基于STM32 的高精度液位測量系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)分析—傳感器系統(tǒng)設(shè)計

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1、. . 基于STM32 的高精度液位測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 設(shè)計人：E—mail：1715497611@qq 目錄 1 應(yīng)用背景2 1.1 液位傳感器的應(yīng)用選擇2 1.2 液位傳感器比較3 1.3 光電式液位傳感器的優(yōu)勢〔適用場合〕3 2 總體設(shè)計方案3 2.1系統(tǒng)框圖與流程3 2.2光敏特性分析3 3 電路設(shè)計3 4 程序設(shè)計3 4.1 整體程序設(shè)計3 4.2 架構(gòu)設(shè)計3 5 完畢語3 6 參考文獻3 摘要:液位檢測裝置廣泛應(yīng)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(chǎn)控制系統(tǒng)當(dāng)中，對控

2、制的最終結(jié)果有決定性的影響。文章設(shè)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(shù)得到液面所在高度。 關(guān)鍵詞:液位檢測；光電傳感器；計數(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氣-液物質(zhì)界面的轉(zhuǎn)換裝置, 在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域, 如:農(nóng)業(yè)灌溉、無土栽培、石油儲運、化工反響、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)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進展一個具體的測量

3、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，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為適宜，那么需要根據(jù)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?。槐粶y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(chǎn)的；價格等等。 (2)靈敏度的選擇 通常，在液位傳感器的線性圍，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(yīng)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(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被

4、系統(tǒng)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(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，那么應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器，如果被測量是多維向量，那么要求傳感器的穿插靈敏度越小越好。 (3)頻率響應(yīng)特性 液位傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率圍，必須在允許頻率圍保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(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，可測的信號頻率圍就寬，而由于受到構(gòu)造特性的影響，機械系統(tǒng)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 目前國外市場上成熟的液位傳

5、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)壓力式液位傳感器， 壓力式液位傳感器采用靜壓測量原理，當(dāng)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(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 與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器反面的 Po ，使傳感器測得壓力為：ρ.g.H ，通過測取壓力 P ，可以得到液位深度。其公式為：P= ρ.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)的液位測量。 (2)超聲

6、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)射和承受的是一種超聲波。通過聲波從傳感器外表到水面的時間來測量水位。輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號4—20mA。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鼓勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、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。 (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(xiàn)對被測目標(biāo)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

7、用，使傳感器電阻成線性變化，由智能轉(zhuǎn)換器將電阻變化轉(zhuǎn)換成4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，并疊加HART信號輸出或就地液晶顯示，可現(xiàn)場顯示液位的百分比、4~20mA電流及液位值，遠傳供給控制室可實現(xiàn)液位的自動檢測、控制和記錄。浮球液位傳感器具有構(gòu)造簡單，調(diào)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(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

8、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上下的。它是一根金屬棒插入盛液容器，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(zhì)即為液體及其上面的氣體。由于液體的介電常數(shù)ε1和液面上的介電常數(shù)ε2不同，比方：ε1>ε2，那么當(dāng)液位升高時，電容式液位計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，ε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上下。電容液位計的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保證液位測量準(zhǔn)確，因被測介質(zhì)具有導(dǎo)電性，所以金屬棒電極都有絕緣層覆蓋。電容液位計體積小，容易實

9、現(xiàn)遠傳和調(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發(fā)的新型接觸式點液位測控裝置。它具有構(gòu)造簡單，定位精度高；沒有機械部件，不需調(diào)試；靈敏度高及耐腐蝕；耗電少；體積小等諸多優(yōu)點而受到市場的逐漸認(rèn)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(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)無關(guān)，故液面

10、檢測準(zhǔn)確、重復(fù)精度高；響應(yīng)速度快液面控制非常準(zhǔn)確； (3)免調(diào)試、免校驗直接安裝即可應(yīng)用 由于液位信號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、長壽命、免維護由于對傳感器部的所有元器件進展了樹脂澆封處理，傳感器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(yīng)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(guān)鍵點、上下限位點、多點準(zhǔn)分布式液位測量及監(jiān)控。適應(yīng)環(huán)境能力強。 (6)可以在真空、壓力環(huán)境、壓力開關(guān)、易燃易爆場合以及特殊的液體環(huán)境如湍流、

11、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、小安裝構(gòu)造尺寸、低本錢等技術(shù)問題及市場需求。 2 總體設(shè)計方案 2.1系統(tǒng)框圖與流程 裝置主要由4 局部組成: 控制電路、光電傳感器、步進電機驅(qū)動器和執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)由步進電機、絲桿和絲桿滑塊組成。 圖1 總體構(gòu)造圖 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(dǎo)通，控制電路發(fā)送脈沖信號使絲桿轉(zhuǎn)動，滑塊開場下降。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

12、狀態(tài)；當(dāng)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?fàn)顟B(tài)；光電傳感器繼續(xù)下降，當(dāng)?shù)竭_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(zhì)作用于光敏管，光敏管再次導(dǎo)通，此時說明檢測到液位所在平面，停頓發(fā)送步進脈沖并計算當(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

13、描述光電流I和光照強度之間的關(guān)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(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(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。對應(yīng)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(yīng)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

14、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圍，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，但是光電流的值很小〔微安級〕，對整個電流的影響不大。 從圖3 中我們可以得出結(jié)論，硅管的最正確響應(yīng)波長在800 ～ 900 nm，鍺管的最正確響應(yīng)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( LW－NIR，1 1

15、00 ～ 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(jīng)過一段時間才能到達穩(wěn)定值，而在停頓光照后，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(yīng)的場合。光敏二極管的響應(yīng)頻率主要由以下3 個因素決定: (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的漂移時間； (3) 與負載電阻R并聯(lián)的結(jié)電容C所決定的電路時間常數(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、渡越時間短、靈敏度高等優(yōu)點。

16、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(shè)計 裝置微控制器選擇STM32F103ZET6，微控制器通過I2C 驅(qū)動EEPROM，EEPROM 用于存儲系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)，如校準(zhǔn)參數(shù)等。通過SPI 驅(qū)動FLASH，用來存儲程序。通過FSMC 接口驅(qū)動LCD顯示和SRAM，SRAM 用來存放運行時的數(shù)據(jù)。PE2 檢測光敏二極管是否導(dǎo)通，PE3 控制發(fā)光管通斷。PF8、PF9 和PF10 引腳分別接步進電機驅(qū)動器脈沖信號、方向信號和使能信號，驅(qū)動器采用共陽極接線方式，電路留有RS－232 調(diào)試接口。電路設(shè)計如圖4 所示。 圖4 硬件原

17、理圖 裝置選擇的微控制器STM32F103ZET6 的核是ARM Cortex－M3，屬于ARMV7 指令架構(gòu)系列的MCU 版本，它實現(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2～4倍；中斷處理響應(yīng)僅需6～12個系統(tǒng)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(tǒng)比8 /16 位的還廉價。 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

18、機，絲桿導(dǎo)程為2 mm，步進電機每轉(zhuǎn)1 圈需要200個脈沖信號，每個脈沖信號對應(yīng)0. 01 mm 的垂直位移。 4 程序設(shè)計 4.1 整體程序設(shè)計 上電后對硬件進展初始化，首先給二極管通電，然后判斷光敏管是否導(dǎo)通。如果導(dǎo)通那么發(fā)送步進脈沖驅(qū)動光電傳感器下降，脈沖計數(shù)器加1。如果光敏管不導(dǎo)通，那么說明檢測到凹月面，繼續(xù)發(fā)送步進脈沖，直到光敏管導(dǎo)通，說明此時光電傳感器剛好與凹月面下緣相切，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(shù)計算當(dāng)前液位高度。結(jié)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(gòu)設(shè)計 主程序通過編寫的設(shè)備操作

19、接口獲得正確的設(shè)備驅(qū)動，通過這個設(shè)備驅(qū)動與底層硬件進展數(shù)據(jù)交互。相當(dāng)于在設(shè)備驅(qū)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(xiàn)了對設(shè)備驅(qū)動的封裝，主程序通過中間層提供的標(biāo)準(zhǔn)接口訪問底層設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動的升級、更替不會對上層應(yīng)用產(chǎn)生影響。這種方式使得設(shè)備的硬件操作相關(guān)的代碼能夠獨立于應(yīng)用程序而存在，雙方只需關(guān)注各自的功能實現(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，而采用機制。機制是一種典型的任務(wù)間通信方法，特點是開銷比較低，效率高。中的每一封只能容納固定的4 字節(jié)容，當(dāng)線程間

20、需要傳遞比較大的消息時，可以把指向一個緩沖區(qū)的指針作為發(fā)送到中，如圖7 所示。 圖7 機制 5 完畢語 本文設(shè)計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)電脈沖的方式實現(xiàn)對垂直位移的細分，通過計算脈沖個數(shù)得出光電傳感器所走行程，進而得出液面高度，實現(xiàn)了遠程自動高精度檢測。該裝置不參與檢測過程，易于安裝，便于維護，防止了在高精度檢測過程中人為引入的誤差，節(jié)約了勞動力，提高了檢測效率。該液位高精度裝置已經(jīng)被成功應(yīng)用于該航空材料生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)控制中。該裝置有廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)申報了國家專利，可與各種需要準(zhǔn)確測量液位的檢測設(shè)備相結(jié)合，實現(xiàn)液位的準(zhǔn)確自動測量與控制。 另外，該裝置在硬件

21、局部光敏管的設(shè)計，涉及到傳感器測量精度的局部，沒有給出具體的誤差分析。由于光敏發(fā)射管發(fā)出的光在不同管壁不同液體中具有不同的折射特性，如果需要準(zhǔn)確的計算設(shè)備的測量精度，需要根據(jù)相應(yīng)的測量液體和裝置具體分析。本文設(shè)計的傳感器，采用非接觸式、不受被測液體的影響、不受外界不同環(huán)境條件的影響、不需要溫度補償和調(diào)零、原理簡單，這是該傳感器相比于其他類型傳感器的優(yōu)勢所在，可以做到在同性能的傳感器中精度最高。 6 參考文獻 [1]軍. 基于PIN 光電二級管的光功率計設(shè)計［D］． : 理工大學(xué)，2021. [2]肖暉. 基于STM32 的高精度液位測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).[J]計量測試與檢定. 2021 年25卷〔2〕：60-63. [3]陽洪泉. 光電式液位傳感器壽命特征分析. [J]商業(yè)大學(xué)學(xué)報〔自然科學(xué)版〕. 2021〔24〕：69-72. [4]田學(xué)隆,林芳欽. 基于光電傳感器的液位檢測方法與裝置[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2021,10:73-74+78. 教育之通病是教用腦的人不用手，不教用手的人用腦，所以一無所能。教育革命的對策是手腦聯(lián)盟，結(jié)果是手與腦的力量都可以大到不可思議。 優(yōu)選