一種基于STM32F103的電機油位測量裝置設計

曹慶皎 王靜爽 李鐵源 王奕卓

摘 要：電機是工業生產中極為重要的一個組成部分，保證它的正常運行需要多方面配合，其中潤滑油就是其中關鍵一項，對于電機油位的高低測量是一個重要方面。隨著科技的進步，油位檢測技術也已由初期的人工觀察發展為現在的自動檢測。文章主要介紹的是以STM32F103為中心控制芯片，并配合各個不同功能模塊設計的裝置。該裝置可以實時精確檢測，進行相應的顯示控制。

關鍵詞：油位測量；電機；實時檢測；自動控制

中圖分類號：TM306 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0098-02

Abstract： Motor is an extremely important part of industrial production， to ensure its normal operation needs many aspects of cooperation， in which lubricating oil is one of the key， for the motor oil level measurement is an important aspect. With the development of science and technology， oil level detection technology has been developed from manual observation to automatic detection. This paper mainly introduces the device which takes STM32F103 as the center control chip and cooperates with different function modules. The device can be accurately detected in real time and can be displayed and controlled accordingly.

Keywords： oil level measurement； motor； real-time detection； automatic control

隨著當今生產力水平的飛速發展，工業生產技術也快速發展，對大電機的使用要求也越來越嚴格，電機油箱油位的測量技術也隨之發生改變。傳統對電機油箱油位的檢測是靠人為觀察或者浮子閥控制，難以實時獲取油箱液位的精確數值，不能及時采取相應措施，易發生嚴重事故，給工業生產帶來不必要的重大損失，所以需要一種更穩定、安全、有效的油位測量方式。

根據電機油箱具有密封、易燃等特點，本文選擇采用非接觸式液位測量，提出利用超聲波傳感器和相應模塊制作測量、顯示裝置來檢測電機油箱液位的方法。本裝置具有體積小、安裝簡便、成本投入低、安全可靠，性價比高等優點。

1 電機油位測量顯示裝置的設計

本裝置是依據超聲波傳感器的“發出脈沖——接收回波測距”原理進行設計的。超聲波是振動頻率高于20kHz的聲波，具有沿直線傳播、能穿透物體和在遇到障礙物（介質改變）時可以反射聲波的特點，所以本裝置是由超聲波發射探頭發射一定頻率的超聲波，超聲波在傳播過程中遇到油面時被反射回來，經過T時間，超聲波接收探頭便能接收到從油面處反射回來的聲波。假設超聲波發射探頭到油面的距離為H，又可知聲波在空氣中的傳播速度為V，則H=V*T/2。當測量出超聲波發射探頭到油箱底部的距離L，就可以得出被測量的油位高度h=L-H。

電機油位測量顯示裝置的設計總體框圖如圖1所示。

當控制芯片STM32F103輸出控制信號后，由超聲波發射探頭向外發射一定頻率的超聲波信號，經油面反射，由超聲波接收探頭接收，接收到的信號作為控制芯片的輸入信號，控制芯片將信號與設定值比較，并按某種控制規律對差值進行計算，將運算結果傳送給油位顯示電路，并根據相關設定的參數要求看是否進行報警或驅動油泵補油等相應操作。

2 硬件電路設計

本裝置硬件電路的設計主要是完成模擬電路和數字電路兩部分，包括：核心電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、油位顯示電路、報警電路、驅動電路和矩陣按鍵電路等設計。

2.1 核心電路

核心電路主要由五部分組成，而每部分具有各自的特點。核心電路接線圖如圖2所示，主要包括復位、晶體振蕩器、TTL電平串口、通用I/O口、電源與接地等組成部分。

2.2 超聲波發射電路

在超聲波的發射電路中，采用555時基電路作為超聲波脈沖信號發生器。控制芯片從管腳PB0輸出控制信號，經高速光電耦合器隔離，將該信號送入555時基電路，然后利用555時基電路產生40kHz的超聲波，再將40kHz的超聲波送入超聲波發射探頭發射。本裝置中使用的控制芯片STM32F103系統電源電壓為3.3V，555定時器的電源電壓是12V。

2.3 超聲波接收電路

超聲波的接收電路主要使用的是CX20106芯片，它是一款紅外線檢波接收專用芯片。當超聲波接收探頭接收到40kHz的信號時，使用CX20106集成芯片對40kHz信號進行放大、濾波，然后在輸出端產生一個低電平下降脈沖，這個脈沖連接到控制芯片的管腳PB1作為信號輸入。

2.4 液位顯示電路

液位顯示電路選擇的是LCD1602顯示模塊，它是專門顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。具有操作簡便、耗電量低、顯示穩定等優點。

2.5 報警電路

報警電路由蜂鳴器、三極管、發光二極管和一個電阻組成。當報警電路輸入端接收到控制芯片發出的低電平信號時，三極管起放大作用，然后報警裝置啟動。當油位過低時，報警裝置啟動，L1發光二極管閃爍發光，同時油泵自動給油箱中加油，直至油位正常，L1停止閃爍。當油位過高時，報警裝置開始運行，蜂鳴器發出警報，L2發光二極管開始以每秒一次的頻率閃爍，油泵停止工作。

2.6 驅動電路

驅動電路主要元件包括光電耦合器、雙向晶閘管和壓敏電阻等。當控制芯片的PB2管腳發出低電平信號時，發光二極管導通并發光，同時雙向晶閘管接收光電耦合器發出的觸發信號導通，油泵得電而運轉，自動給油箱補油。

3 軟件程序設計

本裝置的軟件部分運用嵌入式C語言進行編程，控制芯片選用STM32F103，程序每一部分按功能不同劃分成相應模塊，主要包括設置系統初值、產生超聲波信號、接收超聲波信號、分析各項數據、顯示液位、設置矩陣按鍵、驅動電路以及報警閃爍響應。

程序設計流程圖如圖3所示。

4 調試仿真

本設計主要應用MDK Keil軟件進行編程仿真。當多次檢查程序和原理圖均無錯誤后，下載程序，進行實驗，根據實驗的不同結果來判斷本程序是否仍舊存在錯誤，并且根據相應錯誤及時修改相關的程序。

5 結束語

電機油位測量顯示控制裝置的設計過程中，線路上通過光電隔離器分離了強弱電的互相干擾，同時布置線路板時也對各種干擾采取了相應的辦法進行處理，雖然都由相對簡單的電路組成，但所包含的功能多樣、測量準確，適用于各種需要液位測量工作的工業生產中，作為一個實用性很強的自動測量顯示控制裝置。

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