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—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

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目录

1 应用背景 ............................................................................................. 2 1.1 液位传感器的应用选择 ............................................................. 2 1.2 液位传感器比较 ......................................................................... 3 1.3 光电式液位传感器的优势（适用场合） .................................. 5 2 总体设计方案 ..................................................................................... 6 2.1系统框图与流程 .......................................................................... 6 2.2光敏特性分析 ............................................................................. 7 3 电路设计 ............................................................................................. 9 4 程序设计 ........................................................................................... 10 4.1 整体程序设计 .......................................................................... 10 4.2 架构设计 .................................................................................. 11 5 结束语 ............................................................................................... 13 6 参考文献 ........................................................................................... 13

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设计人：E—mail：1715497611@qq.com

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摘要:液位检测装置广泛应用于石油、化工、医药等各个行业中。液位的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高度。

关键词:液位检测；光电传感器；计数脉冲； PID 算法；高精度.

1 应用背景

液位传感器是用于探测气-液物质界面的转换装置, 在国民经济各领域, 如:农业灌溉、无土栽培、石油储运、化工反应、污水处理、江河治理、家用电器等有广泛的应用。

1.1 液位传感器的应用选择

(1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

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，有线或是非接触测量；传感器的来源，是进口还是国产的；价格等等。

(2)灵敏度的选择

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，因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号才比较大，有利于信号处理，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

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其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器，如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

(3)频率响应特性

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。

1.2 液位传感器比较

目前国内外市场上成熟的液位传感器产品有以下几类, 如:压力式液位传感器、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液位传感器。

(1)压力式液位传感器，

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一深度时，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，以抵消传感器背面的 Po ，使传感器测得压力为：ρ.g.H，通过测取压力 P ，可以得到液位深度。其公式为：P= ρ.g.H + Po。压力式液位传感器适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。

(2)超声波液位传感器

超声波液位传感器是利用空气的声纳原理，发射和接受的是一种超声波。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—20mA。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

(3)激光液位传感器

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的距离测量,其测距公式为:

从公式中可知,只要测量出激光脉冲发射

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和接收所用的往返时间,就可以求出被测量的距离。

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(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，并叠加HART信号输出或就地液晶显示，可现场显示液位的百分比、4~20mA电流及液位值，远传供给控制室可实现液位的自动检测、控制和记录。浮球液位传感器具有结构简单，调试方便，可靠性好，精度高等特点。

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位，水库水位监测与污水处理等等。

(5)电容式液位传感器

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，金属棒作为电容的一个极，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和液面上的介电常数ε2不同，比如：ε1>ε2，则当液位升高时，电容式液位计两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。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ε1和ε2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，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量。

(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新型接触式点液位测控装置。它具有结构简单，定位精度高；没有机械部件，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认可。

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1.3 光电式液位传感器的优势（适用场合）

(1)可制成多点液位传感器

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多点液位传感器、变送器；

(2)液面检测准确、高重复性、快速响应

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；响应速度快液面控制非常精确；

(3)免调试、免校验直接安装即可应用

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素无关，因此不需调校，可直接安装使用； (4)高可靠性、长寿命、免维护

由于对传感器内部的所有元器件进行了树脂浇封处理，传感器内部没有任何机械活动部件，因此传感器可靠性高、寿命长、免维护。 (5)适应特种容器安装

光电探头体积超小,可分开安装在狭小空间中适合特殊罐体或容器中使用。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 强。

(6)可以在真空、压力环境、压力开关、易燃易爆场合以及特殊的液体环境如湍流、气泡、振动、蒸汽等场合使用。

本文研究的光电式液位传感器能解决高腐蚀性、高污染、大压力、高振动、小安装结构尺寸、低成本等技术问题及市场需求。

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2 总体设计方案

2.1系统框图与流程

装置主要由4 部分组成: 控制电路、光电传感器、步进电机驱动器和执行机构，如图1 所示。其中光电传感器由PIN 结二极管和红外发光管组成，执行机构由步进电机、丝杆和丝杆滑块组成。

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，当到达凹月面底部时，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度。

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2.2光敏特性分析

图3 ( a) 描述了光敏二极管的光电流I与照度L 的特性曲线； 图3 ( b) 描述了硅和锗的光谱响应曲线； 图3 ( c) 描述了光敏二极管的伏安特性曲线；

图3 ( d) 描述了光敏二极管光电流I 与温度T 的特性曲线。

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图3 光敏二极管特性曲线

(a)光照特性

光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系。一般来说，光敏二极管的光电特性的线性较好，而光敏晶体管在照度小时，光电流随照度增加较小，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倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。

(b)光谱特性

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响应曲线也不同。

(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，在照度和电压不变的情况下,光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），对整个电流的影响不大。

从图3 中我们可以得出结论，硅管的最佳响应波长在800 ～ 900 nm，锗管的最佳响应波长在1 400 ～ 1 500 nm。这两段光波分别落在短波近红外( SW- NIR，7 000 ～ 1 100 nm) 和长波近红外( LW－NIR，1 100 ～ 2 500 nm) 。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情况下，光电流随温度线性增加。

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 个因素决定:

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(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。

PIN光敏二极管在PN 结之间生成I 型层，形成PIN 结，具有结电容小、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，适宜快速变化的光信号探测，因此我们选择该种光敏二极管作为检测元件。

3电路设计

装置微控制器选择STM32F103ZET6，微控制器通过I2C 驱动EEPROM，EEPROM 用于存储系统初始化数据，如校准参数等。通过SPI 驱动FLASH，用来存储程序。通过FSMC 接口驱动LCD显示和SRAM，SRAM 用来存放运行时的数据。PE2 检测光敏二极管是否导通，PE3 控制发光管通断。PF8、PF9 和PF10 引脚分别接步进电机驱动器脉冲信号、方向信号和使能信号，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 所示。

图4 硬件原理图

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装置选择的微控制器STM32F103ZET6 的内核是ARM Cortex－M3，属于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，仅支持融合了16 位/32 位的Thumb2 指令集，极大改善了代码密度的同时，又免去了在Thumb和ARM 指令集之间切换的繁琐。更为重要的是，该微控制器性价比极高，32 位的系统比8 /16 位的还便宜。

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2 mm，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. 01 mm 的垂直位移。

4程序设计

4.1 整体程序设计

上电后对硬件进行初始化，首先给二极管通电，然后判断光敏管是否导通。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。

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图5 控制算法流程图

4.2 架构设计

主程序通过编写的设备操作接口获得正确的设备驱动，通过这个设备驱动与底层硬件进行数据交互。相当于在设备驱动和主程序之间添加了一层中间层，如图6 所示。

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。这种方式使得设备的硬件操作相关的代码能够独立于应用程序而存在，双方只需关注各自的功能实现，从而降低了代码的耦合性、复杂性，提高了鲁棒性。

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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函数调用的方式，而采用邮箱机制。邮箱机制是一种典型的任务间通信方法，特点是开销比较低，效率高。邮箱中的每一封邮件只能容纳固定的4 字节内容，当线程间需要传递比较大的消息时，可以把指向一个缓冲区的指针作为邮件发送到邮箱中，如图7 所示。

图7 邮箱机制

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5 结束语

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的方式实现对垂直位移的细分，通过计算脉冲个数得出光电传感器所走行程，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制。

另外，该装置在硬件部分光敏管的设计，涉及到传感器测量精度的部分，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精度最高。

6 参考文献

[1]杨军. 基于PIN 光电二级管的光功率计设计［D］． 哈尔滨: 哈尔滨理工大学，2012. [2]肖晖. 基于STM32 的高精度液位测量系统的设计与实现.[J]计量测试与检定. 2015年25卷（2）：60-63.

[3]陈阳 张洪泉. 光电式液位传感器寿命特征分析. [J]哈尔滨商业大学学报（自然科学版）. 2008（24）：69-72.

[4]田学隆,林芳钦. 基于光电传感器的液位检测方法与装置[J]. 传感器与微系统,2009,10:73-74+78.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/41vw.html