Multisim仿真—液面位置檢測及分離

液面檢測方案論述

為了能夠準(zhǔn)確的完成對不同成分的液體進行分離，準(zhǔn)確地檢測到液面的位置是否必要的一個環(huán)節(jié)。只有快速準(zhǔn)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??；3.通過不同溶液的透光度不同來實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(dǎo)電能力不同，所以當(dāng)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(dāng)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(dǎo)能力不同，也就是透光度不同，通過紅外發(fā)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(zhuǎn)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(dǎo)致輸出的電壓信號不同，這樣就可以準(zhǔn)確地檢測到液面的變化。

上述三種方法中，方案一的主要優(yōu)點是實現(xiàn)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(fù)雜，而且實現(xiàn)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(dǎo)致檢測效果不佳。

信號處理部分方案論述：

當(dāng)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(yīng)的控制動作。在本次設(shè)計的液面位置實時檢測與分離系統(tǒng)中，有兩種處理方式。數(shù)字電路和MCU。

第一種是采用數(shù)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(jù)比較器的輸出來控制后端的執(zhí)行電路。

第二種是采用單片機作為系統(tǒng)的檢測控制核心，通過單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對前端檢測電路的輸出電壓進行采集和轉(zhuǎn)換，在單片機內(nèi)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(xù)執(zhí)行電路的控制。

上述兩種方案都具有比較顯明的優(yōu)缺點，第一種方案的優(yōu)點時電路結(jié)構(gòu)簡單明確，可靠性高；缺點是，電路設(shè)計一次成型后，后續(xù)的升級維護較為復(fù)雜；而方案二的主要優(yōu)點是，可以通過修改程序的方式對系統(tǒng)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(tǒng)的復(fù)雜度，使系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)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(shè)計選擇傳感器+數(shù)字電路的方式作為本次設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

單元電路設(shè)計

信號處理電路設(shè)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(qū)動執(zhí)行電路完成分離操作。本次設(shè)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(chǎn)生控制信號驅(qū)動控制電路來完成液體的分離操作。

本次設(shè)計選擇LM393芯片作為系統(tǒng)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(diào)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(yīng)用十分簡單，只需要少數(shù)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(shè)計的信號處理電路。本次設(shè)計的信號處理電路采用LM393內(nèi)部的兩個比較器組成雙比較器判斷電路，當(dāng)輸入電壓大于V1時處理電路輸出1，當(dāng)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(huán)，防止頻繁的對執(zhí)行單元進行操作。滯環(huán)的寬度可以通過調(diào)節(jié)電阻的阻值來實現(xiàn)。

聲光報警電路設(shè)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(xiàn)聲光報警功能。由于信號處理電路的輸出信號采用74LS08實現(xiàn)，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(shè)計中采用兩個NPN型三級管實現(xiàn)對蜂鳴器和LED的控制，當(dāng)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(dǎo)通，進而使蜂鳴器發(fā)出報警音，同時LED有電流流過而發(fā)光，進而達到聲光報警的目的。

液體自動分離電路設(shè)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(qū)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(guān)斷來完成對電磁閥的控制，進而實現(xiàn)液體的分離。

Multisim仿真

如圖所示為本次設(shè)計的液面檢測與分離系統(tǒng)電路，電路的各部分組成，之前章節(jié)已經(jīng)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(jīng)開始運行，本次設(shè)計的仿真電路中采用電位器來模擬傳感器，通過調(diào)節(jié)電位器的輸出電壓的大小來模擬傳感器的輸出。

當(dāng)我們將電位器的滑動條向右側(cè)調(diào)節(jié)時，此時電位器的輸出電壓逐漸增大，當(dāng)電壓大于設(shè)定的比較電壓時，此時可以看到，聲光報警器發(fā)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(dāng)我們將電位器的滑動條向左調(diào)節(jié)時，此時電位器的輸出電壓逐漸減小，當(dāng)小于設(shè)定的電壓時，報警接觸，電磁閥停止工作。

審核編輯：劉清