光电式液面监测系统

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1、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

2、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

3、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

4、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，19982. 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 II1 引言 11.1 系统背景11.2 系统功能12 方案论证与

5、选择 22.1 方案设计思路22.2 方案选择23 系统设计 33.1 系统的工作原理 33.2 系统硬件组成 34 电路设计 44.1 激光发射电路44.2 激光接收电路44.3 放大整形电路54.4 声光报警电路55 设计结果及分析 75.1 结果分析 75.2 存在不足75.3 方案改进与设想76 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

6、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AbstractIn the industrial control systems and lakes in surveying and mapping project, accurately and timely detection of liquid level depth has become a very important topic, an

7、d at present there are many unsatisfactory areas responsible for measurement of liquid level, the liquid height and other tasks, and need to be perfected, and the liquid level detection and tracking control system. With the progress of science, the appearance of laser, the problem is solved. Coheren

8、t laser because of high degree, good direction, far transmission distance is widely used. Laser receiver, photoelectric conversion, the receiver output current, normal work and hold circuit light; when the liquid level rise, because of the refraction effect of liquid, deflection of light, the circui

9、t does not receive the light signal alarm, so as to realize the level up alarm system.Keywords: photoelectric; liquid level rise;waring1 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

10、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

11、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

12、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

13、 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：激光发射电路激光接收电路放大整形电路声光报警图 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

14、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：-5vR1100DI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：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，

15、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：U1-5vR2V1OUT31 11 IN- 1 OUT1 IN-+ 2 OUT 2IN-2IN-+LM393AN(8)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：Qi273620ClC2BeUR54K7Green+5V&.0111FRED1FledolOniFNE555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

16、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。

17、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

18、。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

19、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：发射功率：150MW尺寸直径6MM*长度10.5MM工作寿命二1000小时以上输岀模式：点状光斑，连续输出激光波长：650NM用电功率二5MW工作电压匕5V工作电流二小T40MA工作温度：-36-65摄氏度光点大小二15米处光点为直径10M M到15MM图附录-1 激光 LD 资料TRIGOUTRESETNE55 相关资料555图附录-2NE555引脚图5砧旺应用:1）枸.或施帝特竝发器，用于TTL系统悸口，整形电路或时冲鉴幅 等；2）掏成旺i毓落盘，组成信号产生电路,如右朗振荡周期,

20、T=0 7 （R1+2R2） C:3）枸或单榜态蝕发器，用于芒时延时整形及一竺定时卄关中。556电路采就3种方式中的1种或婪种姐合起来可以组成各种实用庄电子电路，女睫科親*井頻器，歸冲信壬发生器、元件参数和电路检测电踣，玩具游就机电踣、言咱百誓电 際屯源交换电踣、霸堂娈换屯路、自近腔制电蹈孝“图附录-3 NE555相关资料LM393 相关资料图附录-4LM393功能图图附录-5LM393引脚引出端序号符号功能1OUT A输出A2INA-反相输入A3IN A十同相输入A4GND接地端5IN B十同相输入B6INB-反和输入B1OUTB输出B8Vcc电源电压答辩记录表成绩评定表学生姓名：学号：班级

21、：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3010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3010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4020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89-8079-7069-6060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）