液位控制系统的设计与实现

摘要：该液位控制器以LM324芯片为核心实现控制，制作原理简单，利用金属条感知液位的高度，在超过预定值或未达到预定值时，主控制板将控制继电器采取相应动作，比如报警、增加液体等，此外采用LED灯来直观地显示液位的位置，根据液位的高低，LED显示不同的灯亮，最终制作出了一款反应灵敏的液位控制器，模拟了整个液位控制器系统。
关键词：液位控制器；LM324；LED；金属条

    液位控制是日常工业生产工作过程中不可或缺的一项重要环节，对节约资源、安全生产有着极为重要的作用。本设计采用液体高度传感器组成控制系统，对水位进行全方位监控。通过电路的指示灯监测液面变化，从而按一定的组合顺序来控制水泵或电铃的打开和关
闭，对液面高度进行监控，从而实现液体控制过程中的安全报警。

1 系统的设计与运作原理
1．1 系统结构
    本系统的结构框图如图1所示。该系统主要由主控制器电路(主控板)、测量电路(高度传感器)、显示电路(LED)以及外工作电路(水泵)组成。

1．1．1 主控制器电路模块电路原理
    系统中的主控制器电路是整个智能控制器的核心。
    其电器原理如图2所示。图中LM324四个运放分别为UA，UB，UC，UD。

    设运放输入端的电压分别为UA+，UA-，UB+，UB-，UC+，UC-，UD+，UD-，输出端的电压分别为UAO，UBO，UCO，UDO。LED1，LED2，LED3，LED4分别为红、黄、绿、蓝灯。
    (1)状态1：S1，S2断开，LED3亮
    当S1，S2断开时，运放UA没有参与工作，对于运放UB，UB+-UB-=4 V，经放大UBO=11 V，所以LED1和R12两端就1 V电压，因为阻值为1 kΩ的电阻分压，不足以使LED1导通；因为电路是对称的，所以同理UBO将近10 V，利用680的电阻R14分压，不仅可以使LED3亮，也不至于烧坏；进行分析很容易知道LED2两端压差太小不足以使LED2亮；经分析可知运放UD输出端UDO接近0 V，不足以使三极管T1导通，致使LED4负端被上拉成12 V，所以其两端电压为0，LED4截止。
    (2)状态2：从缺水状态到正常水位S1断开、S2闭合，LED2亮
    当S1断开、S2闭合时，运放UC的负极电压增大，使得运放的输出UCO接近0 V，LED3截止，LED2导通，上半部分电路基本不变，所以LED1和LED4仍旧截止。
    (3)状态3：当S1，S2都闭合时，LED1，LED4亮
    当S1，S2都闭合时，运放UB的负极电压增大，使得运放的输出UBO接近0 V，LED1导通，LED2截止，运放UD正极电压接近8 V，输出电压己，UDO接近10 V，T1导通，集电极接近0 V，LED4导通。LED3还是像上面一样截止。
    (4)状态4：从溢出到正常水位S1断开、S2闭合，LED2，LED4亮
    S1，S2与状态2的完全相同，但是因为T1在状态3下导通，所以即使S1再断开，LED4仍旧亮。再断开S2，又回到状态1。
1．1．2 测量电路模块
    测量电路由测量不同水位高度的金属条组成，较长的金属条为S2，较短的金属条为S1。当水位高于S2时，S2导通，水位继续上涨至S1时，S1可导通。
1．1．3 显示电路模块
    显示电路由不同颜色的LED组成，分别为白、红、蓝、绿、黄色。白色灯为显示LM7812工作指示灯，灯亮表示其工作正常。红、黄、绿、蓝灯分别为LED1，LED2，LED3，LED4，显示各种水位时对应的工作状态。
1．1．4 外工作电路模块
    外工作电路主要由水泵及其供电装置构成，由主控制器进行控制，配合控制电路执行相应的操作，对水槽进行加水。
1．2 运作原理
    该液位控制器能够利用金属条来感知液位的高度，在低于最低预定值S1时，能通过控制继电器操控水泵进行增加液体的动作，当增加液体到指定液位S2时，控制继电器使水泵停止加水。而液位的高度可以根据所设计的4个LED灯的亮灭来判断，具体对应状态如图3所示。总结如表1所示。

2 液位控制器的制作与调试
2．1 电路仿真
    在PROTUES里，画出电路原理图，并对其进行电路仿真。有些元器件元件库里没有的可以找别的功能相同的元件代替，比如说：可以用两个开关分别代替高度传感器S1，S2，先用+12 V电压代替LM7812电路等。为了能最好的实现液位控制器的功能，可以适当改变各电阻阻值的大小。
    所得仿真效果如图4所示。

2．2 电路板制作
    在Protel里画出电路原理图如图2所示，画出PCB板图如图5所示，这一步非常关键，因为这关系到液位控制器是否制作成功。把画好的PCB板图发给制板厂商，制作出电路板，焊上元器件，其实物如图6所示。

2．3 电路板调试
2．3．1 调试主控板和显示电路
    从S1，S2接出4条线，将主控板接通电源，白色指示灯亮说明LM7812运作正常，与此同时绿色的指示灯也会亮说明电路运作正常。再按照表格1内的顺序分别闭合或断开S1，S2，相应的指示灯亮，证明主控板的运作完全正常。
2．3．2 调试外工作电路和测试电路
    先用一个LED代替水泵进行调试，调试成功后，再从主控板上的连接继电器的引脚引出两条线连接到外工作电路，将S1，S2接出4条线连接到测试水位板，使水位板置于一个无水的水槽中，接通电源，此时主控板就会控制水泵给水槽加水，在不同状态相应指示灯亮，当水加到水位S1时，主控板上的继电器开关打到另外一边，水泵停止运作，再用注射器抽出一些水来，当抽到水位S2以下时，水泵又开始运作给水槽加水。
2．4 制作成品
    调试成功后制作出成品。图7是整个液位控制器系统工作的实物模型，图8是经过包装后的液位控制器主控板。

3 特色及创新点
3．1 系统的特色
    虽然现在的液位控制系统已经运用单片机控制，实现了水体控制过程的自动化处理以及监控，具有良好的人机界面。但是我国在这方面与国外相比还是有差距，作为学生的就从最基层的液位控制器开始做起，为液位控制器更高层的研究提供一个参考。
    此系统完全用硬件实现液位控制，比软件实现起来要更敏捷和稳定。
3．2 系统的创新点
    此液位控制系统的最大的创新点就是利用4根金属线作为高度传感器，简单便捷，水一接触金属线就导通，反应灵敏。
    第二个创新点就是合理运用三极管，使从缺水状态到正常水位和从溢出状态到正常水位时指示灯状态同以示区别。

4 结论
    此款液位控制器具有广泛的可实用性，可以在多种场合使用，其通过预警水位短缺和溢出，帮助解决由此所带来的损失和危害，具有很广阔的市场。
    通过液位控制器的设计与制作，可以综合运用所学过的各门课程知识，是理论与实践的结合，增强用专业知识分析问题解决问题的能力。