基于STM32 与FPGA 的新型超声波液位计

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超声波液位计作为一种非接触式的液位测量设备，不受电磁干扰影响，成本较低，使用方便，因而在工业生产中得到了广泛应用，特别是对工况比较复杂的罐体中液位的测量。

超声波液位测量的方法主要有相位检测法、幅值检测法、时差法。其中，相位检测法精度较高，但量程短，电路设计复杂；幅值检测法实现简单，但精度较低；时差法电路不太复杂，量程和精度基本能满足工业要求。文中采用时差法。

' ^2 V) I' B$ Y时差法原理：发射探头发出的超声波在介质中传播，经被测液面反射后，回波信号被接收探头所接收。在特定介质中声速是可以确定的，只要测量出超声波从发出到被接收所用的时间，就可以计算出超声波传输的距离，进而间接地测量出液面高度。

由时差法的原理可知，决定测量精度的关键是对声速的确定和对传播时间的测量。影响声速的环境因素主要是温度，大多数气介式超声波液位计也都对温度进行了补偿。但是，如果待测液体是易挥发的，空气中大量的蒸气会形成不容忽视的声速梯度，为了保证测量的精度，这时就需要对声速进行温度和湿度两方面的补偿。

  m- }9 z8 m& k7 `3 p& j- a超声波液位测量系统主要由STM32 单片机、FPGA、发射电路、接收电路、温湿度测量模块、LCD 显示模块、无线通信模块、报警模块等组成。作为主控制器的STM32 芯片，通过SPI 接口和FPGA 进行通信。上电之后，STM32 单片机向FPGA发送测量信号，FPGA 接收到信号之后，发出超声波激励信号，同时开始计数，激励信号经发射电路放大后激励换能器振动发出超声波，经被测液面反射后产生的回波信号由接收电路处理后被回波识别模块检测到，
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. Y2 J% ~9 I9 Z8 w* s& `! h7 O8 p计数器停止计数，将计数值通过SPI 接口传给STM32，STM32 利用补偿后的声速和传播时间计算出液位高度，并控制LCD 显示液位和温湿度测量结果，同时，将相应测量结果通过无线通信发送给PC 端。若液位不在规定范围内，则发出报警信号。
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本系统硬件电路设计主要涵盖超声波发射电路、超声波接收电路、LCD 显示模块、温湿度测量模块、无线通信模块，以及STM32 和FPGA 模块。本系统软件设计包括STM32 部分软件设计、FPGA部分软件设计以及PC 端软件设计。

6 m8 M! ]5 [& x; |% e本系统以STM32 作为主控制器，并移植了FreeＲTOS实时操作系统，实现了液位的实时测量，以及其他各任务的实时处理；以FPGA 作为协处理器，利用其并行处理的能力消除了产生激励信号和启动计时之间的延时。FPGA 较高的工作频率保证了计时的精度以及超声波激励信号的稳定性，进而提高了测量精度。同时，系统还对声速进行了温度和湿度两方面的补偿，进一步提高了液位计的测量精度。另外，该系统还有无线通信的能力，实现了对液位的远程监控。

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超声波液位计作为一种非接触式的液位测量设备，不受电磁干扰影响，成本较低，使用方便，因而在工业生产中得到了广泛应用，特别是对工况比较复杂的罐体中液位的测量。
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时差法原理：发射探头发出的超声波在介质中传播，经被测液面反射后，回波信号被接收探头所接收
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FPGA 较高的工作频率保证了计时的精度以及超声波激励信号的稳定性，进而提高了测量精度。同时，系统还对声速进行了温度和湿度两方面的补偿，进一步提高了液位计的测量精度。另外，该系统还有无线通信的能力，实现了对液位的远程监控