超聲波的應(yīng)用水位監(jiān)測系統(tǒng)原理

1、水位監(jiān)測報警系統(tǒng)水位監(jiān)測報警器摘要：本水位監(jiān)測報警器使用5V低壓直流電源（也可以用3節(jié)5號電池代替）就可以對515厘米的水位進行監(jiān)測，用LED顯示和數(shù)碼管顯示水位，并可以對不再此范圍內(nèi)的水位發(fā)出報警。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簡單而靈敏的監(jiān)測報警電路，操作簡單，接通電源即可工作。因為大部分電路采用數(shù)字電路，所以本水位監(jiān)測報警器還具有耗能低、準(zhǔn)確性高的特點。關(guān)鍵字：譯碼電路 報警電路 監(jiān)測電路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、 前言隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，自動化技術(shù)以深入到了各領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)生活帶來了許多方便。水位的檢測也可以用自動化來實現(xiàn)。大到可用于水庫、湖泊、池塘水位的檢測，小的可以用于魚缸、鍋爐水位的檢測。我們針對我們設(shè)計的水位檢測報警器的功能、原理、設(shè)計思路、調(diào)試等方面做了個系統(tǒng)的介紹。由于編者水平有限，差錯在所難免，敬請讀者批評指正。二、 總體方案根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由水位信號模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、報警

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： 我們對其中的幾個模塊設(shè)計了不同的方案并進行了比較（1）水位信號模塊的選擇方案1：采用電容的原理，用兩塊平行的長方形銅板作為電極放在水中，可以通過檢測兩電極間的電信號可知水位的變化情況。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、水位分辨率可大大提高;缺點：容易受水質(zhì)的影響產(chǎn)生誤差，信號為模擬信號，不方便處理。方案2：采用觸點的方法，在每個水位點放置一個觸點，當(dāng)水到達該觸點時就可得到一個信號。優(yōu)點：靈敏度高、得出的時數(shù)字信號容易處理；缺點：分辨率不好提高，分辨率越高觸點越多，越難編碼?？紤]到分辨率要求不高和信號處理的難度，排除干擾因素，我們采用方案2。（2）信號轉(zhuǎn)換模塊

6、的選擇方案1:使用三極管把微弱的水位信號放大以驅(qū)動其他模塊的工作。優(yōu)點：成本低；缺點：工作不夠穩(wěn)定，使用數(shù)量多。方案2：使用CD4066雙向模擬開關(guān)，把微弱的水位信號引到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轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電位信號。優(yōu)點：工作穩(wěn)定可靠，便于集成化;缺點：成本高。信號轉(zhuǎn)換模塊的工作影響的各個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)過一個顯示譯碼器直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示。優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單；缺點：要編碼的信號不夠16個，造成浪費，顯示譯碼器不好找。方案2：使用異或門74

7、LS86和或門74LS32組成一個特殊的編碼電路對個位的數(shù)進行編碼，當(dāng)水位高于10厘米時，十厘米信號直接驅(qū)動十位數(shù)碼管顯示“1”，在經(jīng)CD4511顯示譯碼器驅(qū)動個位數(shù)碼管顯示。（詳細個位編碼見附錄）優(yōu)點：電路可靠，穩(wěn)定;缺點: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（已含下拉電阻），以獲取不同水位的信號，將信號引到CD4066，CD4066芯片是一種雙向模擬開關(guān)，在集成電路內(nèi)有4個獨立的能控制數(shù)字及模擬信號傳送的模擬開關(guān)。當(dāng)觸點沒接觸水的時候由470K電阻的下拉作用使的四個開關(guān)的控

8、制端為低電平，開關(guān)斷開。但是當(dāng)觸點接觸到水時候，由于水的導(dǎo)電性，使的四個開關(guān)導(dǎo)通。隨著水位的升高，CD4066中的虛擬開關(guān)逐個開啟，把經(jīng)過水出來后的微弱信號轉(zhuǎn)換成與電源電壓相同的電位信號，以驅(qū)動發(fā)光二極管顯示當(dāng)前水位，水上升到那，對應(yīng)的發(fā)光二極管就發(fā)光。將CD4066的5厘米水位的對位信號引到一個異或門的一個腳上，其另外一個腳接高電平，使得5厘米的水位信號反向輸出，方向輸出的信號再和10厘米水位對應(yīng)的CD4066的信號經(jīng)過一或門由三極管放大之后驅(qū)動蜂鳴器報警。數(shù)碼管顯示模塊的信號也是來自CD4066，分為十位和個位的顯示，由于水位高過10厘米后，10厘米的觸點一直在水中，對應(yīng)的CD4066的1

9、0厘米信號也一直處于高電位，因此只需將CD4066對應(yīng)的10厘米處信號接到十位數(shù)碼管的bc段以顯示“1”，無需編碼就可實現(xiàn)十位顯示而且十分可靠。而個位的顯示需要經(jīng)過由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)動個位的數(shù)碼管顯示。（詳細個位編碼見附錄）四、 電路設(shè)計（1）水位信號模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊左端的P1是水位觸點，由一個VCC和11個觸點組成，用水的導(dǎo)電性，讓接觸到水的觸點出高電位；U1U3是CD4066雙向模擬開關(guān)，將微弱的信號進行轉(zhuǎn)換；R12R22是下拉電阻，用于水位沒到管腳懸空時CD4066輸入端的處理，R1R11時發(fā)光二極管的限流電阻

10、；P2是數(shù)碼管顯示模塊、報警模塊、編碼模塊的連接口。與P1相比多了13腳，其直接從10厘米水位信號引出用于驅(qū)動十位的數(shù)碼管顯示。（2）數(shù)碼管顯示模塊、報警模塊、編碼模塊P1是連接水位信號模塊、信號轉(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是一個雙向虛擬開關(guān)，當(dāng)它斷開時編碼模塊的管腳相當(dāng)與懸空會引起邏輯混亂，因此加了下拉電阻。個位的編碼電路與報警電路共用74LS86和74LS32芯片，這也是設(shè)計是將它們放到同一塊板上的原因之一。與個位編碼電路相連的是CD4511顯示編碼器直接驅(qū)動個位數(shù)碼管顯示。五、 系統(tǒng)調(diào)試1、調(diào)試工具：（1）萬用表（2）5V直流電源（3）

11、水槽2、調(diào)試環(huán)境：（1）地點：實驗室（2）室溫：28 3、測試過程：我們首先將水位觸點放置在水槽中，再使用5V電源接通電路，此時我們聽到“嘀”的報警聲，第5、6、9、11號LED發(fā)光，數(shù)碼管顯示“7”。此結(jié)果與預(yù)計的不符，我們斷開數(shù)碼管顯示模塊、報警模塊、編碼模塊的連接，使電路易于檢測，這時我們看到LED全滅，符合預(yù)計結(jié)果，接著向水槽內(nèi)加水，LED逐個亮起，我們用萬用表測量了LED，證明水位信號模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊沒問題。我們再把數(shù)碼管顯示模塊、報警模塊、編碼模塊連接上，以檢查此模塊的錯誤，連上時立刻又出現(xiàn)剛才的錯誤，我們用萬用表測量與水位信號模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、發(fā)光管顯示模塊的

12、接口發(fā)現(xiàn)有4個接口的電位與預(yù)計不符，我們就懷疑是不是CMOS與TTL不兼容的問題。測試到這便進行不下去了。之后我們又想CD4066是個虛擬開關(guān)，不應(yīng)該有社么問題，我們又上網(wǎng)查資料，并對此用電子試驗箱做了專項的模擬試驗，發(fā)現(xiàn)什么問題都沒有，與預(yù)計結(jié)果完全相同。我們又對數(shù)碼管顯示模塊、報警模塊、編碼模塊的連接進行仔細的檢查，最后才發(fā)現(xiàn)原來是芯片的管腳連接不對，輸入信號連接再了芯片的輸出端上。我們再從新做了一塊新板，問題解決了。我們再用萬用表測量芯片工作電壓（低電位0.2V、高電位3.6V）工作正常了。我們再次用整體檢測水位，當(dāng)水位低于5厘米時，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逐個亮起，數(shù)碼管對應(yīng)顯示“514”，當(dāng)水位到達15厘米時紅色的LED亮起，數(shù)碼管顯示“15”，蜂鳴器發(fā)聲報警，達到了預(yù)計的結(jié)果，調(diào)試結(jié)束。六、 設(shè)計總結(jié)此次實驗的設(shè)計我們在理論上、仿真上都很成功，但是在實際的調(diào)試過程中顯示部分卻出現(xiàn)了問題。原因是芯片的封裝與設(shè)計時的不同，引起顯示部分個芯片管腳的電位混亂。因設(shè)計過程中耗費了大量時間，所以沒有足夠的時間調(diào)試和改進。整個實驗過程中收獲很多對電路的設(shè)計有一個了解并能自己動手完成一些簡單的電路設(shè)計、制板及調(diào)試的過程，極大地提高了我們的動手能力。參考文獻：1、電子技術(shù)電子工業(yè)出版社。2、中國電子技術(shù)網(wǎng)七、 附錄水位信號對應(yīng)的個位數(shù)BCD碼DCBA50101601107011