保持電路綠燈的正常工作；當(dāng)液面上漲時(shí)，由于液體的折射作用，光線偏折，電路接收不到光信號而發(fā)生報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)液面上漲報(bào)警。關(guān)鍵詞：光電式；液面上漲；報(bào)警AbstractIn the industrial control systems and lakes in surveying and mapping project, accurately and timely detection of liquid level depth has become a very important topic, and at present

7、there are many unsatisfactory areas responsible for measurement of liquid level, the liquid height and other tasks, and need to be perfected, and the liquid level detection and tracking control system. With the progress of science, the appearance of laser, the problem is solved. Coherent laser becau

8、se of high degree, good direction, far transmission distance is widely used. Laser receiver, photoelectric conversion, the receiver output current, normal work and hold circuit light; when the liquid level rise, because of the refraction effect of liquid, deflection of light, the circuit does not re

9、ceive the light signal alarm, so as to realize the level up alarm system.Keywords: photoelectric; liquid level rise;waringII1引言1.1系統(tǒng)背景隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對測量的精度和功能的要求也越來越高，在工業(yè)控制系統(tǒng)以及湖泊等測繪工程中，準(zhǔn)確及時(shí)地檢測出液面的深度（即水位高度）就是前提；而目前擔(dān)負(fù)著對液位測量、液面高度等任務(wù)的完成有諸多不盡人意的地方，需要更加完善、合理的液滴、液位檢測跟蹤控制系統(tǒng)。從液位測量的方法看，按檢測器與

10、液體接觸與否分為兩大類：一是接觸式測量，二是非接觸式測量。在前一種測量方式中，因?yàn)楸粶y液體可能具有的腐蝕性等原因并不是最理想的方法。后一種方法引起經(jīng)濟(jì)、安全、方便等因素應(yīng)用很廣。隨著激光技術(shù)的發(fā)展和光電技術(shù)的研究，激光技術(shù)在液面檢測方面已經(jīng)有啦很大的應(yīng)用。1.2系統(tǒng)功能根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器，激光信號接收器，聲光報(bào)警等裝置。啟動電源開關(guān)開關(guān)后，半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光，根據(jù)激光接收器的反饋信號，判斷液面高度，并進(jìn)行液面高度指示。當(dāng)接收器能夠接收到光信號時(shí)，電路不報(bào)警，液面上漲時(shí)，由于折射作用，光線偏折，接收器接收不到光信號，電路發(fā)出報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)液面上漲報(bào)警。2方案論證與選擇2.

11、1方案設(shè)計(jì)思路按照系統(tǒng)要求，查找相關(guān)資料，設(shè)計(jì)的基本思路是：根據(jù)光信號的有無來判斷液位是否到達(dá)指定高度，并決定電路是否報(bào)警。所以設(shè)計(jì)出了以下兩種方案：方案一：浮動遮光式紅外液面監(jiān)測系統(tǒng)。即紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，通過紅外接收管接收并實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，此時(shí)有光信號，報(bào)警系統(tǒng)不工作，綠燈亮；液面上漲到一定高度，浮標(biāo)隨著水位上漲而上浮，遮擋住光路，光信號消失，紅燈亮，電路報(bào)警。方案二：激光式光電轉(zhuǎn)換液面檢測系統(tǒng)。激光器在容器一端發(fā)射激光，激光接收器在另一端接收，有光信號時(shí)，接收器輸出電壓，報(bào)警系統(tǒng)不工作，綠燈亮；液面上漲時(shí)，由于水的折射，光線發(fā)生偏折，接收器接收不到光信號，紅燈閃爍，電路報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)

12、液位監(jiān)測。2.2方案選擇對于方案一，簡單易行，易于實(shí)現(xiàn)。但經(jīng)過試驗(yàn)和論證，存在一些缺陷。紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光線不集中，比較散，所以對于接收管來說，容易受到外界其他物品的影響，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。其次，浮標(biāo)在液面漂浮，容易受到風(fēng)浪影響，很不穩(wěn)定。最終對于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作影響很大。對于方案二，激光相干性好，方向性好，傳播距離遠(yuǎn)，不易受周邊物品影響。而且也具有光的一些性質(zhì)，利用折射定律，系統(tǒng)能夠高效，快速，準(zhǔn)確，無接觸地檢測液面，及時(shí)報(bào)警，系統(tǒng)穩(wěn)定度也高。經(jīng)過試驗(yàn)分析論證，最終決定采取方案二的設(shè)計(jì)思路。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)利用LD半導(dǎo)體激光器、激光接收頭、電壓比較器等，通過對激光

13、接收頭信號的電壓高低，來判斷待測液面高度。當(dāng)液面未達(dá)到預(yù)警高度時(shí)，激光接收頭輸出高電平，綠燈亮；當(dāng)液面到達(dá)一定高度時(shí)，由于液體的對光路的影響，激光接收頭無法接受到激光信號，此時(shí)輸出低電平，系統(tǒng)聲光報(bào)警。系統(tǒng)主要由激光發(fā)射電路、激光接收電路、放大整形、聲光報(bào)警電路等幾部分組成。系統(tǒng)組成框架如圖3-1所示：聲光報(bào)警放大整形電路激光接收電路激光發(fā)射電路圖3-1系統(tǒng)組成框架3.2 系統(tǒng)硬件組成激光發(fā)射電路采用LD激光器，發(fā)射激光。激光接收電路采用非可調(diào)制的激光接收頭組成，接收激光信號，并輸出液面高度判斷信號。放大整形電路主要對激光接收電路輸出的信號進(jìn)行整形處理，提高系統(tǒng)抗干擾能力，并對激光接收電路輸出

14、的信號進(jìn)行處理，判斷液面高度并且進(jìn)行下一步動作。聲光報(bào)警電路主要是當(dāng)待測液面到達(dá)一定高度時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。4電路設(shè)計(jì)4.1激光發(fā)射電路激光發(fā)射電路主要采用半導(dǎo)體激光器，若要長時(shí)間工作時(shí)，需要外加限流電阻，激光發(fā)射電路如圖4-1所示：圖4-1 激光發(fā)射電路4.2激光接收電路激光接收電路主要采用非調(diào)制的激光接收頭，接收激光信號時(shí)，輸出高電平，接收不到激光信號時(shí)，輸出低電平，激光接收電路如圖4-2所示：圖4-2 激光接收電路4.3放大整形電路由于接收端易受到干擾，在輸出端加一級比較電路可以改善抗干擾特性，如4-3所示，加入電壓比較器LM393，若同相端電壓大于反相端電壓，則輸出高電平“1”，反之為低

15、電平“0”。放大整形電路如圖4-3所示：圖4-3 放大整形電路4.4聲光報(bào)警電路當(dāng)待測液面到達(dá)一定高度時(shí)，進(jìn)行蜂鳴器響，紅燈閃爍，待測液面未達(dá)到一定高度時(shí)，綠燈亮。聲光報(bào)警電路如圖4-5所示：圖4-5 聲光報(bào)警電路5設(shè)計(jì)結(jié)果及分析5.1結(jié)果分析經(jīng)過試驗(yàn)，系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)液面監(jiān)測功能，準(zhǔn)確，高效，非接觸。液面低于設(shè)定水位時(shí)，綠燈亮，液面到達(dá)預(yù)設(shè)水位時(shí)，紅燈閃爍，系統(tǒng)報(bào)警。當(dāng)然，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)液面上漲監(jiān)測的同時(shí)，通過設(shè)置也可以監(jiān)測液面下降。5.2存在不足本系統(tǒng)只適用于能夠讓光通過，折射率較大的液體，而且對容器也有一定的要求 。如果液體不透光，或者液體中有能夠附著在容器上的雜質(zhì)，此系統(tǒng)不再適用。5.3方

16、案改進(jìn)與設(shè)想隨著光纖技術(shù)的研究和進(jìn)步，光纖廣泛應(yīng)用于信號傳輸方面。對于該系統(tǒng)，可以用光纖作為導(dǎo)光介質(zhì)，通過液體的有無改變光纖的的折射特性，或者液面對光信號反射的變化，光信號發(fā)生變化，從而引起電路反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)液面監(jiān)測。更進(jìn)一步講，還可以把系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)。可以把系統(tǒng)與閥門或者電機(jī)連接起來，當(dāng)液面到達(dá)一定高度之后，電路報(bào)警同時(shí)，系統(tǒng)控制閥門打開放水，或者電機(jī)向外抽水；當(dāng)液面下降時(shí)，系統(tǒng)控制閥門打開或者關(guān)閉，電機(jī)向內(nèi)抽水。這樣，該系統(tǒng)的應(yīng)用空間比較大，應(yīng)用前景比較廣闊。6總結(jié)與體會在這次課程設(shè)計(jì)中，從一開始思考工作原理，到設(shè)計(jì)方案，再到電路設(shè)計(jì)、焊接電路，以及硬件調(diào)試，一路走來，受益匪淺。首先，不得不承

17、認(rèn)，在這次課程設(shè)計(jì)中遇到了很多困難。有時(shí)候，明明自己想得很明白的事情，就是得不到自己預(yù)想的結(jié)果，心情很煩躁，不得不翻閱大量的書籍資料，搜索信息，請教別人。當(dāng)自己找到問題的原因時(shí)，內(nèi)心歡喜，會有一種“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”的感覺。在痛苦和喜悅之間，我感覺到了一種進(jìn)步。其次，我認(rèn)識到在學(xué)習(xí)理論知識的時(shí)候，我們千萬不能將某一門知識隔離開來。在本次課程設(shè)計(jì)中，涉及到電路，光學(xué)，光電檢測等知識，我們要學(xué)會將這些知識融會貫通在一起，形成一張知識網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)過程中，還有和大家的交流討論合作，更加明白了團(tuán)隊(duì)的力量。最后一點(diǎn)，我們一定要認(rèn)識到理論知識和現(xiàn)實(shí)實(shí)際之間的差距。我們在課堂上學(xué)到的知識，

18、很大一部分都是把某一事物轉(zhuǎn)換成理想化模型來學(xué)習(xí)的。我們一定要認(rèn)識到，實(shí)際應(yīng)用中，有很多我們不知道的事情會發(fā)生。我們要保持冷靜，認(rèn)真思考，尋求解決方案。參考文獻(xiàn)1閻石主. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版M . 高等教育出版社 ，19982康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）M . 高等教育出版社，2000附錄相關(guān)芯片資料：激光LD的資料，如下圖：圖附錄-1激光LD資料 NE55相關(guān)資料圖附錄-2NE555引腳圖圖附錄-3 NE555相關(guān)資料LM393相關(guān)資料圖附錄-4LM393功能圖圖附錄-5LM393引腳圖附錄-6LM393引腳介紹答辯記錄表學(xué)生姓名： 學(xué)號： 班級： 答辯地點(diǎn)： 答辯內(nèi)容記錄：1. 光線為什么會偏折？由于水的折射，光線偏折。2. 激光波長多少？650nm3. 主要用什么芯片？ LM393和NE555成績評定表學(xué)生姓名： 學(xué)號： 班級： 類別合計(jì)分值各項(xiàng)分值評分標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際得分合計(jì)得分備注平時(shí)完成情況3010按時(shí)參加課程設(shè)計(jì)，無曠課、遲到、早退、違反實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律等情況。10設(shè)計(jì)方案規(guī)范合理，設(shè)計(jì)目標(biāo)明確，符合專業(yè)培養(yǎng)要求，時(shí)間安排得當(dāng)，技術(shù)路線可靠。10按設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求完成了全部任務(wù)，能完整演示其設(shè)計(jì)內(nèi)容，符合要求。報(bào)告完成情況3010報(bào)告文字通順，內(nèi)容翔實(shí)，論述充分、完整