液面檢測方案論述

為了能夠準確的完成對不同成分的液體進行分離，準確地檢測到液面的位置是否必要的一個環節。只有快速準確地檢測到液面的位置這樣才能夠精確的完成不同成分的也提的分離。在對液面的位置進行檢測時，通常有如下三種方法：1.利用傳感器完成測定；2.測定電容的大小；3.通過不同溶液的透光度不同來實現液面的檢測。下面對上述三種方案進行簡單的論述。

方案一是通過傳感器來實現液面位置的檢測。液體傳感器可以對不同成分的液體進行檢測，可以將液體的變化體現在電壓的變化上。所以一旦傳感器檢測到液面的位置時，在傳感器的輸出端就會有一個明顯的電壓變化，然后通過電壓比較器對這個電壓信號進行判斷就可以實現液面位置的檢測。

方案二的主要檢測原理是針對不同溶液的導電能力不同，所以當電容式傳感器所處的溶液不同時其檢測到的電容值不同，當檢測到電容值的變化時也就代表檢測到液體的液面位置。

方案三的檢測原理主要是利用不同成分的液體其對光線的傳導能力不同，也就是透光度不同，通過紅外發射二極管對液體進行照射，然后在液體的另一端對紅外線進行接收，將接收到的紅外信號轉換成電信號。紅外線照射在兩種不同液體時，接收端接收到的信號強弱是不同的，這樣就導致輸出的電壓信號不同，這樣就可以準確地檢測到液面的變化。

上述三種方法中，方案一的主要優點是實現簡單、易于維護，成本相較于方案三要高；方案二的檢測方法比較復雜，而且實現比較困難；方案三的工作原理與方案一類似，而且成本是三種方案中最低的，但是方案三的最主要缺點是檢測中可能存在比較大的干擾，進而導致檢測效果不佳。

信號處理部分方案論述：

當前端的檢測電路完成了對液面位置的檢測后，需要對信號進行處理，同時做出相應的控制動作。在本次設計的液面位置實時檢測與分離系統中，有兩種處理方式。數字電路和MCU。

第一種是采用數字電路的方式，通過電壓比較器對前端檢測電路的輸出電壓信號進行比較判斷，然后根據比較器的輸出來控制后端的執行電路。

第二種是采用單片機作為系統的檢測控制核心，通過單片機的模數轉換器對前端檢測電路的輸出電壓進行采集和轉換，在單片機內部通過程序算法對液面的位置進行判斷，然后通過單片機的IO完成對后續執行電路的控制。

上述兩種方案都具有比較顯明的優缺點，第一種方案的優點時電路結構簡單明確，可靠性高；缺點是，電路設計一次成型后，后續的升級維護較為復雜；而方案二的主要優點是，可以通過修改程序的方式對系統功能進行改進，易于升級和維護；其主要缺點是，采樣單片機增加了系統的復雜度，使系統發生故障的風險增加。

方案確定：

通過對液面檢測和信號處理部分方案的詳細論述，本次設計選擇傳感器+數字電路的方式作為本次設計的系統結構。系統結構框圖如下：

單元電路設計

信號處理電路設計：

信號處理電路的主要作用是對前端采集電路檢測到的液面信號進行處理，然后驅動執行電路完成分離操作。本次設計采用電壓比較器作為處理電路的核心，通過對前端傳感器輸出的電壓信號進行判斷，進而產生控制信號驅動控制電路來完成液體的分離操作。

本次設計選擇LM393芯片作為系統的比較器。LM393是雙電壓比較器集成電路。該比較器芯片的特點如下：
工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源:±1～±18V；
消耗電流小，Icc=0.8mA；lm393是什么
輸入失調電壓小，VIO=±2mV；
共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～Vcc-1.5V；
輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；
輸出可以用開路集電極連接“或”門；
采用雙列直插8引腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8腳塑料封裝。

LM393比較器的應用十分簡單，只需要少數的外圍電路就可以完成比較器的功能。

如下圖所示為本次設計的信號處理電路。本次設計的信號處理電路采用LM393內部的兩個比較器組成雙比較器判斷電路，當輸入電壓大于V1時處理電路輸出1，當輸入電壓小于V0時處理電路輸出0，（V1>V0）這樣就可以形成滯環，防止頻繁的對執行單元進行操作。滯環的寬度可以通過調節電阻的阻值來實現。

聲光報警電路設計：

如下圖所示為聲光報警電路。聲光報警電路主要是利用信號處理電路的輸出來實現聲光報警功能。由于信號處理電路的輸出信號采用74LS08實現，所以其并不能夠直接完成對蜂鳴器和LED指示燈的控制，所以本次設計中采用兩個NPN型三級管實現對蜂鳴器和LED的控制，當信號處理電路的輸出為高電平也就是檢測到液面時，此時NPN三極管由于基極電阻所施加為高電平而導通，進而使蜂鳴器發出報警音，同時LED有電流流過而發光，進而達到聲光報警的目的。

液體自動分離電路設計：

如下圖所示為液體自動分離電路。液體自動分離電路采用繼電器驅動電磁閥的控制方式，一旦信號處理電路檢測到液面信號以后就會通過三級管完成對繼電器的控制，通過繼電器的開通和關斷來完成對電磁閥的控制，進而實現液體的分離。

Multisim仿真

如圖所示為本次設計的液面檢測與分離系統電路，電路的各部分組成，之前章節已經介紹，接下來對仿真過程進行介紹。點擊軟件上方的運行按鈕。

此時仿真已經開始運行，本次設計的仿真電路中采用電位器來模擬傳感器，通過調節電位器的輸出電壓的大小來模擬傳感器的輸出。

當我們將電位器的滑動條向右側調節時，此時電位器的輸出電壓逐漸增大，當電壓大于設定的比較電壓時，此時可以看到，聲光報警器發出報警提示音，同時繼電器動作，控制電磁閥完成液面分離操作。當我們將電位器的滑動條向左調節時，此時電位器的輸出電壓逐漸減小，當小于設定的電壓時，報警接觸，電磁閥停止工作。

審核編輯：劉清