摘 要
在洗衣机工作中，水是洗衣的必备条件，水的合理用量决定了洗涤效果。因此检测水量成为洗衣机工作中的一项重要内容。本文介绍一款洗衣机控制器的水位检测电路，通过原理及参数选择等方面的内容讲解，使大家对该电路起到更深的了解。
【关键词】振荡频率 传感器 反相器
在洗衣机控制器中，原先采用水位开关，通过开关信号来判定水量是否满足设定值，该方案大多采用于双缸洗衣机及一些小容量的全自动洗衣中，无法检测水位频率，只能读取其中一个设定值。随着家电智能技术的不断发展，精确感知洗涤水量成为洗衣机设计一种趋势。目前，在洗衣机设计中使用较多是谐振式水位传感器，通过电控板上的逻辑电路来实现水位检测的功能，该检测电路可靠性、实用性较高，本文介绍的就是这方面的内容。
1 电路设计
1.1 电路原理图
水位检测电路如图1所示，该电路是将水位传感器采集的水位信号转化为洗衣机控制器MCU所需的信号。电路中采用4069反相器集成IC为核心元器件进行电路设计。4069为反相器集成IC，内部由六个反相器组成，如图1。本电路利用其中三个反相器（a、b、c）进行设计，未被使用的反相器输入端均接地，其中4069第8脚为方波信号输出脚，输出给洗衣机控制器MCU检测端口。
1.2 电路工作原理
谐振式水位传感器通过水压气管与洗衣机桶内侧相连，随着水位的变化，感知的气压也发生变化，内部电感线圈的电感量也随之变化，根据公式f=1/2π的原理，气压越大，电感量越大，谐振频率越小，反之则越高。如图1传感器等效电路图，水位传感器内部由电感L1与电容C1、C2组成，电感和电容组成选频网络，并与4069检测电路形成三点自激振荡电路，将电感信号的变化转变为频率信号，便于控制器MCU芯片的采集，从而检测到桶内水位的变化。为了使整个LC回路实现自激振荡，需使反相器偏置在高增益线性放大区，形成放大器，因此需要在反相器两端并联一个电阻R3。
在电路中，水位传感器内部作为一个π型选频网，形成180度的相位差，并且信号经过4069反相器也产生了180度的相位差，导致整个振荡回路形成360度相位差，但在实际处理中，反相器存在延迟，导致额外的相位移，为确保整个振荡环路总相位差在360度，水位传感器π选频网络必须根据反相器的延时情况，生成小于180度的相位差，因此本电路中采用了R2、R1两个电阻分别串于反相器（a、b）的输入输端，通过调整电阻的参数来调节振荡环路增益和相位差。
反相器（a、b）与电阻R1、R2、传感器构成振荡电路，参与波形的处理，输出近似于方波的信号，见图3，而第三个反相器（c）针对这个波形进行了最后的整形，使其输出理想的方波信号，控制器主芯片通过采集这个方波频率来判断水位的高低。
2 元器件的选择
为了提高水位检测电路的可靠性，需对所用元器件进行必要的选型工作，确保元器件的选型更加符合电路的设计要求。
IC1选用4069集成IC，内部由六个COS/MOS反相器电路组成，一般选择可靠性较高的品牌型号。
电阻R3两端与IC1的第12、13脚相连，即在并联在反相器（a）之间，电阻R3一般选择阻值较大的型号，该电路中选用阻值为100KΩ。
电阻R1、R2作为限流电阻，起到限制反相器输出的功能，R1选择560Ω，R2选择3.3K。电阻R2处于反相器的输入端，R1处于输出端，注意R2的阻值须大于R1，否则会导致输入信号的幅值变小，抗干扰能力下降，容易导致电路无法正常工作。
电阻R4与电容C3对输出的方波进行滤波，减少噪声干扰。电阻选择150Ω，电容选择0.001uf。注意电容C3容量的大小选择非常重要，往往因选择较大导致方波变形，使信号失真，该电容容量值一般在0.001uf左右，既能起到滤波的作用，也能确保方波信号不失真。
3 工作中的波形
为确保输出理想的信号，在电路中设置了3个测试点（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），对信号处理的重要环节进行波形测量与分析。
水位传感器采集了水量的变化，并以正弦波的方式输出，现对传感器输出端a点波形进行测量，如图2。
正弦波输入至4069（a、b）反相器中，如图1，反相器对正弦波进行了处理，输出波形失真为近似方波的信号，如图3。
信号经过第三个反相器（c）整形，并经过R4及C3滤波等处理，输出的方波信号，如图4。
4 结束语
水位检测作为洗衣机工作的关键内容，贯穿整个洗涤过程，直接影响消费者所关心的洗净度与用水量，因此水位电路设计的合理性、实用性显得尤为重要。相信随着家电智能化的迅速发展，这种低成本，实用性较强的电路将越来越多地使用在产品中。
参考文献
[1]王尔乾.数字逻辑与数字集成电路[M].北京：清华大学出版社，2002.
[2]董海青.集成电路设计基础[M].北京：机械工业出版社，2013.
[3]孙肖子.CMOS集成电路设计基础[M].北京：高等教育出版社，2008.
