基于stm32的高精度液位測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《現(xiàn)代傳感器技術(shù)》課程一系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告基于STM32的高精度液位測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)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(適用場合) 52總體設(shè)計(jì)方案 62.1系統(tǒng)框圖與流程 6 73電路設(shè)計(jì) 94程序設(shè)計(jì) 4.1整體程序設(shè)計(jì) 4.2架構(gòu)設(shè)計(jì) 5結(jié)束語 6參考文獻(xiàn) 采集在高精度生產(chǎn)控制系統(tǒng)當(dāng)中，對控制的最終結(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，通過光電傳感器捕捉液面位置，通過步進(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)得到液面所在農(nóng)業(yè)灌溉、無土栽培、石油儲運(yùn)、化工反應(yīng)、污水處理、江河治理、家用電器要進(jìn)行一個(gè)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?yàn)椋词箿y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合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)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)榈⒁獾氖?，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，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器，如果被液位傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，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，可測的信號頻率范圍就寬，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信號的頻率較低。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深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力的同時(shí)，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(fù)壓腔相連，以抵工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)超聲波液位傳感器是利用空氣的聲納原理，通過聲波從傳感器表面到水面的時(shí)間來測量水位。輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號4—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、能脈沖激光測距是利用發(fā)射和接收激光脈沖信號的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)(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量元件，通過磁耦合作用，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4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，并疊液位值，遠(yuǎn)傳供給控制室可實(shí)現(xiàn)液位的自動檢測、控制和記錄。浮球液位傳感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(jì)量和控制。浮球液位傳感器也適用于大壩水電容式液位計(jì)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(nèi)，金屬棒作為電容的·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。由于液體的介電常數(shù)ε1和液而上的量也減小。所以，電容式液位計(jì)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(jì)的靈敏度主要取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有e1和e2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(jì)體積小，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳和調(diào)節(jié)，適用于具有腐(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)而受到市場的逐漸由于光電探頭體積相對小巧可以在一個(gè)測量體上安裝多個(gè)光電探頭制成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)，故液面檢測準(zhǔn)確、重復(fù)精度高；響應(yīng)速度快液面控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由于對傳感器內(nèi)部的所有元器件進(jìn)行了樹脂澆封處理，傳感器內(nèi)部沒有任測量方式關(guān)鍵點(diǎn)、上下限位點(diǎn)、多點(diǎn)準(zhǔn)分布式液位測量及監(jiān)控。適應(yīng)環(huán)境能力圖1總體結(jié)構(gòu)圖檢測過程如圖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)送脈沖信號使絲桿轉(zhuǎn)動，滑塊開始下降。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(shí)表明檢測到液位所在平面，停止發(fā)送步進(jìn)脈沖并計(jì)算當(dāng)前液面高2.2光敏特性分析圖3(a)描述了光敏二極管的光電流1與照度L的特性曲線；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(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(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范圍內(nèi)，在照度和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),對從圖3中我們可以得出結(jié)論，硅管的最佳響應(yīng)波長在800～900nm,鍺管的最佳響應(yīng)波長在1400～1500nm。這兩段光波分別落在短波近紅外(。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普通的光敏二極管受到脈沖光照時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(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)的場合。光敏二極管的響應(yīng)頻率主要由以下3(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)。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(jì)如圖4所PLS-DIR+DIR-ENA-LCD_CSLCDRSUSART_RX 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2～4倍：中斷處理響應(yīng)僅需6～12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(jìn)精度為1.8°的42步進(jìn)電機(jī)，絲桿導(dǎo)程為2mm,步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)1圈需要200個(gè)脈沖信號，每個(gè)脈沖信號對應(yīng)0.01mm的垂直位移。如果導(dǎo)通則發(fā)送步進(jìn)脈沖驅(qū)動光電傳感器下降，脈沖計(jì)數(shù)器加1。如果光敏管不導(dǎo)通，則說明檢測到凹月面，繼續(xù)發(fā)送步進(jìn)脈沖，直到光敏管導(dǎo)通，說明此時(shí)光電傳感器剛好與凹月面下緣相切，此時(shí)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(gè)數(shù)計(jì)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。開始開始否是結(jié)束是否光敏管是否導(dǎo)通光敏管是否導(dǎo)通圖5控制算法流程圖中間層實(shí)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)主程序外設(shè)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)不直接采用當(dāng)線程間需要傳遞比較大的消息時(shí)，可以把指向·個(gè)緩沖區(qū)的指針作為郵件發(fā)進(jìn)偏移出偏移圖7郵箱機(jī)制 《現(xiàn)代傳感器技術(shù)》課程一系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告本文設(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)電脈沖進(jìn)而得出液面高度，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)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(hù)，避免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(bào)了國家專利，可與各種需要精確測量液位的檢測設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)液位的精確自動測量與控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，如果需要精確的計(jì)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(jì)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(bǔ)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[1]楊軍.基于PIN光電二級管的光