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五月 30 2019

基于LM339电压比较器的蓄水池水位计设计

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LM339LM339TexasInstruments四电压比较器单电源:2~36V,双电源:±1~±18VIcc=1.3mA

目录

1.LM339概述
2.电路设计原理
3.器件的选用
4.部件制作
5.安装与调试
结束语

  有些单位和生活区由于供水不足,须先向蓄水池蓄水,再用定时方式供水。这样,泵工须在泵房内随时了解蓄水池的水位(一般蓄水池离泵房十几米)。以前曾用铜棒或不锈钢等材料做成电极探测水池水位,但由于电蚀使用后不久就失去了电极的作用。因此,本文介绍了一种利用LM339电压比较器制作蓄水池水位计的方法该设计根据水位高低,进行信号处理,控制多个电压比较器输入端的电位,使其输出端有相应的变化,从而驱动不同的LED发光管,达到显示水位高低的效果。

  1.LM339概述

  LM339是四电压比较器集成电路,内部装有四个独立的电压比较器,主要应用于高压数字逻辑门电路。双列直插14脚封装;最高工作电压±18V;功耗=265mW。由于LM339使用灵活,应用广泛,所以世界上各大IC生产厂、公司竞相推出自己的四比较器,如IR2339、ANI339、SF339等,它们的参数基本一致,可互换使用。

  主要特点

  (1)失调电压小,典型值为2mV;

  (2)电源电压范围宽,单电源为2-36V,双电源电压为±1V-±18V;

  (3)对比较信号源的内阻限制较宽;

  (4)共模范围很大,为0~(UCC-1.5V)Vo;

  (5)差动输入电压范围较大,大到可以等于电源电压;

  (6)输出端电位可灵活方便地选用。

lm339内部结构图

  图1 lm339内部结构图

lm339工作电路图

  图2 lm339工作电路图

  2.电路设计原理

  水位计的主要电路由4个LM339电压比较器组成,这种集成电路具有易购、价格低廉,且可单电源工作、差动范围宽等特点。每个LM339有4个各自独立的电压比较器(本设计采用15 个) , 其正负输入端之间只要10mV的电位差,其输出端就能由一种状态可靠地转换到另一种状态。当正输入端比负输入端高出10mV时,其输出端呈高电平; 当负输入端比正输入端高出10mV时,其输出为低电平,并可直接驱动LED。为使LM339的输出端有高低电平的变化,在具体使用中,一般都在输出端与正电源之间加一适当电阻,这个电阻称为上拉电阻。即当LM339 输出端呈高阻态时,由该电阻把输出端的电位拉起来。

水位计原理框图

  图3 水位计原理框图

  该装置的原理框图如图3所示,其电压信号测量由干簧管和分压电阻组成,悬浮在水中的环形磁钢处在不同的位置上,应用电磁感应原理,令相应的干簧管常开触点闭合,使相应的分压电阻接入,电路拾取不同的电压信号。比较器负输入端电位由固定的分压电阻构成,被测电压信号与设定的电位进行比较处理,驱动LED以显示水位的高低,并在到达最高水位时报警,提醒泵工停止注水,以防止水溢出,具体电路如图4所示。

水位计电路图

  图4 水位计电路图

  图4中,电源为+ 12 V,把池深分为15段进行显示。图中A1~A15是由LM33组成的电压比较器; GK1~GK15是干簧管,当环形磁钢靠近某个干簧管时常开触点闭合;由电阻R1~R15组成的分压电路决定了各比较器的正输入端的电位; 而电阻R01~R 030组成的分压电路决定了各比较器的负输入端的电位。各负输入端的电位确定后是固定不变的。LM339的正输入端电压因磁钢处在不同的位置而变化着。当悬浮水面的磁钢靠近某个干簧管时,由于R1,R2,...,R15的分压作用,使A1,A2,...,A15各比较器的正输入端有不同的输入,此信号与比较器负输入端设定的电位比较之后,就会有相应的输出。从图2看,当GK1吸合时,相当于托着磁钢的浮子处在上极限水位,各比较器的正输入端等于地电位,均低于它们的负输入端,所以输出端都是低电平,使各LED都点亮。此时A1的输出由高电平降为低电平,通过电容C 触发NE555。NE555接成单稳态电路,一旦被触发,其3脚将输出一高电平,带动蜂鸣器报警,其延续时间由接在6、7脚的阻容元件决定。当GK2吸合时,应该使LED2~LED15点亮而LED1熄灭。此时各比较器的正输入端电位高于A 1 的负输入端电位,低于A2~A15负输入端的电位, 其他以此类推。

  3.器件的选用

  a.设定各比较器的负输入端电位为Vsh。

  对各比较器的负输入端电位,根据电源和水深分成的段数进行人为的设定。因为已将池深分为15段进行显示,所以自2.0V起,每个相邻负输入端之间相差0.4V,如表1中第1行所示。

  b.选定各比较器负输入端与电源间的电阻,即分压电阻R01= R03== R029 =20 kΩ, 设为R 。

  c.计算出各比较器负输入端对地电阻R02 ,R04,...,R030 ,为Rr。设负输入端对地电阻为Rr,各负输入端的电位为Vsh ,根据电路图4有:

5.jpg

  由此式可得

6.jpg

  例如,要使电压比较器A1负输入端电位为Vsh =2V ,则根据式(2)可得

7.jpg

  如表1中第2行第1列所示。其他各电阻R04 ,R06 ,...,R 030 的选择均可根据以上公式计算 (其结果为理论数值,详见表1中第2行所示各数据)。

  d. 由Rr确定标称值电阻Rb。

  实际上,市售电阻的标称值与此计算值有差别,在具体运用时,可选与之相近阻值的标称电阻R b ,具体数值如表1中第3行所示。

  e. 由Rb确定各比较器A 的负输入端电位V 。

  当选定标称值的电阻R b 后,再用下式验算由此电阻产生的电位V

8.jpg

  具体电位值如表1第4行所示,与第1行的设定值比较,只要不超过±01V即可。

  f. 确定各比较器正输入端电阻R1 ,R2 ,...., R15,设为Rzh。

  先求R1,设各比较器正输入端电位为Vzh ,当GK1吸合时,从表1中看出,应满足2V< Vzh < 2.4V ,设Vzh =2.2V , R = 20k, 根据式(3) ,可列出:

9.jpg

  解得R zh = R1≈ 4.5 kΩ这个阻值不是标称值,选相近的标称值电阻48k 。

  再求其他各电阻R2 , R3 ,...,R15 ,均可用此计算,其结果为理论值,在实践中稍有偏差,经修正后,其数值见表1中的第5行。经过这样选择的上述各参数,就能保证当池中水位达到最低限位、托着磁钢的浮子沉到最低位时,磁钢脱离所有的干簧管,LED全部熄灭; 而当第1个干簧管GK1吸合时(相当池中水位达到最高限位, 托着磁钢的浮子上升到最高位) LED 都点亮。在浮子处在中间某位置时,其相对应的LED及以下的LED都亮,而其上面的LED不亮,以此显示水位。经过以上计算,得出如表1所示的具体数据。

比较器A的电位及各限位电阻

  4.部件制作

  需要量出蓄水池的最低水位到极限水位的高度,把此高度分为15等分段,每一分段的距离小于200mm, 这个距离可以保证磁钢总能吸合一个邻近的干簧管,以免出现显示断点,即防止在运行中磁钢既没有吸合上面的干簧管又没有吸合下面的干簧管,使LED的显示全部熄灭,造成无水假象。对GK1,R 1~GK15,R15的连接, 先把它们分别焊到宽度小于等于20mm 的小块印刷电路板上,再用导线按间距小于等于200mm 的距离连接起来,封装在25mm 的硬塑料管中,管的上下口要严密封固以免漏水。管子外套一个环形的磁钢。在硬塑料管的下端坠一非铁磁性沉重的物体后,将塑料管竖直沉入蓄水池的池底。在磁钢下垫上环形浮子套在管上,把管的上端固定在蓄水池上面的观察口上,由于浮子的作用,磁钢总是悬浮在水面上,随水面起落。注意磁钢的平面应始终与水面平,而塑料管与水面保持垂直,以防止磁钢在随水位沉浮时与管壁摩擦而被卡住。

  5.安装与调试

  整个装置由两部分组成:一是由干簧管及各分压电阻组成的探测部分;二是由LM339组成的信号处理显示部分。

  探测部分:在封装塑料管以前,要在管内放些硅胶,以吸收管内的湿气,防止管内线路受潮。如用环形磁钢做检测元件,则串接在塑料管中的干簧管应由两只错开的干簧管来实现。由电磁感应理论,对磁钢的磁力线分析可知,在磁钢的上下口都有一小段平行于磁钢平面的磁力线,当这一段靠近干簧管时,其磁力线的方向与干簧管的簧片方向垂直,这时虽然干簧管很靠近磁钢,接点仍释放断开,这会使各LED全部熄灭。如用两只错开的干簧管代之,则问题即可解决,其错开的距离可在实验中确定。

  显示部分:各段水位以绿色510LED显示,而极限水位则以醒目的红色LED显示,把各LED整齐地排列在一起,根据LED的亮或灭便会清晰地看出池中的水位。再配以蜂鸣器,则会给泵工以更明确的提醒。从池中的探测器到泵房的线路板之间,最好用屏蔽线连接,以防止干扰信号窜入,还要注意电源要稳压。

  结束语

  对于由LM339组成的电压比较器A1~A15的负输入端电位应按一定规律设定,彼此之间的电位间隔视池深而定。如水深,其间隔可小些,选择的段数可多些。各相邻比较器之间电位一般相差014V,电位差如果大,电阻的选择就容易;电位差如果小,则由于通用电阻的标称值间隔较大,就需要用可调电阻来调整电位。当然在间隔小的情况下,彼此最小的电位差应大于10mV,否则由LM339的输入特性决定将无法分辨彼此之间的电位。除此之外,还要考虑电源的电压和各电阻的标称值。

  此方法还可应用于其他方面,如监测江、河、湖、海湾的水深,加油站的油高,自来水厂的水池深度等。

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