基于STM32 的高精度液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)—傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、現(xiàn)代傳感器技術(shù)課程系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告基于STM32 的高精度液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)人：Email：1715497611 目 錄1 應(yīng)用背景21.1 液位傳感器的應(yīng)用選擇21.2 液位傳感器比較31.3 光電式液位傳感器的優(yōu)勢(shì)（適用場(chǎng)合）52 總體設(shè)計(jì)方案62.1系統(tǒng)框圖與流程62.2光敏特性分析73 電路設(shè)計(jì)94 程序設(shè)計(jì)104.1 整體程序設(shè)計(jì)104.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)115 結(jié)束語(yǔ)136 參考文獻(xiàn)13摘要: 液位檢測(cè)裝置廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥等各個(gè)行業(yè)中。液位的采集在高精度生產(chǎn)控制系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)控制的最終結(jié)果有決定性的影響。文章設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的高精度液位采集裝置，該裝置主要由控制

2、器、光電傳感器和絲桿步進(jìn)電機(jī)組成，主要采用PID閉環(huán)控制算法，通過(guò)光電傳感器捕捉液面位置，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制絲桿滑塊升降，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)得到液面所在高度。關(guān)鍵詞: 液位檢測(cè)；光電傳感器；計(jì)數(shù)脈沖； PID 算法；高精度.1 應(yīng)用背景液位傳感器是用于探測(cè)氣-液物質(zhì)界面的轉(zhuǎn)換裝置, 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域, 如:農(nóng)業(yè)灌溉、無(wú)土栽培、石油儲(chǔ)運(yùn)、化工反應(yīng)、污水處理、江河治理、家用電器等有廣泛的應(yīng)用。1.1 液位傳感器的應(yīng)用選擇(1)根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型要進(jìn)行一個(gè)具體的測(cè)量工作，首先要考慮液位傳感器采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使測(cè)量同一物理量，也有多種

3、原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下具體問(wèn)題：量程的大??；被測(cè)位置對(duì)傳感器的體積要求；測(cè)量方式為接觸式或非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來(lái)源，是進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)的；價(jià)格等等。(2)靈敏度的選擇通常，在液位傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好，因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)才比較大，有利于信號(hào)處理，但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度，因此要求傳感器本身具有很高的信躁比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的，當(dāng)被測(cè)

4、量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器，如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 (3)頻率響應(yīng)特性液位傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，希望延遲越短越好，傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。1.2 液位傳感器比較目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上成熟的液位傳感器產(chǎn)品有以下幾類, 如:壓力式液位傳感器、超聲波液位傳感器、激光液位傳感器、傳統(tǒng)浮子式液位傳感器以及電容式液位傳感器。(1)壓力式液

5、位傳感器，壓力式液位傳感器采用靜壓測(cè)量原理，當(dāng)液位變送器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力的同時(shí)，通過(guò)導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測(cè)得壓力為：.g.H ，通過(guò)測(cè)取壓力 P ，可以得到液位深度。其公式為：P= .g.H + Po。壓力式液位傳感器適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質(zhì)的液位測(cè)量。(2)超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器是利用空氣的聲納原理，發(fā)射和接受的是一種超聲波。通過(guò)聲波從傳感器表面到水面的時(shí)間來(lái)測(cè)量水位。輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)420mA。

6、超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。(3)激光液位傳感器脈沖激光測(cè)距是利用發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的距離測(cè)量,其測(cè)距公式為: 從公式中可知,只要測(cè)量出激光脈沖發(fā)射和接收所用的往返時(shí)間,就可以求出被測(cè)量的距離。(4)浮球式液位（界面）傳感器浮球液位傳感器是以磁浮球?yàn)闇y(cè)量元件，通過(guò)磁耦合作用，使傳感器內(nèi)電阻成線性變化，由智能轉(zhuǎn)換器將電阻變化轉(zhuǎn)換成420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并疊加HART信號(hào)輸出或就地液晶顯示，可現(xiàn)場(chǎng)顯示液位的百分比、420mA電流及液位值，遠(yuǎn)

7、傳供給控制室可實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)檢測(cè)、控制和記錄。浮球液位傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，可靠性好，精度高等特點(diǎn)。浮球液位傳感器可廣泛適用于高溫、高壓、粘稠、臟污介質(zhì)、瀝青、含臘等油品以及易燃、易爆、腐蝕性等介質(zhì)的液位（界位）的連續(xù)測(cè)量。也可用于石油、化工原料儲(chǔ)存、工業(yè)流程、生化、醫(yī)藥、食品飲料、罐區(qū)管理和加油站地下庫(kù)存等各種液罐的液位工業(yè)計(jì)量和控制。浮球液位傳感器也適用于大壩水位，水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)與污水處理等等。(5)電容式液位傳感器電容式液位計(jì)是采用測(cè)量電容的變化來(lái)測(cè)量液面的高低的。它是一根金屬棒插入盛液容器內(nèi)，金屬棒作為電容的一個(gè)極，容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質(zhì)即為液體及其上面的氣體。由

8、于液體的介電常數(shù)1和液面上的介電常數(shù)2不同，比如：1>2，則當(dāng)液位升高時(shí)，電容式液位計(jì)兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大因而電容量增大。反之當(dāng)液位下降，值減小，電容量也減小。所以，電容式液位計(jì)可通過(guò)兩電極間的電容量的變化來(lái)測(cè)量液位的高低。電容液位計(jì)的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有1和2的恒定才能保證液位測(cè)量準(zhǔn)確，因被測(cè)介質(zhì)具有導(dǎo)電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。電容液位計(jì)體積小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)，適用于具有腐蝕性和高壓的介質(zhì)的液位測(cè)量。(6) 光電式液位傳感器光電液位傳感器是利用光在兩種不同介質(zhì)界面發(fā)生反射折射原理而開(kāi)發(fā)的新型接觸式點(diǎn)液位測(cè)控裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度

9、高；沒(méi)有機(jī)械部件，不需調(diào)試；靈敏度高及耐腐蝕；耗電少；體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到市場(chǎng)的逐漸認(rèn)可。1.3 光電式液位傳感器的優(yōu)勢(shì)（適用場(chǎng)合）(1)可制成多點(diǎn)液位傳感器 由于光電探頭體積相對(duì)小巧可以在一個(gè)測(cè)量體上安裝多個(gè)光電探頭制成多點(diǎn)液位傳感器、變送器；(2)液面檢測(cè)準(zhǔn)確、高重復(fù)性、快速響應(yīng)液位的輸出只與光電探頭是否接觸液面體有關(guān)與介質(zhì)的其它特性 如溫度、壓力、密度、電參數(shù)無(wú)關(guān)，故液面檢測(cè)準(zhǔn)確、重復(fù)精度高；響應(yīng)速度快液面控制非常精確； (3)免調(diào)試、免校驗(yàn)直接安裝即可應(yīng)用由于液位信號(hào)輸出只與液體是否接觸光電探頭有關(guān)壓力傳感器與其它因素?zé)o關(guān)，因此不需調(diào)校，可直接安裝使用； (4)高可靠性、長(zhǎng)壽命、免維

10、護(hù) 由于對(duì)傳感器內(nèi)部的所有元器件進(jìn)行了樹(shù)脂澆封處理，傳感器內(nèi)部沒(méi)有任何機(jī)械活動(dòng)部件，因此傳感器可靠性高、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)。 (5)適應(yīng)特種容器安裝 光電探頭體積超小,可分開(kāi)安裝在狹小空間中適合特殊罐體或容器中使用。測(cè)量方式關(guān)鍵點(diǎn)、上下限位點(diǎn)、多點(diǎn)準(zhǔn)分布式液位測(cè)量及監(jiān)控。適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。 (6)可以在真空、壓力環(huán)境、壓力開(kāi)關(guān)、易燃易爆場(chǎng)合以及特殊的液體環(huán)境如湍流、氣泡、振動(dòng)、蒸汽等場(chǎng)合使用。本文研究的光電式液位傳感器能解決高腐蝕性、高污染、大壓力、高振動(dòng)、小安裝結(jié)構(gòu)尺寸、低成本等技術(shù)問(wèn)題及市場(chǎng)需求。2 總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)框圖與流程裝置主要由4 部分組成: 控制電路、光電傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和

11、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。其中光電傳感器由PIN 結(jié)二極管和紅外發(fā)光管組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、絲桿和絲桿滑塊組成。圖1 總體結(jié)構(gòu)圖檢測(cè)過(guò)程如圖2 所示。初始化時(shí)，絲桿滑塊位于絲桿頂端，發(fā)光管發(fā)出平行光束穿透玻璃示液管到達(dá)光敏管，光敏管導(dǎo)通，控制電路發(fā)送脈沖信號(hào)使絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊開(kāi)始下降。初始位置到凹月面之間是空氣介質(zhì)，光敏管處于持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)光電傳感器繼續(xù)下降到凹月面時(shí)，凹月面發(fā)生折射，如圖2 ( b) 所示，此時(shí)光敏管處于截止?fàn)顟B(tài)；光電傳感器繼續(xù)下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)凹月面底部時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的光束不再發(fā)生折射，可以穿過(guò)液體介質(zhì)作用于光敏管，光敏管再次導(dǎo)通，此時(shí)表明檢測(cè)到液位所在平面，停止發(fā)送步進(jìn)脈沖并

12、計(jì)算當(dāng)前液面高度。2.2光敏特性分析圖3 ( a) 描述了光敏二極管的光電流I與照度L 的特性曲線；圖3 ( b) 描述了硅和鍺的光譜響應(yīng)曲線；圖3 ( c) 描述了光敏二極管的伏安特性曲線；圖3 ( d) 描述了光敏二極管光電流I 與溫度T 的特性曲線。圖3 光敏二極管特性曲線(a)光照特性 光照特性是描述光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，光敏二極管的光電特性的線性較好，而光敏晶體管在照度小時(shí)，光電流隨照度增加較小，并且在光照足夠大時(shí)，輸出電流有飽和現(xiàn)象。這是由于光敏晶體管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時(shí)都下降的緣故。(b)光譜特性 光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同

13、波長(zhǎng)的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。圖3(b) 為兩種不同材料光敏電阻的光譜特性。對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。(c)伏安特性 在一定照度下，流過(guò)光敏二極管的電流與光敏二極管兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖3(c)為光敏晶體管在不同照度下的伏安特性曲線。(b)溫度特性 溫度的變化對(duì)光敏晶體管的亮電流影響較小，但是對(duì)暗電流的影響卻十分顯著。從圖3(d)中可以看出在一定的溫度范圍內(nèi)，在照度和電壓不變的情況下,光敏晶體管的光電流隨溫度的升高線性增大，但是光電流的值很

14、?。ㄎ布?jí)），對(duì)整個(gè)電流的影響不大。從圖3 中我們可以得出結(jié)論，硅管的最佳響應(yīng)波長(zhǎng)在800 900 nm，鍺管的最佳響應(yīng)波長(zhǎng)在1 400 1 500 nm。這兩段光波分別落在短波近紅外( SW- NIR，7 000 1 100 nm) 和長(zhǎng)波近紅外( LWNIR，1 100 2 500 nm) 。在溫度和電壓不變的情況下，光電流隨照度線性增加，在照度和電壓不變的情況下，光電流隨溫度線性增加。普通的光敏二極管受到脈沖光照時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不即刻為零，這是光敏電阻的時(shí)延特性，這決定了光敏電阻不能用在快速響應(yīng)的場(chǎng)合。光敏二極管的響應(yīng)頻率主要由以下3 個(gè)因

15、素決定:(1) 光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；(2) 光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間；(3) 與負(fù)載電阻R并聯(lián)的結(jié)電容C所決定的電路時(shí)間常數(shù)。PIN光敏二極管在PN 結(jié)之間生成I 型層，形成PIN 結(jié)，具有結(jié)電容小、渡越時(shí)間短、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性優(yōu)于其他光敏元件，適宜快速變化的光信號(hào)探測(cè)，因此我們選擇該種光敏二極管作為檢測(cè)元件。3 電路設(shè)計(jì)裝置微控制器選擇STM32F103ZET6，微控制器通過(guò)I2C 驅(qū)動(dòng)EEPROM，EEPROM 用于存儲(chǔ)系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)，如校準(zhǔn)參數(shù)等。通過(guò)SPI 驅(qū)動(dòng)FLASH，用來(lái)存儲(chǔ)程序。通過(guò)FSMC 接口驅(qū)動(dòng)LCD顯示和SRAM，SRAM 用來(lái)存放運(yùn)行時(shí)的

16、數(shù)據(jù)。PE2 檢測(cè)光敏二極管是否導(dǎo)通，PE3 控制發(fā)光管通斷。PF8、PF9 和PF10 引腳分別接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和使能信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器采用共陽(yáng)極接線方式，電路留有RS232 調(diào)試接口。電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。圖4 硬件原理圖裝置選擇的微控制器STM32F103ZET6 的內(nèi)核是ARM CortexM3，屬于ARMV7 指令架構(gòu)系列的MCU 版本，它實(shí)現(xiàn)了單周期閃存應(yīng)用最優(yōu)化，所需代碼空間約為ARM7 的一半，MCU 控制應(yīng)用的速度快24倍；中斷處理響應(yīng)僅需612個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；引入了單周期乘法指令以及硬件除法，僅支持融合了16 位/32 位的Thumb2 指令集，極大改善了代碼密

17、度的同時(shí)，又免去了在Thumb和ARM 指令集之間切換的繁瑣。更為重要的是，該微控制器性價(jià)比極高，32 位的系統(tǒng)比8 /16 位的還便宜。因只需要控制絲桿滑塊移動(dòng)，不需要大扭矩，本裝置選擇步進(jìn)精度為1. 8°的42 步進(jìn)電機(jī)，絲桿導(dǎo)程為2 mm，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)1 圈需要200個(gè)脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)0. 01 mm 的垂直位移。4 程序設(shè)計(jì)4.1 整體程序設(shè)計(jì)上電后對(duì)硬件進(jìn)行初始化，首先給二極管通電，然后判斷光敏管是否導(dǎo)通。如果導(dǎo)通則發(fā)送步進(jìn)脈沖驅(qū)動(dòng)光電傳感器下降，脈沖計(jì)數(shù)器加1。如果光敏管不導(dǎo)通，則說(shuō)明檢測(cè)到凹月面，繼續(xù)發(fā)送步進(jìn)脈沖，直到光敏管導(dǎo)通，說(shuō)明此時(shí)光電傳感器剛好與凹月面

18、下緣相切，此時(shí)光電二極管所在位置即為液位，通過(guò)初始位置與發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算當(dāng)前液位高度。結(jié)合本文圖2 所示檢測(cè)過(guò)程，其算法控制流程如圖5 所示。圖5 控制算法流程圖4.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)主程序通過(guò)編寫(xiě)的設(shè)備操作接口獲得正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，通過(guò)這個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)與底層硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。相當(dāng)于在設(shè)備驅(qū)動(dòng)和主程序之間添加了一層中間層，如圖6 所示。中間層實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的封裝，主程序通過(guò)中間層提供的標(biāo)準(zhǔn)接口訪問(wèn)底層設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)的升級(jí)、更替不會(huì)對(duì)上層應(yīng)用產(chǎn)生影響。這種方式使得設(shè)備的硬件操作相關(guān)的代碼能夠獨(dú)立于應(yīng)用程序而存在，雙方只需關(guān)注各自的功能實(shí)現(xiàn)，從而降低了代碼的耦合性、復(fù)雜性，提高了魯棒性。圖6 中間層架構(gòu)為了使框架更加清晰，進(jìn)一步降低耦合性，模塊之間傳遞參數(shù)不直接采用函數(shù)調(diào)用的方式，而采用郵箱機(jī)制。郵箱機(jī)制是一種典型的任務(wù)間通信方法，特點(diǎn)是開(kāi)銷(xiāo)比較低，效率高。郵箱中的每一封郵件只能容納固定的4 字節(jié)內(nèi)容，當(dāng)線程間需要傳遞比較大的消息時(shí)，可以把指向一個(gè)緩沖區(qū)的指針作為郵件發(fā)送到郵箱中，如圖7 所示。圖7 郵箱機(jī)制5 結(jié)束語(yǔ)本文設(shè)計(jì)了一種非接觸式高精度液位采集裝置，采用了絲桿導(dǎo)程轉(zhuǎn)電脈沖的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直位移的細(xì)分，通