液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：該液位控制器以LM324芯片為核心實(shí)現(xiàn)控制，制作原理簡(jiǎn)單，利用金屬條感知液位的高度，在超過預(yù)定值或未達(dá)到預(yù)定值時(shí)，主控制板將控制繼電器采取相應(yīng)動(dòng)作，比如報(bào)警、增加液體等，此外采用LED燈來直觀地顯示液位的位置，根據(jù)液位的高低，LED顯示不同的燈亮，最終制作出了一款反應(yīng)靈敏的液位控制器，模擬了整個(gè)液位控制器系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：液位控制器；LM324；LED；金屬條

    液位控制是日常工業(yè)生產(chǎn)工作過程中不可或缺的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，對(duì)節(jié)約資源、安全生產(chǎn)有著極為重要的作用。本設(shè)計(jì)采用液體高度傳感器組成控制系統(tǒng)，對(duì)水位進(jìn)行全方位監(jiān)控。通過電路的指示燈監(jiān)測(cè)液面變化，從而按一定的組合順序來控制水泵或電鈴的打開和關(guān)
閉，對(duì)液面高度進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)液體控制過程中的安全報(bào)警。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)作原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由主控制器電路(主控板)、測(cè)量電路(高度傳感器)、顯示電路(LED)以及外工作電路(水泵)組成。

1．1．1 主控制器電路模塊電路原理
    系統(tǒng)中的主控制器電路是整個(gè)智能控制器的核心。
    其電器原理如圖2所示。圖中LM324四個(gè)運(yùn)放分別為UA，UB，UC，UD。

    設(shè)運(yùn)放輸入端的電壓分別為UA+，UA-，UB+，UB-，UC+，UC-，UD+，UD-，輸出端的電壓分別為UAO，UBO，UCO，UDO。LED1，LED2，LED3，LED4分別為紅、黃、綠、藍(lán)燈。
    (1)狀態(tài)1：S1，S2斷開，LED3亮
    當(dāng)S1，S2斷開時(shí)，運(yùn)放UA沒有參與工作，對(duì)于運(yùn)放UB，UB+-UB-=4 V，經(jīng)放大UBO=11 V，所以LED1和R12兩端就1 V電壓，因?yàn)樽柚禐? kΩ的電阻分壓，不足以使LED1導(dǎo)通；因?yàn)殡娐肥菍?duì)稱的，所以同理UBO將近10 V，利用680的電阻R14分壓，不僅可以使LED3亮，也不至于燒壞；進(jìn)行分析很容易知道LED2兩端壓差太小不足以使LED2亮；經(jīng)分析可知運(yùn)放UD輸出端UDO接近0 V，不足以使三極管T1導(dǎo)通，致使LED4負(fù)端被上拉成12 V，所以其兩端電壓為0，LED4截止。
    (2)狀態(tài)2：從缺水狀態(tài)到正常水位S1斷開、S2閉合，LED2亮
    當(dāng)S1斷開、S2閉合時(shí)，運(yùn)放UC的負(fù)極電壓增大，使得運(yùn)放的輸出UCO接近0 V，LED3截止，LED2導(dǎo)通，上半部分電路基本不變，所以LED1和LED4仍舊截止。
    (3)狀態(tài)3：當(dāng)S1，S2都閉合時(shí)，LED1，LED4亮
    當(dāng)S1，S2都閉合時(shí)，運(yùn)放UB的負(fù)極電壓增大，使得運(yùn)放的輸出UBO接近0 V，LED1導(dǎo)通，LED2截止，運(yùn)放UD正極電壓接近8 V，輸出電壓己，UDO接近10 V，T1導(dǎo)通，集電極接近0 V，LED4導(dǎo)通。LED3還是像上面一樣截止。
    (4)狀態(tài)4：從溢出到正常水位S1斷開、S2閉合，LED2，LED4亮
    S1，S2與狀態(tài)2的完全相同，但是因?yàn)門1在狀態(tài)3下導(dǎo)通，所以即使S1再斷開，LED4仍舊亮。再斷開S2，又回到狀態(tài)1。
1．1．2 測(cè)量電路模塊
    測(cè)量電路由測(cè)量不同水位高度的金屬條組成，較長(zhǎng)的金屬條為S2，較短的金屬條為S1。當(dāng)水位高于S2時(shí)，S2導(dǎo)通，水位繼續(xù)上漲至S1時(shí)，S1可導(dǎo)通。
1．1．3 顯示電路模塊
    顯示電路由不同顏色的LED組成，分別為白、紅、藍(lán)、綠、黃色。白色燈為顯示LM7812工作指示燈，燈亮表示其工作正常。紅、黃、綠、藍(lán)燈分別為L(zhǎng)ED1，LED2，LED3，LED4，顯示各種水位時(shí)對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)。
1．1．4 外工作電路模塊
    外工作電路主要由水泵及其供電裝置構(gòu)成，由主控制器進(jìn)行控制，配合控制電路執(zhí)行相應(yīng)的操作，對(duì)水槽進(jìn)行加水。
1．2 運(yùn)作原理
    該液位控制器能夠利用金屬條來感知液位的高度，在低于最低預(yù)定值S1時(shí)，能通過控制繼電器操控水泵進(jìn)行增加液體的動(dòng)作，當(dāng)增加液體到指定液位S2時(shí)，控制繼電器使水泵停止加水。而液位的高度可以根據(jù)所設(shè)計(jì)的4個(gè)LED燈的亮滅來判斷，具體對(duì)應(yīng)狀態(tài)如圖3所示?？偨Y(jié)如表1所示。

2 液位控制器的制作與調(diào)試
2．1 電路仿真
    在PROTUES里，畫出電路原理圖，并對(duì)其進(jìn)行電路仿真。有些元器件元件庫里沒有的可以找別的功能相同的元件代替，比如說：可以用兩個(gè)開關(guān)分別代替高度傳感器S1，S2，先用+12 V電壓代替LM7812電路等。為了能最好的實(shí)現(xiàn)液位控制器的功能，可以適當(dāng)改變各電阻阻值的大小。
    所得仿真效果如圖4所示。

2．2 電路板制作
    在Protel里畫出電路原理圖如圖2所示，畫出PCB板圖如圖5所示，這一步非常關(guān)鍵，因?yàn)檫@關(guān)系到液位控制器是否制作成功。把畫好的PCB板圖發(fā)給制板廠商，制作出電路板，焊上元器件，其實(shí)物如圖6所示。

2．3 電路板調(diào)試
2．3．1 調(diào)試主控板和顯示電路
    從S1，S2接出4條線，將主控板接通電源，白色指示燈亮說明LM7812運(yùn)作正常，與此同時(shí)綠色的指示燈也會(huì)亮說明電路運(yùn)作正常。再按照表格1內(nèi)的順序分別閉合或斷開S1，S2，相應(yīng)的指示燈亮，證明主控板的運(yùn)作完全正常。
2．3．2 調(diào)試外工作電路和測(cè)試電路
    先用一個(gè)LED代替水泵進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試成功后，再從主控板上的連接繼電器的引腳引出兩條線連接到外工作電路，將S1，S2接出4條線連接到測(cè)試水位板，使水位板置于一個(gè)無水的水槽中，接通電源，此時(shí)主控板就會(huì)控制水泵給水槽加水，在不同狀態(tài)相應(yīng)指示燈亮，當(dāng)水加到水位S1時(shí)，主控板上的繼電器開關(guān)打到另外一邊，水泵停止運(yùn)作，再用注射器抽出一些水來，當(dāng)抽到水位S2以下時(shí)，水泵又開始運(yùn)作給水槽加水。
2．4 制作成品
    調(diào)試成功后制作出成品。圖7是整個(gè)液位控制器系統(tǒng)工作的實(shí)物模型，圖8是經(jīng)過包裝后的液位控制器主控板。

3 特色及創(chuàng)新點(diǎn)
3．1 系統(tǒng)的特色
    雖然現(xiàn)在的液位控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了水體控制過程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控，具有良好的人機(jī)界面。但是我國(guó)在這方面與國(guó)外相比還是有差距，作為學(xué)生的就從最基層的液位控制器開始做起，為液位控制器更高層的研究提供一個(gè)參考。
    此系統(tǒng)完全用硬件實(shí)現(xiàn)液位控制，比軟件實(shí)現(xiàn)起來要更敏捷和穩(wěn)定。
3．2 系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)
    此液位控制系統(tǒng)的最大的創(chuàng)新點(diǎn)就是利用4根金屬線作為高度傳感器，簡(jiǎn)單便捷，水一接觸金屬線就導(dǎo)通，反應(yīng)靈敏。
    第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)就是合理運(yùn)用三極管，使從缺水狀態(tài)到正常水位和從溢出狀態(tài)到正常水位時(shí)指示燈狀態(tài)同以示區(qū)別。

4 結(jié)論
    此款液位控制器具有廣泛的可實(shí)用性，可以在多種場(chǎng)合使用，其通過預(yù)警水位短缺和溢出，幫助解決由此所帶來的損失和危害，具有很廣闊的市場(chǎng)。
    通過液位控制器的設(shè)計(jì)與制作，可以綜合運(yùn)用所學(xué)過的各門課程知識(shí)，是理論與實(shí)踐的結(jié)合，增強(qiáng)用專業(yè)知識(shí)分析問題解決問題的能力。