基于stm32的高精度液位测量系统的设计与实现-传感器系统设计

《现代传感器技术》课程一系统设计报告基于STM32的高精度液位测量系统的设计与实现1应用背景 21.1液位传感器的应用选择 21.2液位传感器比较 31.3光电式液位传感器的优势(适用场合) 52总体设计方案 62.1系统框图与流程 6 73电路设计 94程序设计 4.1整体程序设计 4.2架构设计 5结束语 6参考文献 采集在高精度生产控制系统当中，对控制的最终结果有决定性的影响。文章设计了一种基于STM32的高精度液位采集装置，该装置主要由控制器、光电传感器和丝杆步进电机组成，主要采用PID闭环控制算法，通过光电传感器捕捉液面位置，通过步进电机控制丝杆滑块升降，计算步进电机脉冲数得到液面所在农业灌溉、无土栽培、石油储运、化工反应、污水处理、江河治理、家用电器要进行一个具体的测量工作，首先要考虑液位传感器采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下具体问题：量程的大小；被测位置对传感器的体积要求；测量方式为接触式或非接触式；信号的引出方法，有线或通常，在液位传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好，因为但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被系统放大，影响测量精度，因此要求传感器本身具有很高的信躁比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的，当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器，如果被液位传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定的延迟，希望延迟越短越好，传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。器、超声波液位传感器、激光液位传感器、传统浮子式液位传感器以及电容式压力式液位传感器采用静压测量原理，当液位变送器投入到被测液体中某深度时，传感器迎液面受到的压力的同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业超声波液位传感器是利用空气的声纳原理，通过声波从传感器表面到水面的时间来测量水位。输出标准的电流信号4—发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能脉冲激光测距是利用发射和接收激光脉冲信号的时间差来实现对被测目标(4)浮球式液位(界面)传感器浮球液位传感器是以磁浮球为测量元件，通过磁耦合作用，使传感器内电阻成线性变化，由智能转换器将电阻变化转换成4~20mA标准电流信号，并叠液位值，远传供给控制室可实现液位的自动检测、控制和记录。浮球液位传感浮球液位传感器可广泛适用于高温、高压、粘稠、脏污介质、沥青、含腊等油品以及易燃、易爆、腐蚀性等介质的液位(界位)的连续测量。也可用于石油、化工原料储存、工业流程、生化、医药、食品饮料、罐区管理和加油站地下库存等各种液罐的液位工业计量和控制。浮球液位传感器也适用于大坝水电容式液位计是采用测量电容的变化来测量液面的高低的。它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的·个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数ε1和液而上的量也减小。所以，电容式液位计可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有e1和e2的恒定才能保证液位测量准确，因被测介质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有腐(6)光电式液位传感器光电液位传感器是利用光在两种不同介质界面发生反射折射原理而开发的不需调试；灵敏度高及耐腐蚀；耗电少；体积小等诸多优点而受到市场的逐渐由于光电探头体积相对小巧可以在一个测量体上安装多个光电探头制成液位的输出只与光电探头是否接触液面体有关与介质的其它特性如温度、压力、密度、电参数无关，故液面检测准确、重复精度高；响应速度快液面控由于液位信号输出只与液体是否接触光电探头有关压力传感器与其它因由于对传感器内部的所有元器件进行了树脂浇封处理，传感器内部没有任测量方式关键点、上下限位点、多点准分布式液位测量及监控。适应环境能力图1总体结构图检测过程如图2所示。初始化时，丝杆滑块位于丝杆顶端，发光管发出平行光束穿透玻璃示液管到达光敏管，光敏管导通，控制电路发送脉冲信号使丝杆转动，滑块开始下降。初始位置到凹月面之间是空气介质，光敏管处于持续导通状态；当光电传感器继续下降到凹月面时，凹月面发生折射，如图2(b)所示，此时光敏管处于截止状态；光电传感器继续下降，当到达凹月面底部发光管发出的光束不再发生折射，可以穿过液体介质作用于光敏管，光敏管再次导通，此时表明检测到液位所在平面，停止发送步进脉冲并计算当前液面高2.2光敏特性分析图3(a)描述了光敏二极管的光电流1与照度L的特性曲线；图3(d)描述了光敏二极管光电流I与温度T的特性曲线。图3光敏二极管特性曲线并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。这是由于光敏晶体管的电流放大光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图3(b)为两种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱(c)伏安特性在一定照度下，流过光敏二极管的电流与光敏二极管两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图3(c)为光敏晶体管在不同照度下的伏安特性曲线。(b)温度特性温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著。从图3(d)中可以看出在一定的温度范围内，在照度和敏晶体管的光电流随温度的升高线性增大，但是光电流的值很小(微安级),对从图3中我们可以得出结论，硅管的最佳响应波长在800～900nm,锗管的最佳响应波长在1400～1500nm。这两段光波分别落在短波近红外(。在温度和电压不变的情况下，光电流随照度线性增加，在照度和电压不变的普通的光敏二极管受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不即刻为零，这是光敏电阻的时延特性，这决定了光敏电阻不能用在快速响应的场合。光敏二极管的响应频率主要由以下3(1)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间：(2)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(3)与负载电阻R并联的结电容C所决定的电路时间常数。渡越时间短、灵敏度高等优点。其频率特性优于其他光敏元件，适宜快速变化驱动器采用共阳极接线方式，电路留有RS—232调试接口。电路设计如图4所PLS-DIR+DIR-ENA-LCD_CSLCDRSUSART_RX ARMV7指令架构系列的MCU版本，它实现了单周期闪存应用最优化，所需代码空间约为ARM7的一半，MCU控制应用的速度快2～4倍：中断处理响应仅需6～12个系统时钟周期：引入了单周期乘法指令以及硬件除法因只需要控制丝杆滑块移动，不需要大扭矩，本装置选择步进精度为1.8°的42步进电机，丝杆导程为2mm,步进电机每转1圈需要200个脉冲信号，每个脉冲信号对应0.01mm的垂直位移。如果导通则发送步进脉冲驱动光电传感器下降，脉冲计数器加1。如果光敏管不导通，则说明检测到凹月面，继续发送步进脉冲，直到光敏管导通，说明此时光电传感器刚好与凹月面下缘相切，此时光电二极管所在位置即为液位，通过初始位置与发送的脉冲个数计算当前液位高度。结合本文图2所示检测过程，其算法控制流程如图5所示。开始开始否是结束是否光敏管是否导通光敏管是否导通图5控制算法流程图中间层实现了对设备驱动的封装，主程序通过中间层提供的标准接口访问底层设备，设备驱动的升级、更替不会对上层应用产生影响。这种方式使得设主程序外设图6中间层架构为了使框架更加清晰，进一步降低耦合性，模块之间传递参数不直接采用当线程间需要传递比较大的消息时，可以把指向·个缓冲区的指针作为邮件发进偏移出偏移图7邮箱机制 《现代传感器技术》课程一系统设计报告本文设计了一种非接触式高精度液位采集装置，采用了丝杆导程转电脉冲进而得出液面高度，实现了远程自动高精度检测。该装置不参与检测过程，易于安装，便于维护，避免了在高精度检测过程中人为引入的误差，节约了劳动力，提高了检测效率。该液位高精度装置已经被成功应用于该航空材料生产企业的生产控制中。该装置有广泛的应用前景，已经申报了国家专利，可与各种需要精确测量液位的检测设备相结合，实现液位的精确自动测量与控没有给出具体的误差分析。由于光敏发射管发出的光在不同管壁不同液体中具有不同的折射特性，如果需要精确的计算设备的测量精度，需要根据相应的测量液体和装置具体分析。本文设计的传感器，采用非接触式、不受被测液体的影响、不受外界不同环境条件的影响、不需要温度补偿和调零、原理简单，这是该传感器相比于其他类型传感器的优势所在，可以做到在同性能的传感器中[1]杨军.基于PIN光电二级管的光