用LM339制作水位计

　　利用LM339电压比较器制作蓄水池水位计。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。

LM339介绍

LM339是四电压比较器集成电路。该电路的特点如下：

工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2～36V，双电源：±1～±18V；

消耗电流小， Icc=1.3mA；

输入失调电压小， VIO=±2mV；

共模输入电压范围宽， Vic=0～Vcc-1.5V；

输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；

输出可以用开路集电极连接“或”门；

采用双列直插14 脚塑料封装（DIP14）和微形的双列14 脚塑料封装（SOP14）

lm339内部结构图

lm339工作电路图

LM339使用说明

LM393/339是高增益，宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙。电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后，否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。比较器的所有没有用的引脚必须接地。LM393/339偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围2.0~30V无关。通常电源不需要加旁路电容。差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件。保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V.LM393/339的输出部分是集电极开路，发射极接地的NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供或OR功能。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制。此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制。当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的γSAT限制。当负载电流很小时，输出晶体管的低失调电压（约1.0mV）允许输出箝位在零电平。

用lm339水位计制作的原理

水位计的主要电路由 4 个LM 339 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LM 339 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10 mV 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10 mV 时， 其输出端呈高电平; 当负输入端比正输入端高出 10 mV 时， 其输出为低电平， 并可直接驱动L ED。为使LM 339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LM 339 输出端呈高阻态时， 由该电阻把输出端的电位拉起来。

该装置的原理框图如图 1 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［ 1 ］ ， 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L ED 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 2 所示。

图 2 中， 电源为+ 12 V ， 把池深分为 15 段进行显示。图中A 1～A 15 是由LM 33组成的电压比较器; GK 1～ GK 15 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R 1～R 15 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R 01～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。LM 339 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R 1 ， R 2 ， ， R 15 的分压作用， 使A 1， A 2， ， A 15 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 GK 1 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L ED 都点亮。此时A 1 的输出由高电平降为低电平， 通过电容C 触发N E 555［ 2 ］。N E 555 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 GK 2 吸合时， 应该使L ED 2～L ED 15 点亮而L ED 1 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A 2～A 15 负输入端的电位， 其他以此类推。

器件的选用

a. 设定各比较器的负输入端电位为V sh。

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 21 10 V 起， 每个相邻负输入端之间相差 0 4 V ， 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R 01= R 03 == R 029 =20 k 8 ， 设为R 。
        c. 计算出各比较器负输入端对地电阻R 02 ， R 04 ， ， R 030 ， 为R r。设负输入端对地电阻为R r ， 各负输入端的电位为V sh ， 根据电路图 2 有

（1）

由此式可得

（2）

例如，要使电压比较器A 1 负输入端电位为V sh = 2 V ，则根据式（2） 可得

如表 1 中第 2 行第 1 列所示。其他各电阻R 04 ， R 06 ， ， 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R r 确定标称值电阻R b。

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R b 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

（3）

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±01 V 即可。

f. 确定各比较器正输入端电阻R 1 ， R 2 ，....， R 15 ，设为R zh。

先求R 1 ，设各比较器正输入端电位为V zh ，当 GK 1 吸合时， 从表 1 中看出， 应满足2V < V zh < 24 V ， 设V zh =2 2 V ， R = 20 k， 根据式（3） ， 可列出

解得 R zh = R 1≈ 4 5 k这个阻值不是标称值，选相近的标称值电阻 48 k 。

再求其他各电阻R 2 ， R 3 ， ， R 15 ， 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， L ED 全部熄灭; 而当第 1 个干簧管GK 1 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） L ED 都点亮。在浮子处在中间某位置时， 其相对应的L ED 及以下的L ED 都亮， 而其上面的L ED 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。

　　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， R 15 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。