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)

《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(cè)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(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 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(yǔ) 6參考文獻(xiàn) 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：量程的大小；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(xiàn)或通常，在液位傳感器的線(xiàn)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(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)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。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(cè)量原理，當(dāng)液位變送器投入到被測(cè)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(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(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)4—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)(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(xiàn)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(hào)，并疊液位值，遠(yuǎn)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·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(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e1和e2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(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(xiàn)；圖3(d)描述了光敏二極管光電流I與溫度T的特性曲線(xiàn)。圖3光敏二極管特性曲線(xiàn)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(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(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(chēng)為光敏電阻的光譜特性，亦稱(chēng)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(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(chēng)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(xiàn)。(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)，在照度和敏晶體管的光電流隨溫度的升高線(xiàn)性增大，但是光電流的值很小(微安級(jí)),對(duì)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800～900nm,鍺管的最佳響應(yīng)波長(zhǎng)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(xiàn)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(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(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?xún)?yōu)于其他光敏元件，適宜快速變化驅(qū)動(dòng)器采用共陽(yáng)極接線(xiàn)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(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2mm,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)0.01mm的垂直位移。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。開(kāi)始開(kāi)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(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(fǎng)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)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(xiàn)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(dòng)高精度檢測(cè)。該裝置不參與檢測(cè)過(guò)程，易于安裝，便于維護(hù)，避免了在高精度檢測(cè)過(guò)程中人為引入的誤差，節(jié)約了勞動(dòng)力，提高了檢測(cè)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(guó)家專(zhuān)利，可與各種需要精確測(cè)量液位的檢測(cè)設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)液位的精確自動(dòng)測(cè)量與控沒(méi)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(cè)量精度，需要根據(jù)相應(yīng)的測(cè)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(cè)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(jiǎn)單，這是該傳感器相比于其他類(lèi)型傳感器的優(yōu)勢(shì)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(jí)管的光