《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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《现代传感器技术》课程—系统设计报告
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。