光電式液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：日期：指導(dǎo)教師：物電學(xué)院教務(wù)部印制說(shuō)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(jī)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(píng)成績(jī)，并填寫成績(jī)?cè)u(píng)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(jī)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)的情況另行規(guī)定。5、平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)低于6分的學(xué)生，取消答辯資格，其該課程設(shè)計(jì)成績(jī)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(jí)本科生開展的綜合性的課外科技活動(dòng)，通過(guò)光電綜合設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)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(duì)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)，并通過(guò)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(gòu)、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(guò)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(guò)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)。.、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：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(jì)方案；原理設(shè)計(jì)，原理仿真、修改；PCB板設(shè)計(jì)，購(gòu)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(jì)（有外殼要求）；撰寫電子綜合設(shè)計(jì)報(bào)告；綜合設(shè)計(jì)驗(yàn)收、答辯。三、主要參考文獻(xiàn)：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(dǎo)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(jì)思路2\o"CurrentDocument"2.2方案選擇2\o"CurrentDocument"3系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(bào)警電路5\o"CurrentDocument"5設(shè)計(jì)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(jìn)與設(shè)想7\o"CurrentDocument"6總結(jié)與體會(huì)8\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)9\o"CurrentDocument"附錄10摘要在工業(yè)控制系統(tǒng)以及湖泊等測(cè)繪工程中，準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)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(duì)液位測(cè)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(cè)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?，方向性好，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(hào)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量成為廣大電子工作者必須掌握的手段，對(duì)測(cè)量的精度和功能的要求也越來(lái)越高，在工業(yè)控制系統(tǒng)以及湖泊等測(cè)繪工程中，準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)出液面的深度（即水位高度）就是前提；而目前擔(dān)負(fù)著對(duì)液位測(cè)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(cè)跟蹤控制系統(tǒng)。從液位測(cè)量的方法看，按檢測(cè)器與液體接觸與否分為兩大類：一是接觸式測(cè)量，二是非接觸式測(cè)量。在前一種測(cè)量方式中，因?yàn)楸粶y(cè)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(cè)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(hào)接收器，聲光報(bào)警等裝置。啟動(dòng)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(hào)，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(hào)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(hào)，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2.1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(hào)的有無(wú)來(lái)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(dòng)遮光式紅外液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。即紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，通過(guò)紅外接收管接收并實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，此時(shí)有光信號(hào)，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(hào)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(cè)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(hào)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(hào)，紅燈閃爍，電路報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)。2.2方案選擇對(duì)于方案一，簡(jiǎn)單易行，易于實(shí)現(xiàn)。但經(jīng)過(guò)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(duì)于接收管來(lái)說(shuō)，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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作影響很大。對(duì)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(wú)接觸地檢測(cè)液面，及時(shí)報(bào)警，系統(tǒng)穩(wěn)定度也高。經(jīng)過(guò)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)的工作原理應(yīng)華通過(guò)對(duì)激本系統(tǒng)利用LD半導(dǎo)體激光器、激光接收頭、電壓比較器等，光接收頭信號(hào)的電壓高低，來(lái)判斷待測(cè)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(duì)光路的影響，激光接收頭無(wú)法接受到激光信號(hào)，此時(shí)輸出低電平，系統(tǒng)聲光報(bào)警。應(yīng)華通過(guò)對(duì)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(bào)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(hào)，并輸出液面高度判斷信號(hào)。放大整形電路主要對(duì)激光接收電路輸出的信號(hào)進(jìn)行整形處理，提高系統(tǒng)抗干擾能力，并對(duì)激光接收電路輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，判斷液面高度并且進(jìn)行下一步動(dòng)作。聲光報(bào)警電路主要是當(dāng)待測(cè)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(zhǎng)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(hào)時(shí)，輸出高電平，接收不到激光信號(hào)時(shí)，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(jí)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(bào)警電路當(dāng)待測(cè)液面到達(dá)一定高度時(shí)，進(jìn)行蜂鳴器響，紅燈閃爍，待測(cè)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：

Green圖4-5聲光報(bào)警電路RED^^LEDO6+5VGreen圖4-5聲光報(bào)警電路RED^^LEDO6+5VIO11FC2S.OhiFNE55535設(shè)計(jì)結(jié)果及分析5.1結(jié)果分析經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，系統(tǒng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)液面監(jiān)測(cè)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(cè)的同時(shí)，通過(guò)設(shè)置也可以監(jiān)測(cè)液面下降。5.2存在不足本系統(tǒng)只適用于能夠讓光通過(guò)，折射率較大的液體，，而且對(duì)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(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(hào)傳輸方面。對(duì)于該系統(tǒng)，可以用光纖作為導(dǎo)光介質(zhì)，通過(guò)液體的有無(wú)改變光纖的的折射特性，或者液面對(duì)光信號(hào)反射的變化，光信號(hào)發(fā)生變化，從而引起電路反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)液面監(jiān)測(cè)。更進(jìn)一步講，還可以把系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)?？梢园严到y(tǒng)與閥門或者電機(jī)連接起來(lái)，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(huì)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(lái)，受益匪淺。首先，不得不承認(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(qǐng)教別人。當(dāng)自己找到問題的原因時(shí)，內(nèi)心歡喜，會(huì)有一種“山重水復(fù)疑無(wú)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(shí)到在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的時(shí)候，我們千萬(wàn)不能將某一門知識(shí)隔離開來(lái)。在本次課程設(shè)計(jì)中，涉及到電路，光學(xué)，光電檢測(cè)等知識(shí)，我們要學(xué)會(huì)將這些知識(shí)融會(huì)貫通在一起，形成一張知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)到理論知識(shí)和現(xiàn)實(shí)實(shí)際之間的差距。我們?cè)谡n堂上學(xué)到的知識(shí)，很大一部分都是把某一事物轉(zhuǎn)換成理想化模型來(lái)學(xué)習(xí)的。我們一定要認(rèn)識(shí)到，實(shí)際應(yīng)用中，有很多我們不知道的事情會(huì)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)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(zhǎng)度10.5MM工作壽命：1000小時(shí)以上輸出模式：點(diǎn)狀光斑，連續(xù)輸出激光波長(zhǎng)：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(diǎn)大?。?5米處光點(diǎn)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(qiáng)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(hào)產(chǎn)生電路『如右虱振蕩周期：1=055強(qiáng)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(hào)產(chǎn)生電路『如右虱振蕩周期：1=07(R1+2R2)C:■