基于STM32 的高精度液位測量系統的設計與實現—傳感器系統設計

1、現代傳感器技術課程系統設計報告基于STM32 的高精度液位測量系統的設計與實現 設計人：Email：1715497611 目 錄1 應用背景21.1 液位傳感器的應用選擇21.2 液位傳感器比較31.3 光電式液位傳感器的優(yōu)勢（適用場合）52 總體設計方案62.1系統框圖與流程62.2光敏特性分析73 電路設計94 程序設計104.1 整體程序設計104.2 架構設計115 結束語136 參考文獻13摘要: 液位檢測裝置廣泛應用于石油、化工、醫(yī)藥等各個行業(yè)中。液位的采集在高精度生產控制系統當中，對控制的最終結果有決定性的影響。文章設計了一種基于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電機組成，主要采用PID閉環(huán)控制算法，通過光電傳感器捕捉液面位置，通過步進電機控制絲桿滑塊升降，計算步進電機脈沖數得到液面所在高度。關鍵詞: 液位檢測；光電傳感器；計數脈沖； PID 算法；高精度.1 應用背景液位傳感器是用于探測氣-液物質界面的轉換裝置, 在國民經濟各領域, 如:農業(yè)灌溉、無土栽培、石油儲運、化工反應、污水處理、江河治理、家用電器等有廣泛的應用。1.1 液位傳感器的應用選擇(1)根據測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行一個具體的測量工作，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。因為，即使測量同一物理量，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，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器的體積要求；測量方式為接觸式或非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，是進口還是國產的；價格等等。(2)靈敏度的選擇通常，在液位傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好，因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號才比較大，有利于信號處理，但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被系統放大，影響測量精度，因此要求傳感器本身具有很高的信躁比，盡量減少從外界引入的干擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的，當被測

4、量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器，如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 (3)頻率響應特性液位傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定的延遲，希望延遲越短越好，傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。1.2 液位傳感器比較目前國內外市場上成熟的液位傳感器產品有以下幾類, 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量原理，當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力的同時，通過導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 與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為：.g.H ，通過測取壓力 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)保等系統和行業(yè)的各種介質的液位測量。(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。通過聲波從傳感器表面到水面的時間來測量水位。輸出標準的電流信號420mA。

6、超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。(3)激光液位傳感器脈沖激光測距是利用發(fā)射和接收激光脈沖信號的時間差來實現對被測目標的距離測量,其測距公式為: 從公式中可知,只要測量出激光脈沖發(fā)射和接收所用的往返時間,就可以求出被測量的距離。(4)浮球式液位（界面）傳感器浮球液位傳感器是以磁浮球為測量元件，通過磁耦合作用，使傳感器內電阻成線性變化，由智能轉換器將電阻變化轉換成420mA標準電流信號，并疊加HART信號輸出或就地液晶顯示，可現場顯示液位的百分比、420mA電流及液位值，遠

7、傳供給控制室可實現液位的自動檢測、控制和記錄。浮球液位傳感器具有結構簡單，調試方便，可靠性好，精度高等特點。浮球液位傳感器可廣泛適用于高溫、高壓、粘稠、臟污介質、瀝青、含臘等油品以及易燃、易爆、腐蝕性等介質的液位（界位）的連續(xù)測量。也可用于石油、化工原料儲存、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存等各種液罐的液位工業(yè)計量和控制。浮球液位傳感器也適用于大壩水位，水庫水位監(jiān)測與污水處理等等。(5)電容式液位傳感器電容式液位計是采用測量電容的變化來測量液面的高低的。它是一根金屬棒插入盛液容器內，金屬棒作為電容的一個極，容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質即為液體及其上面的氣體。由

8、于液體的介電常數1和液面上的介電常數2不同，比如：1>2，則當液位升高時，電容式液位計兩電極間總的介電常數值隨之加大因而電容量增大。反之當液位下降，值減小，電容量也減小。所以，電容式液位計可通過兩電極間的電容量的變化來測量液位的高低。電容液位計的靈敏度主要取決于兩種介電常數的差值，而且，只有1和2的恒定才能保證液位測量準確，因被測介質具有導電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。電容液位計體積小，容易實現遠傳和調節(jié)，適用于具有腐蝕性和高壓的介質的液位測量。(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界面發(fā)生反射折射原理而開發(fā)的新型接觸式點液位測控裝置。它具有結構簡單，定位精度

9、高；沒有機械部件，不需調試；靈敏度高及耐腐蝕；耗電少；體積小等諸多優(yōu)點而受到市場的逐漸認可。1.3 光電式液位傳感器的優(yōu)勢（適用場合）(1)可制成多點液位傳感器 由于光電探頭體積相對小巧可以在一個測量體上安裝多個光電探頭制成多點液位傳感器、變送器；(2)液面檢測準確、高重復性、快速響應液位的輸出只與光電探頭是否接觸液面體有關與介質的其它特性 如溫度、壓力、密度、電參數無關，故液面檢測準確、重復精度高；響應速度快液面控制非常精確； (3)免調試、免校驗直接安裝即可應用由于液位信號輸出只與液體是否接觸光電探頭有關壓力傳感器與其它因素無關，因此不需調校，可直接安裝使用； (4)高可靠性、長壽命、免維

10、護 由于對傳感器內部的所有元器件進行了樹脂澆封處理，傳感器內部沒有任何機械活動部件，因此傳感器可靠性高、壽命長、免維護。 (5)適應特種容器安裝 光電探頭體積超小,可分開安裝在狹小空間中適合特殊罐體或容器中使用。測量方式關鍵點、上下限位點、多點準分布式液位測量及監(jiān)控。適應環(huán)境能力強。 (6)可以在真空、壓力環(huán)境、壓力開關、易燃易爆場合以及特殊的液體環(huán)境如湍流、氣泡、振動、蒸汽等場合使用。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、小安裝結構尺寸、低成本等技術問題及市場需求。2 總體設計方案2.1系統框圖與流程裝置主要由4 部分組成: 控制電路、光電傳感器、步進電機驅動器和

11、執(zhí)行機構，如圖1 所示。其中光電傳感器由PIN 結二極管和紅外發(fā)光管組成，執(zhí)行機構由步進電機、絲桿和絲桿滑塊組成。圖1 總體結構圖檢測過程如圖2 所示。初始化時，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光敏管，光敏管導通，控制電路發(fā)送脈沖信號使絲桿轉動，滑塊開始下降。初始位置到凹月面之間是空氣介質，光敏管處于持續(xù)導通狀態(tài)；當光電傳感器繼續(xù)下降到凹月面時，凹月面發(fā)生折射，如圖2 ( b) 所示，此時光敏管處于截止狀態(tài)；光電傳感器繼續(xù)下降，當到達凹月面底部時，發(fā)光管發(fā)出的光束不再發(fā)生折射，可以穿過液體介質作用于光敏管，光敏管再次導通，此時表明檢測到液位所在平面，停止發(fā)送步進脈沖并

12、計算當前液面高度。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和光照強度之間的關系。一般來說，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，光電流隨照度增加較小，并且在光照足夠大時，輸出電流有飽和現象。這是由于光敏晶體管的電流放大倍數在小電流和大電流時都下降的緣故。(b)光譜特性 光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同

13、波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應。圖3(b) 為兩種不同材料光敏電阻的光譜特性。對應于不同波長，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曲線也不同。(c)伏安特性 在一定照度下，流過光敏二極管的電流與光敏二極管兩端的電壓的關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 溫度的變化對光敏晶體管的亮電流影響較小，但是對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，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布墸?，對整個電流的影響不大。從圖3 中我們可以得出結論，硅管的最佳響應波長在800 900 nm，鍺管的最佳響應波長在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，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不即刻為零，這是光敏電阻的時延特性，這決定了光敏電阻不能用在快速響應的場合。光敏二極管的響應頻率主要由以下3 個因

15、素決定:(1) 光生載流子在耗盡層附近的擴散時間；(2) 光生載流子在耗盡層內的漂移時間；(3) 與負載電阻R并聯的結電容C所決定的電路時間常數。PIN光敏二極管在PN 結之間生成I 型層，形成PIN 結，具有結電容小、渡越時間短、靈敏度高等優(yōu)點。其頻率特性優(yōu)于其他光敏元件，適宜快速變化的光信號探測，因此我們選擇該種光敏二極管作為檢測元件。3 電路設計裝置微控制器選擇STM32F103ZET6，微控制器通過I2C 驅動EEPROM，EEPROM 用于存儲系統初始化數據，如校準參數等。通過SPI 驅動FLASH，用來存儲程序。通過FSMC 接口驅動LCD顯示和SRAM，SRAM 用來存放運行時的

16、數據。PE2 檢測光敏二極管是否導通，PE3 控制發(fā)光管通斷。PF8、PF9 和PF10 引腳分別接步進電機驅動器脈沖信號、方向信號和使能信號，驅動器采用共陽極接線方式，電路留有RS232 調試接口。電路設計如圖4 所示。圖4 硬件原理圖裝置選擇的微控制器STM32F103ZET6 的內核是ARM CortexM3，屬于ARMV7 指令架構系列的MCU 版本，它實現了單周期閃存應用最優(yōu)化，所需代碼空間約為ARM7 的一半，MCU 控制應用的速度快24倍；中斷處理響應僅需612個系統時鐘周期；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，又免去了在Thumb和ARM 指令集之間切換的繁瑣。更為重要的是，該微控制器性價比極高，32 位的系統比8 /16 位的還便宜。因只需要控制絲桿滑塊移動，不需要大扭矩，本裝置選擇步進精度為1. 8°的42 步進電機，絲桿導程為2 mm，步進電機每轉1 圈需要200個脈沖信號，每個脈沖信號對應0. 01 mm 的垂直位移。4 程序設計4.1 整體程序設計上電后對硬件進行初始化，首先給二極管通電，然后判斷光敏管是否導通。如果導通則發(fā)送步進脈沖驅動光電傳感器下降，脈沖計數器加1。如果光敏管不導通，則說明檢測到凹月面，繼續(xù)發(fā)送步進脈沖，直到光敏管導通，說明此時光電傳感器剛好與凹月面

18、下緣相切，此時光電二極管所在位置即為液位，通過初始位置與發(fā)送的脈沖個數計算當前液位高度。結合本文圖2 所示檢測過程，其算法控制流程如圖5 所示。圖5 控制算法流程圖4.2 架構設計主程序通過編寫的設備操作接口獲得正確的設備驅動，通過這個設備驅動與底層硬件進行數據交互。相當于在設備驅動和主程序之間添加了一層中間層，如圖6 所示。中間層實現了對設備驅動的封裝，主程序通過中間層提供的標準接口訪問底層設備，設備驅動的升級、更替不會對上層應用產生影響。這種方式使得設備的硬件操作相關的代碼能夠獨立于應用程序而存在，雙方只需關注各自的功能實現，從而降低了代碼的耦合性、復雜性，提高了魯棒性。圖6 中間層架構為了使框架更加清晰，進一步降低耦合性，模塊之間傳遞參數不直接采用函數調用的方式，而采用郵箱機制。郵箱機制是一種典型的任務間通信方法，特點是開銷比較低，效率高。郵箱中的每一封郵件只能容納固定的4 字節(jié)內容，當線程間需要傳遞比較大的消息時，可以把指向一個緩沖區(qū)的指針作為郵件發(fā)送到郵箱中，如圖7 所示。圖7 郵箱機制5 結束語本文設計了一種非接觸式高精度液位采集裝置，采用了絲桿導程轉電脈沖的方式實現對垂直位移的細分，通