液位控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：該液位控制器以LM324芯片為核心實現(xiàn)控制，制作原理簡單，利用金屬條感知液位的高度，在超過預定值或未達到預定值時，主控制板將控制繼電器采取相應動作，比如報警、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靈敏的液位控制器，模擬了整個液位控制器系統(tǒng)。
關鍵詞：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重要環(huán)節(jié)，對節(jié)約資源、安全生產(chǎn)有著極為重要的作用。本設計采用液體高度傳感器組成控制系統(tǒng)，對水位進行全方位監(jiān)控。通過電路的指示燈監(jiān)測液面變化，從而按一定的組合順序來控制水泵或電鈴的打開和關
閉，對液面高度進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)液體控制過程中的安全報警。

1 系統(tǒng)的設計與運作原理
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智能控制器的核心。
    其電器原理如圖2所示。圖中LM324四個運放分別為UA，UB，UC，UD。

    設運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、藍燈。
    (1)狀態(tài)1：S1，S2斷開，LED3亮
    當S1，S2斷開時，運放UA沒有參與工作，對于運放UB，UB+-UB-=4 V，經(jīng)放大UBO=11 V，所以LED1和R12兩端就1 V電壓，因為阻值為1 kΩ的電阻分壓，不足以使LED1導通；因為電路是對稱的，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)分析可知運放UD輸出端UDO接近0 V，不足以使三極管T1導通，致使LED4負端被上拉成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S1斷開、S2閉合時，運放UC的負極電壓增大，使得運放的輸出UCO接近0 V，LED3截止，LED2導通，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S1，S2都閉合時，LED1，LED4亮
    當S1，S2都閉合時，運放UB的負極電壓增大，使得運放的輸出UBO接近0 V，LED1導通，LED2截止，運放UD正極電壓接近8 V，輸出電壓己，UDO接近10 V，T1導通，集電極接近0 V，LED4導通。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，但是因為T1在狀態(tài)3下導通，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 測量電路模塊
    測量電路由測量不同水位高度的金屬條組成，較長的金屬條為S2，較短的金屬條為S1。當水位高于S2時，S2導通，水位繼續(xù)上漲至S1時，S1可導通。
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、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、藍燈分別為LED1，LED2，LED3，LED4，顯示各種水位時對應的工作狀態(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，由主控制器進行控制，配合控制電路執(zhí)行相應的操作，對水槽進行加水。
1．2 運作原理
    該液位控制器能夠利用金屬條來感知液位的高度，在低于最低預定值S1時，能通過控制繼電器操控水泵進行增加液體的動作，當增加液體到指定液位S2時，控制繼電器使水泵停止加水。而液位的高度可以根據(jù)所設計的4個LED燈的亮滅來判斷，具體對應狀態(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，并對其進行電路仿真。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：可以用兩個開關分別代替高度傳感器S1，S2，先用+12 V電壓代替LM7812電路等。為了能最好的實現(xiàn)液位控制器的功能，可以適當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，這一步非常關鍵，因為這關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運作正常，與此同時綠色的指示燈也會亮說明電路運作正常。再按照表格1內(nèi)的順序分別閉合或斷開S1，S2，相應的指示燈亮，證明主控板的運作完全正常。
2．3．2 調(diào)試外工作電路和測試電路
    先用一個LED代替水泵進行調(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條線連接到測試水位板，使水位板置于一個無水的水槽中，接通電源，此時主控板就會控制水泵給水槽加水，在不同狀態(tài)相應指示燈亮，當水加到水位S1時，主控板上的繼電器開關打到另外一邊，水泵停止運作，再用注射器抽出一些水來，當抽到水位S2以下時，水泵又開始運作給水槽加水。
2．4 制作成品
    調(diào)試成功后制作出成品。圖7是整個液位控制器系統(tǒng)工作的實物模型，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
3．1 系統(tǒng)的特色
    雖然現(xiàn)在的液位控制系統(tǒng)已經(jīng)運用單片機控制，實現(xiàn)了水體控制過程的自動化處理以及監(jiān)控，具有良好的人機界面。但是我國在這方面與國外相比還是有差距，作為學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參考。
    此系統(tǒng)完全用硬件實現(xiàn)液位控制，比軟件實現(xiàn)起來要更敏捷和穩(wěn)定。
3．2 系統(tǒng)的創(chuàng)新點
    此液位控制系統(tǒng)的最大的創(chuàng)新點就是利用4根金屬線作為高度傳感器，簡單便捷，水一接觸金屬線就導通，反應靈敏。
    第二個創(chuàng)新點就是合理運用三極管，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用性，可以在多種場合使用，其通過預警水位短缺和溢出，幫助解決由此所帶來的損失和危害，具有很廣闊的市場。
    通過液位控制器的設計與制作，可以綜合運用所學過的各門課程知識，是理論與實踐的結(jié)合，增強用專業(yè)知識分析問題解決問題的能力。