光電式液面監(jiān)測系統(tǒng)

江蘇師范大學物電學院本科生課程設(shè)計課程名稱：光電綜合設(shè)計題目：光電式液面監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)班級：學生姓名：學生學號：日期：指導教師：物電學院教務(wù)部印制說明:1、報告中的第一、二、三項由學生在課程設(shè)計開始前填寫，由指導教師指導并確認簽字。2、學生成績由指導教師根據(jù)學生的設(shè)計情況給出各項分值及總評成績，并填寫成績評定表。3、所有學生必須參加課程設(shè)計的答辯環(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。答辯后學生根據(jù)答辯情況填寫答辯記錄表。4、報告正文字數(shù)一般應(yīng)不少于3000字，也可由指導教師根據(jù)本門課程設(shè)計的情況另行規(guī)定。5、平時表現(xiàn)成績低于6分的學生，取消答辯資格，其該課程設(shè)計成績按不及格處理。6、課程設(shè)計完成后，由指導教師根據(jù)完成情況寫出總結(jié)。7、此表格式為江蘇師范大學物理與電子工程學院提供的基本格式，指導教師可根據(jù)本門課程設(shè)計的特點及內(nèi)容做適當?shù)恼{(diào)整。一、課程設(shè)計目的、任務(wù)和內(nèi)容要求：1、光電綜合設(shè)計目的與要求光電綜合設(shè)計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，增強學生的創(chuàng)新能力、動手能力；加強科學研究和工程實踐素質(zhì)的訓練，提高學生對實際問題進行設(shè)計、制作的綜合能力；為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計和在今后工作崗位上獨立開展科學研究打下良好基礎(chǔ)。要求學生能在三周時間內(nèi)獨立完成設(shè)計任務(wù)，并通過答辯，為優(yōu)秀學生的發(fā)揮與創(chuàng)新創(chuàng)造條件。2、光電綜合設(shè)計方式光電綜合設(shè)計包括：選題、方案設(shè)計、原理設(shè)計、仿真、采購、安裝與調(diào)試、撰寫設(shè)計報告、答辯，答辯組成員不少于三人。3、光電綜合設(shè)計內(nèi)容光電綜合設(shè)計是以光學和電子電路（含模擬和數(shù)字電路）應(yīng)用設(shè)計為主要內(nèi)容，可以涉及模-數(shù)混合電路、單片機、可編程器件、EDA軟件工具和PC機（主要用于開發(fā)）的應(yīng)用。包括“理論設(shè)計”和“實際制作與調(diào)試”兩部分。通過該設(shè)計達到綜合性訓練的目的。光電綜合設(shè)計課題數(shù)每次不超過五個題目，學生可以選擇其一，每個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)實際情況將有所更新，做到與時俱進。.、進度安排：光電綜合設(shè)計的時間安排在第七學期結(jié)束前三周進行，共計21天。第1至2天：第3至5天：第6至8天：第9至13天：第14至15天：第16至19天：第20至21天：選擇課題，論證設(shè)計方案；原理設(shè)計，原理仿真、修改；PCB板設(shè)計，購買元器件；安裝和調(diào)試：分步安裝、焊接、調(diào)試，電路修改，總調(diào)；結(jié)構(gòu)設(shè)計（有外殼要求）；撰寫電子綜合設(shè)計報告；綜合設(shè)計驗收、答辯。三、主要參考文獻：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，1998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指導教師簽字：年月目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要II\o"CurrentDocument"1引言1\o"CurrentDocument"1.1系統(tǒng)背景1\o"CurrentDocument"1.2系統(tǒng)功能1\o"CurrentDocument"2方案論證與選擇2\o"CurrentDocument"2.1方案設(shè)計思路2\o"CurrentDocument"2.2方案選擇2\o"CurrentDocument"3系統(tǒng)設(shè)計3\o"CurrentDocument"3.1系統(tǒng)的工作原理3\o"CurrentDocument"3.2系統(tǒng)硬件組成3\o"CurrentDocument"4電路設(shè)計4\o"CurrentDocument"4.1激光發(fā)射電路4\o"CurrentDocument"4.2激光接收電路4\o"CurrentDocument"4.3放大整形電路5\o"CurrentDocument"4.4聲光報警電路5\o"CurrentDocument"5設(shè)計結(jié)果及分析7\o"CurrentDocument"5.1結(jié)果分析7\o"CurrentDocument"5.2存在不足7\o"CurrentDocument"5.3方案改進與設(shè)想7\o"CurrentDocument"6總結(jié)與體會8\o"CurrentDocument"參考文獻9\o"CurrentDocument"附錄10摘要在工業(yè)控制系統(tǒng)以及湖泊等測繪工程中，準確及時地檢測出液面的深度已經(jīng)成為一個很重要的課題，而目前擔負著對液位測量、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)。隨著科學的進步，激光的出現(xiàn)，這一問題得以解決。激光因為相干度高，方向性好，傳播距離遠有著廣泛的應(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；當液面上漲時，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)生報警，從而實現(xiàn)液面上漲報警。關(guān)鍵詞：光電式；液面上漲；報警AbstractIntheindustrialcontrolsystemsandlakesinsurveyingandmappingproject,accuratelyandtimelydetectionofliquidleveldepthhasbecomeaveryimportanttopic,andatpresenttherearemanyunsatisfactoryareasresponsibleformeasurementofliquidlevel,theliquidheightandothertasks,andneedtobeperfected,andtheliquidleveldetectionandtrackingcontrolsystem.Withtheprogressofscience,theappearanceoflaser,theproblemissolved.Coherentlaserbecauseofhighdegree,gooddirection,fartransmissiondistanceiswidelyused.Laserreceiver,photoelectricconversion,thereceiveroutputcurrent,normalworkandholdcircuitlight;whentheliquidlevelrise,becauseoftherefractioneffectofliquid,deflectionoflight,thecircuitdoesnotreceivethelightsignalalarm,soastorealizethelevelupalarmsystem.Keywords:photoelectric;liquidlevelrise;waring1引言1.1系統(tǒng)背景隨著電子科學技術(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，準確及時地檢測出液面的深度（即水位高度）就是前提；而目前擔負著對液位測量、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，因為被測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、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)采用半導體激光器，激光信號接收器，聲光報警等裝置。啟動電源開關(guān)開關(guān)后，半導體激光器發(fā)射激光，根據(jù)激光接收器的反饋信號，判斷液面高度，并進行液面高度指示。當接收器能夠接收到光信號時，電路不報警，液面上漲時，由于折射作用，光線偏折，接收器接收不到光信號，電路發(fā)出報警，從而實現(xiàn)液面上漲報警。2方案論證與選擇2.1方案設(shè)計思路按照系統(tǒng)要求，查找相關(guān)資料，設(shè)計的基本思路是：根據(jù)光信號的有無來判斷液位是否到達指定高度，并決定電路是否報警。所以設(shè)計出了以下兩種方案：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現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，此時有光信號，報警系統(tǒng)不工作，綠燈亮；液面上漲到一定高度，浮標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，接收器輸出電壓，報警系統(tǒng)不工作，綠燈亮；液面上漲時，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，電路報警，從而實現(xiàn)液位監(jiān)測。2.2方案選擇對于方案一，簡單易行，易于實現(xiàn)。但經(jīng)過試驗和論證，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，導致電路不穩(wěn)定。其次，浮標在液面漂浮，容易受到風浪影響，很不穩(wěn)定。最終對于整個系統(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，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，準確，無接觸地檢測液面，及時報警，系統(tǒng)穩(wěn)定度也高。經(jīng)過試驗分析論證，最終決定采取方案二的設(shè)計思路。3系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)的工作原理應(yīng)華通過對激本系統(tǒng)利用LD半導體激光器、激光接收頭、電壓比較器等，光接收頭信號的電壓高低，來判斷待測液面高度。當液面未達到預(yù)警高度時，激光接收頭輸出高電平，綠燈亮；當液面到達一定高度時，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，此時輸出低電平，系統(tǒng)聲光報警。應(yīng)華通過對激系統(tǒng)主要由激光發(fā)射電路、激光接收電路、放大整形、聲光報警電路等幾部分組成。系統(tǒng)組成框架如圖3-1所示：激光發(fā)射電路＞激光接收電路＞放大整形電路圖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＞激光接收電路＞放大整形電路激光發(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的信號進行處理，判斷液面高度并且進行下一步動作。聲光報警電路主要是當待測液面到達一定高度時，進行聲光報警。

4電路設(shè)計4.1激光發(fā)射電路激光發(fā)射電路主要采用半導體激光器，若要長時間工作時，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，輸出高電平，接收不到激光信號時，輸出低電平，激光接收電路如圖4-2所示：R610KR710K2激光接收電路4.3放大整形電路R610KR710K2激光接收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〃，反之為低電平“0”。放大整形電路如圖4-3所示：ININININ^=17』ININININ^=17』7.4OUTOUT圖4-3放大整形電路4.4聲光報警電路當待測液面到達一定高度時，進行蜂鳴器響，紅燈閃爍，待測液面未達到一定高度時，綠燈亮。聲光報警電路如圖4-5所示：

Green圖4-5聲光報警電路RED^^LEDO6+5VGreen圖4-5聲光報警電路RED^^LEDO6+5VIO11FC2S.OhiFNE55535設(shè)計結(jié)果及分析5.1結(jié)果分析經(jīng)過試驗，系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)液面監(jiān)測功能，準確，高效，非接觸。液面低于設(shè)定水位時，綠燈亮，液面到達預(yù)設(shè)水位時，紅燈閃爍，系統(tǒng)報警。當然，系統(tǒng)在實現(xiàn)液面上漲監(jiān)測的同時，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方案改進與設(shè)想隨著光纖技術(shù)的研究和進步，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)，實現(xiàn)液面監(jiān)測。更進一步講，還可以把系統(tǒng)進一步改進。可以把系統(tǒng)與閥門或者電機連接起來，當液面到達一定高度之后，電路報警同時，系統(tǒng)控制閥門打開放水，或者電機向外抽水；當液面下降時，系統(tǒng)控制閥門打開或者關(guān)閉，電機向內(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)計中，從一開始思考工作原理，到設(shè)計方案，再到電路設(shè)計、焊接電路，以及硬件調(diào)試，一路走來，受益匪淺。首先，不得不承認，在這次課程設(shè)計中遇到了很多困難。有時候，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。當自己找到問題的原因時，內(nèi)心歡喜，會有一種“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”的感覺。在痛苦和喜悅之間，我感覺到了一種進步。其次，我認識到在學習理論知識的時候，我們千萬不能將某一門知識隔離開來。在本次課程設(shè)計中，涉及到電路，光學，光電檢測等知識，我們要學會將這些知識融會貫通在一起，形成一張知識網(wǎng)絡(luò)。當然，在設(shè)計過程中，還有和大家的交流討論合作，更加明白了團隊的力量。最后一點，我們一定要認識到理論知識和現(xiàn)實實際之間的差距。我們在課堂上學到的知識，很大一部分都是把某一事物轉(zhuǎn)換成理想化模型來學習的。我們一定要認識到，實際應(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，認真思考，尋求解決方案。參考文獻閻石主.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第四版[M].高等教育出版社，1998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：發(fā)射功率：150MW尺寸：直徑6MM*長度10.5MM工作壽命：1000小時以上輸出模式：點狀光斑，連續(xù)輸出激光波長：650NM用電功率：5MW工作電壓：5V工作電流：小于40MA工作溫度：-36-65攝氏度光點大小：15米處光點為直徑10MM到15MM圖附錄-1激光LD資料TRIGOUTRESETNE55相關(guān)資料TRIGOUTRESETNE55相關(guān)資料55555強應(yīng)用:構(gòu)成拖密特觸凌備，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路或盼沖鑒幅等；<2)構(gòu)成務(wù)諧振蕩毒，組成信號產(chǎn)生電路『如右虱振蕩周期：1=055強應(yīng)用:構(gòu)成拖密特觸凌備，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路或盼沖鑒幅等；<2)構(gòu)成務(wù)諧振蕩毒，組成信號產(chǎn)生電路『如右虱振蕩周期：1=07(R1+2R2)C:■