光电式液面监测系统.docx

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光电式液面监测系统

江苏师范大学物电学院

本科生课程设计

课程名称：

光电综合设计

题目：

光电式液面监测系统设计

专业班级：

学生姓名：

学生学号：

日期：

指导教师：

物电学院教务部印制

说明：

1、报告中的第一、二、三项由学生在课程设计开始前填写，由指导教师指导并确认签字。

2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩，并填写成绩评定表。

3、所有学生必须参加课程设计的答辩环节，凡不参加答辩者，其成绩一律按不及格处理。

答辩小组成员应由2人及以上教师组成。

答辩后学生根据答辩情况填写答辩记录表。

4、报告正文字数一般应不少于3000字，也可由指导教师根据本门课程设计的情况另行规定。

5、平时表现成绩低于6分的学生，取消答辩资格，其该课程设计成绩按不及格处理。

6、课程设计完成后，由指导教师根据完成情况写出总结。

7、此表格式为江苏师范大学物理与电子工程学院提供的基本格式，指导教师可根据本门课程设计的特点及内容做适当的调整。

一、课程设计目的、任务和内容要求：

1、光电综合设计目的与要求

光电综合设计是面向高年级本科生开展的综合性的课外科技活动，通过光电综合设计，增强学生的创新能力、动手能力;加强科学研究和工程实践素质的训练，提高学生对实际问题进行设计、制作的综合能力；为后续的毕业设计和在今后工作岗位上独立开展科学研究打下良好基础。

要求学生能在三周时间内独立完成设计任务，并通过答辩，为优秀学生的发挥与创新创造条件。

2、光电综合设计方式

光电综合设计包括：

选题、方案设计、原理设计、仿真、采购、安装与调试、撰写设计报告、答辩，答辩组成员不少于三人。

3、光电综合设计内容

光电综合设计是以光学和电子电路（含模拟和数字电路）应用设计为主要内容，可以涉及模-数混合电路、单片机、可编程器件、EDA软件工具和PC机（主要用于开发）的应用。

包括“理论设计”和“实际制作与调试”两部分。

通过该设计达到综合性训练的目的。

光电综合设计课题数每次不超过五个题目，学生可以选择其一，每个课题包括基本部分和发挥部分，随着新理论、新技术、新工艺、新器件的引入，其内容根据实际情况将有所更新，做到与时俱进。

二、进度安排：

光电综合设计的时间安排在第七学期结束前三周进行，共计21天。

第1至2天：

选择课题，论证设计方案；

第3至5天：

原理设计，原理仿真、修改；

第6至8天：

PCB板设计，购买元器件；

第9至13天：

安装和调试：

分步安装、焊接、调试，电路修改，总调；

第14至15天：

结构设计（有外壳要求）；

第16至19天：

撰写电子综合设计报告；

第20至21天：

综合设计验收、答辩。

三、主要参考文献：

1．阎石主.《数字电子技术基础》第四版[M].高等教育出版社，1998

2．康华光.《电子技术基础》（数字部分）[M].高等教育出版社，2000

指导教师签字：

年月

目录

摘要II

1引言1

1.1系统背景1

1.2系统功能1

2方案论证与选择2

2.1方案设计思路2

2.2方案选择2

3系统设计3

3.1系统的工作原理3

3.2系统硬件组成3

4电路设计4

4.1激光发射电路4

4.2激光接收电路4

4.3放大整形电路5

4.4声光报警电路5

5设计结果及分析7

5.1结果分析7

5.2存在不足7

5.3方案改进与设想7

6总结与体会8

参考文献9

附录10

摘要

在工业控制系统以及湖泊等测绘工程中，准确及时地检测出液面的深度已经成为一个很重要的课题，而目前担负着对液位测量、液面高度等任务的完成有诸多不尽人意的地方，需要更加完善、合理的液位检测跟踪控制系统。

随着科学的进步，激光的出现，这一问题得以解决。

激光因为相干度高，方向性好，传播距离远有着广泛的应用。

激光照射接收器，光电转换，接收器输出电流，保持电路绿灯的正常工作；当液面上涨时，由于液体的折射作用，光线偏折，电路接收不到光信号而发生报警，从而实现液面上涨报警。

关键词：

光电式；液面上涨；报警

Abstract

Intheindustrialcontrolsystemsandlakesinsurveyingandmappingproject,accuratelyandtimelydetectionofliquidleveldepthhasbecomeaveryimportanttopic,andatpresenttherearemanyunsatisfactoryareasresponsibleformeasurementofliquidlevel,theliquidheightandothertasks,andneedtobeperfected,andtheliquidleveldetectionandtrackingcontrolsystem.Withtheprogressofscience,theappearanceoflaser,theproblemissolved.Coherentlaserbecauseofhighdegree,gooddirection,fartransmissiondistanceiswidelyused.Laserreceiver,photoelectricconversion,thereceiveroutputcurrent,normalworkandholdcircuitlight;whentheliquidlevelrise,becauseoftherefractioneffectofliquid,deflectionoflight,thecircuitdoesnotreceivethelightsignalalarm,soastorealizethelevelupalarmsystem.

Keywords:

photoelectric;liquidlevelrise;waring

1引言

1.1系统背景

随着电子科学技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，在工业控制系统以及湖泊等测绘工程中，准确及时地检测出液面的深度（即水位高度）就是前提；而目前担负着对液位测量、液面高度等任务的完成有诸多不尽人意的地方，需要更加完善、合理的液滴、液位检测跟踪控制系统。

从液位测量的方法看，按检测器与液体接触与否分为两大类：

一是接触式测量，二是非接触式测量。

在前一种测量方式中，因为被测液体可能具有的腐蚀性等原因并不是最理想的方法。

后一种方法引起经济、安全、方便等因素应用很广。

随着激光技术的发展和光电技术的研究，激光技术在液面检测方面已经有啦很大的应用。

1.2系统功能

根据系统的功能要求，系统采用半导体激光器，激光信号接收器，声光报警等装置。

启动电源开关开关后，半导体激光器发射激光，根据激光接收器的反馈信号，判断液面高度，并进行液面高度指示。

当接收器能够接收到光信号时，电路不报警，液面上涨时，由于折射作用，光线偏折，接收器接收不到光信号，电路发出报警，从而实现液面上涨报警。

2方案论证与选择

2.1方案设计思路

按照系统要求，查找相关资料，设计的基本思路是：

根据光信号的有无来判断液位是否到达指定高度，并决定电路是否报警。

所以设计出了以下两种方案：

方案一：

浮动遮光式红外液面监测系统。

即红外发光二极管发射红外光，通过红外接收管接收并实现光电转换，此时有光信号，报警系统不工作，绿灯亮；液面上涨到一定高度，浮标随着水位上涨而上浮，遮挡住光路，光信号消失，红灯亮，电路报警。

方案二：

激光式光电转换液面检测系统。

激光器在容器一端发射激光，激光接收器在另一端接收，有光信号时，接收器输出电压，报警系统不工作，绿灯亮；液面上涨时，由于水的折射，光线发生偏折，接收器接收不到光信号，红灯闪烁，电路报警，从而实现液位监测。

2.2方案选择

对于方案一，简单易行，易于实现。

但经过试验和论证，存在一些缺陷。

红外发光二极管发出的光线不集中，比较散，所以对于接收管来说，容易受到外界其他物品的影响，导致电路不稳定。

其次，浮标在液面漂浮，容易受到风浪影响，很不稳定。

最终对于整个系统的稳定工作影响很大。

对于方案二，激光相干性好，方向性好，传播距离远，不易受周边物品影响。

而且也具有光的一些性质，利用折射定律，系统能够高效，快速，准确，无接触地检测液面，及时报警，系统稳定度也高。

经过试验分析论证，最终决定采取方案二的设计思路。

3系统设计

3.1系统的工作原理

本系统利用LD半导体激光器、激光接收头、电压比较器等，通过对激光接收头信号的电压高低，来判断待测液面高度。

当液面未达到预警高度时，激光接收头输出高电平，绿灯亮；当液面到达一定高度时，由于液体的对光路的影响，激光接收头无法接受到激光信号，此时输出低电平，系统声光报警。

系统主要由激光发射电路、激光接收电路、放大整形、声光报警电路等几部分组成。

系统组成框架如图3-1所示：

图3-1系统组成框架

3.2系统硬件组成

激光发射电路采用LD激光器，发射激光。

激光接收电路采用非可调制的激光接收头组成，接收激光信号，并输出液面高度判断信号。

放大整形电路主要对激光接收电路输出的信号进行整形处理，提高系统抗干扰能力，并对激光接收电路输出的信号进行处理，判断液面高度并且进行下一步动作。

声光报警电路主要是当待测液面到达一定高度时，进行声光报警。

4电路设计

4.1激光发射电路

激光发射电路主要采用半导体激光器，若要长时间工作时，需要外加限流电阻，激光发射电路如图4-1所示：

图4-1激光发射电路

4.2激光接收电路

激光接收电路主要采用非调制的激光接收头，接收激光信号时，输出高电平，接收不到激光信号时，输出低电平，激光接收电路如图4-2所示：

图4-2激光接收电路

4.3放大整形电路

由于接收端易受到干扰，在输出端加一级比较电路可以改善抗干扰特性，如4-3所示，加入电压比较器LM393，若同相端电压大于反相端电压，则输出高电平“1”，反之为低电平“0”。

放大整形电路如图4-3所示：

图4-3放大整形电路

4.4声光报警电路

当待测液面到达一定高度时，进行蜂鸣器响，红灯闪烁，待测液面未达到一定高度时，绿灯亮。

声光报警电路如图4-5所示：

图4-5声光报警电路

5设计结果及分析

5.1结果分析

经过试验，系统基本能够实现液面监测功能，准确，高效，非接触。

液面低于设定水位时，绿灯亮，液面到达预设水位时，红灯闪烁，系统报警。

当然，系统在实现液面上涨监测的同时，通过设置也可以监测液面下降。

5.2存在不足

本系统只适用于能够让光通过，折射率较大的液体，，而且对容器也有一定的要求。

如果液体不透光，或者液体中有能够附着在容器上的杂质，此系统不再适用。

5.3方案改进与设想

随着光纤技术的研究和进步，光纤广泛应用于信号传输方面。

对于该系统，可以用光纤作为导光介质，通过液体的有无改变光纤的的折射特性，或者液面对光信号反射的变化，光信号发生变化，从而引起电路反应，实现液面监测。

更进一步讲，还可以把系统进一步改进。

可以把系统与阀门或者电机连接起来，当液面到达一定高度之后，电路报警同时，系统控制阀门打开放水，或者电机向外抽水；当液面下降时，系统控制阀门打开或者关闭，电机向内抽水。

这样，该系统的应用空间比较大，应用前景比较广阔。

6总结与体会

在这次课程设计中，从一开始思考工作原理，到设计方案，再到电路设计、焊接电路，以及硬件调试，一路走来，受益匪浅。

首先，不得不承认，在这次课程设计中遇到了很多困难。

有时候，明明自己想得很明白的事情，就是得不到自己预想的结果，心情很烦躁，不得不翻阅大量的书籍资料，搜索信息，请教别人。

当自己找到问题的原因时，内心欢喜，会有一种“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的感觉。

在痛苦和喜悦之间，我感觉到了一种进步。

其次，我认识到在学习理论知识的时候，我们千万不能将某一门知识隔离开来。

在本次课程设计中，涉及到电路，光学，光电检测等知识，我们要学会将这些知识融会贯通在一起，形成一张知识网络。

当然，在设计过程中，还有和大家的交流讨论合作，更加明白了团队的力量。

最后一点，我们一定要认识到理论知识和现实实际之间的差距。

我们在课堂上学到的知识，很大一部分都是把某一事物转换成理想化模型来学习的。

我们一定要认识到，实际应用中，有很多我们不知道的事情会发生。

我们要保持冷静，认真思考，寻求解决方案。

参考文献

1．阎石主.《数字电子技术基础》第四版[M].高等教育出版社，1998

2．康华光.《电子技术基础》（数字部分）[M].高等教育出版社，2000

附录

相关芯片资料：

激光LD的资料，如下图：

图附录-1激光LD资料

NE55相关资料

图附录-2NE555引脚图

图附录-3NE555相关资料

LM393相关资料

图附录-4LM393功能图

图附录-5LM393引脚

图附录-6LM393引脚介绍

答辩记录表

学生姓名：

学号：

班级：

答辩地点：

答辩内容记录：

1.光线为什么会偏折？

由于水的折射，光线偏折。

2.激光波长多少？

650nm

3.主要用什么芯片？

LM393和NE555

成绩评定表

学生姓名：

学号：

班级：

类别

合计

分值

各项分值

评分标准

实际得分

合计得分

备注

平时

完成情况

30

10

按时参加课程设计，无旷课、迟到、早退、违反实验室纪律等情况。

10

设计方案规范合理，设计目标明确，符合专业培养要求，时间安排得当，技术路线可靠。

10

按设计任务书的要求完成了全部任务，能完整演示其设计内容，符合要求。

报告完成情况

30

10

报告文字通顺，内容翔实，论述充分、完整，立论正确，结构严谨合理，报告整体格式规范。

10

设计方案合理、可行，论证严谨，逻辑性强；符号统一；图表完备、符合规范要求。

10

能对整个设计过程进行全面的总结，得出有价值的结论或结果；参考文献数量在3篇以上，格式符合要求，在正文中正确引用。

答辩情况

40

20

在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，重点突出，论点正确，条理清晰。

答辩组长：

20

在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。

总评成绩：

分

指导教师：

（签字）

日期：

年月日

课程设计总结

成绩分析表

班级

分数分布

90分以上

89-80

79-70

69-60

60分以下

学生数

百分比

最高分

最低分

平均分

（以下为总结内容）