基于的高精度液位测量系统的设计和实现传感器专业系统设计.doc

基于STM32 高精度液位测量系统设计与实现 设计人：Email： 目 录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62.2光敏特性分析73 电路设计94 程序设计104.1 整体程序设计104.2 架构设计115 结束语136 参考文献13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。液位采集在高精度生产控制系统当中，对控制最后成果有决定性影响。文章设计了一种基于STM32 高精度液位采集装置，该装置重要由控制器、光电传感器和丝杆步进电机构成，重要采用PID闭环控制算法，通过光电传感器捕获液面位置，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。核心词：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、化工反映、污水解决、江河治理、家用电器等有广泛应用。1.1 液位传感器应用选取(1)依照测量对象与测量环境拟定传感器类型要进行一种详细测量工作，一方面要考虑液位传感器采用何种原理传感器，这需要分析多方面因素之后才干拟定。由于，虽然测量同一物理量，也有各种原理传感器可供选用，哪一种原理传感器更为适当，则需要依照被测量特点和传感器使用条件考虑如下详细问题：量程大小；被测位置对传感器体积规定；测量方式为接触式或非接触式；信号引出办法，有线或是非接触测量；传感器来源，是进口还是国产；价格等等。(2)敏捷度选取普通，在液位传感器线性范畴内，但愿传感器敏捷度越高越好，由于只有敏捷度高时，与被测量变化相应输出信号才比较大，有助于信号解决，但要注意是，传感器敏捷度高，与被测量无关外界噪声也容易混入，也会被系统放大，影响测量精度，因而规定传感器自身具备很高信躁比，尽量减少从外界引入干扰信号。传感器敏捷度是有方向性，当被测量是单向量，并且对其方向性规定较高，则应选取其他方向敏捷度小传感器，如果被测量是多维向量，则规定传感器交叉敏捷度越小越好。 (3)频率响应特性液位传感器频率响应特性决定了被测量频率范畴，必要在容许频率范畴内保持不失真测量条件，事实上传感器响应总有一定延迟，但愿延迟越短越好，传感器频率响应高，可测信号频率范畴就宽，而由于受到构造特性影响，机械系统惯性较大，因有频率低传感器可测信号频率较低。1.2 液位传感器比较当前国内外市场上成熟液位传感器产品有如下几类，如:压力式液位传感器、超声波液位传感器、激光液位传感器、老式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，传感器迎液面受到压力同步，通过导气不锈钢将液体压力引入到传感器正压腔，再将液面上大气压 Po 与传感器负压腔相连，以抵消传感器背面 Po ，使传感器测得压力为：.g.H ，通过测取压力 P ，可以得到液位深度。其公式为：P= .g.H + Po。压力式液位传感器合用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业各种介质液位测量。(2)超声波液位传感器超声波液位传感器是运用空气声纳原理，发射和接受是一种超声波。通过声波从传感器表面到水面时间来测量水位。输出原则电流信号420mA。超声波是一种振动频率高于声波机械波，由换能晶片在电压勉励下发生振动产生，它具备频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、可以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运用发射和接受激光脉冲信号时间差来实现对被测目的距离测量,其测距公式为： 从公式中可知,只要测量出激光脉冲发射和接受所用来回时间,就可以求出被测量距离。(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，通过磁耦合伙用，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420mA原则电流信号，并叠加HART信号输出或就地液晶显示，可现场显示液位比例、420mA电流及液位值，远传供应控制室可实现液位自动检测、控制和记录。浮球液位传感器具备构造简朴，调试以便，可靠性好，精度高等特点。浮球液位传感器可广泛合用于高温、高压、粘稠、脏污介质、沥青、含腊等油品以及易燃、易爆、腐蚀性等介质液位（界位）持续测量。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液位工业计量和控制。浮球液位传感器也合用于大坝水位，水库水位监测与污水解决等等。(5)电容式液位传感器电容式液位计是采用测量电容变化来测量液面高低。它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容一种极，容器壁作为电容另一极。两电极间介质即为液体及其上面气体。由于液体介电常数1和液面上介电常数2不同，例如：12，则当液位升高时，电容式液位计两电极间总介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降，值减小，电容量也减小。因此，电容式液位计可通过两电极间电容量变化来测量液位高低。电容液位计敏捷度重要取决于两种介电常数差值，并且，只有1和2恒定才干保证液位测量精确，因被测介质具备导电性，因此金属棒电极均有绝缘层覆盖。电容液位计体积小，容易实现远传和调节，合用于具备腐蚀性和高压介质液位测量。(6) 光电式液位传感器光电液位传感器是运用光在两种不同介质界面发生反射折射原理而开发新型接触式点液位测控装置。它具备构造简朴，定位精度高；没有机械部件，不需调试；敏捷度高及耐腐蚀；耗电少；体积小等诸多长处而受到市场逐渐承认。1.3 光电式液位传感器优势（合用场合）(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种测量体上安装各种光电探头制成多点液位传感器、变送器；(2)液面检测精确、高重复性、迅速响应液位输出只与光电探头与否接触液面体关于与介质其他特性 如温度、压力、密度、电参数无关，故液面检测精确、重复精度高；响应速度快液面控制非常精准； (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与否接触光电探头关于压力传感器与其他因素无关，因而不需调校，可直接安装使用； (4)高可靠性、长寿命、免维护 由于对传感器内部所有元器件进行了树脂浇封解决，传感器内部没有任何机械活动部件，因而传感器可靠性高、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。测量方式核心点、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液体环境如湍流、气泡、振动、蒸汽等场合使用。本文研究光电式液位传感器能解决高腐蚀性、高污染、大压力、高振动、小安装构造尺寸、低成本等技术问题及市场需求。2 总体设计方案2.1系统框图与流程装置重要由4 某些构成：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构成，执行机构由步进电机、丝杆和丝杆滑块构成。图1 总体构造图检测过程如图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，光敏管处在持续导通状态；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，此时光敏管处在截止状态；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，此时表白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。2.2光敏特性分析图3 ( a) 描述了光敏二极管光电流I与照度L 特性曲线；图3 ( b) 描述了硅和锗光谱响应曲线；图3 ( c) 描述了光敏二极管伏安特性曲线；图3 ( d) 描述了光敏二极管光电流I 与温度T 特性曲线。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和光照强度之间关系。普通来说，光敏二极管光电特性线性较好，而光敏晶体管在照度小时，光电流随照度增长较小，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电流放大倍数在小电流和大电流时都下降缘故。(b)光谱特性 光敏电阻对入射光光谱具备选取作用，即光敏电阻对不同波长入射光有不同敏捷度。光敏电阻相对光敏敏捷度与入射波长关系称为光敏电阻光谱特性，亦称为光谱响应。图3(b) 为两种不同材料光敏电阻光谱特性。相应于不同波长，光敏电阻敏捷度是不同，并且不同材料光敏电阻光谱响应曲线也不同。(c)伏安特性 在一定照度下，流过光敏二极管电流与光敏二极管两端电压关系称为光敏电阻伏安特性。图3(c)为光敏晶体管在不同照度下伏安特性曲线。(b)温度特性 温度变化对光敏晶体管亮电流影响较小，但是对暗电流影响却十分明显。从图3(d)中可以看出在一定温度范畴内，在照度和电压不变状况下,光敏晶体管光电流随温度升高线性增大，但是光电流值很小（微安级），对整个电流影响不大。从图3 中咱们可以得出结论，硅管最佳响应波长在800 900 nm，锗管最佳响应波长在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( LWNIR，1 100 2 500 nm) 。在温度和电压不变状况下，光电流随照度线性增长，在照度和电压不变状况下，光电流随温度线性增长。普通光敏二极管受到脉冲光照时，光电流要通过一段时间才干达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不即刻为零，这是光敏电阻时延特性，这决定了光敏电阻不能用在迅速响应场合。光敏二极管响应频率重要由如下3 个因素决定:(1) 光生载流子在耗尽层附近扩散时间；(2) 光生载流子在耗尽层内漂移时间；(3) 与负载电阻R并联结电容C所决定电路时间常数。PIN光敏二极管在PN 结之间生成I 型层，形成PIN 结，具备结电容小、渡越时间短、敏捷度高等长处。其频率特性优于其她光敏元件，适当迅速变化光信号探测，因而咱们选取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取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 用来存储运营时数据。PE2 检测光敏二极管与否导通，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RS232 调试接口。电路设计如图4 所示。图4 硬件原理图装置选取微控制器STM32F103ZET6 内核是ARM CortexM3，属于ARMV7 指令架构系列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 一半，MCU 控制应用速度快24倍；中断解决响应仅需612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Thumb2 指令集，极大改进了代码密度同步，又免除了在Thumb和ARM 指令集之间切换繁琐。更为重要是，该微控制器性价比极高，32 位系统比8 /16 位还便宜。因只需要控制丝杆滑块移动，不需要大扭矩，本装置选取步进精度为1. 842 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，每个脉冲信号相应0. 01 mm 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，一方面给二极管通电，然后判断光敏管与否导通。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，则阐明检测到凹月面，继续发送步进脉冲，直到光敏管导通，阐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。图5 控制算法流程图4.2 架构设计主程序通过编写设备操作接口获得对的设备驱动，通过这个设备驱动与底层硬件进行数据交互。相称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封装，主程序通过中间层提供原则接口访问底层设备，设备驱动升级、更替不会对上层应用产生影响。这种方式使得设备硬件操作有关代码可以独立于应用程序而存在，双方只需关注各自功能实现，从而减少了代码耦合性、复杂性，提高了鲁棒性。图6 中间层架构为了使框架更加清晰，进一步减少耦合性，模块之间传递参数不直接采用函数调用方式，而采用邮箱机制。邮箱机制是一种典型任务间通信办法，特点是开销比较低，效率高。邮箱中每一封邮件只能容纳固定4 字节内容，当线程间需要传递比较大消息时，可以把指向一种缓冲区指针作为邮件发送到邮箱中，如图7 所示。图7 邮箱机制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方式实现对垂直位移细分，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。该装置不参加检测过程，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公司生产控制中。该装置有广泛应用前景，已经申报了国家专利，可与各种需要精准测量液位检测设备相结合，实现液位精准自动测量与控制。此外，该装置在硬件某些光敏管设计，涉及到传感器测量精度某些，没有给出详细误差分析。由于光敏发射管发出光在不同管壁不同液体中具备不同折射特性，如果需要精准计算设备测量精度，需要依照相应测量液体和装置详细分析。本文设计传感器，采用非接触式、不受被测液体影响、不受外界不同环境条件影响、不需要温度补偿和调零、原理简朴，这是该传感器相比于其她类型传感器优势所在，可以做到在同性能传感器中精度最高。6 参照文献1杨军. 基于PIN 光电二级管光功率计设计D 哈尔滨：哈尔滨理工大学，.2肖晖. 基于STM32 高精度液位测量系统设计与实现.J计量测试与检定. 25卷（2）：60-63.3陈阳 张洪泉. 光电式液位传感器寿命特性分析. J哈尔滨商业大学学报（自然科学版）. （24）：69-72.4田学隆,林芳钦. 基于光电传感器液位检测办法与装置J. 传感器与微系统,10:73-74+78.